摘 要:某油田單井水套加熱爐盤管在服役期間發(fā)生腐蝕泄漏。采用宏觀觀察、化學(xué)成分分析、 金相檢驗、掃描電鏡及腐蝕產(chǎn)物分析等方法對該盤管的腐蝕原因進行分析。結(jié)果表明:該盤管腐蝕 原因主要是其在高溫水浴中的溶解氧腐蝕,同時伴隨著因金屬過熱在垢下產(chǎn)生的汽水腐蝕。
關(guān)鍵詞:加熱爐;盤管;腐蝕;溶解氧;垢下
中圖分類號:TG171 文獻標(biāo)志碼:B 文章編號:1001-4012(2022)09-0052-03
水套加熱爐是目前較為常用的原油、天然氣水 浴加熱設(shè)備。采用水套加熱爐進行加熱,可以提高 油氣井產(chǎn)出物的流動性,使油氣集輸系統(tǒng)正常運行, 是高密度、高含蠟、高凝固點、高黏度的重質(zhì)超稠油 常用的一種加熱方式。水套加熱爐盤管內(nèi)部為油、 氣、水介質(zhì),外部是未經(jīng)軟化處理的油田生產(chǎn)用水, 且其長期處于高溫環(huán)境中,因此盤管內(nèi)外腐蝕環(huán)境 十分惡劣,腐蝕失效事故頻繁發(fā)生。水套加熱爐發(fā) 生腐蝕會導(dǎo)致油氣生產(chǎn)停產(chǎn)、油氣產(chǎn)量降低和油氣 泄漏等,必須加以重視和預(yù)防[1]。
某油田單井水套加熱爐被拆開后,發(fā)現(xiàn)其盤管 腐蝕極其嚴(yán)重,腐蝕盤管的宏觀形貌如圖1所示。 該加熱爐殼體的設(shè)計壓力為0.4 MPa,工作壓力為 0.1MPa,加熱爐盤管的設(shè)計壓力為14.0MPa,工作壓力為6.4 MPa,材料為20 # 鋼,工作介質(zhì)為原油、 天然氣和地層水。主盤管的進口溫度為30℃,出口 溫度為70 ℃,副盤管的進口溫度為30 ℃,出口溫 度為60 ℃。選取其中一段典型的腐蝕盤管,采用 宏觀觀察、化學(xué)成分分析、金相檢驗、掃描電鏡及腐蝕產(chǎn)物分析等方法對其腐蝕原因進行了分析,并提 出了相應(yīng)的防護措施。
1 理化檢驗
1.1 宏觀觀察
對該盤管的腐蝕部位進行宏觀觀察,結(jié)果如圖 2所示。由圖2可知:盤管外壁腐蝕極其嚴(yán)重,整體 壁厚減薄十分明顯,多處已發(fā)生腐蝕穿孔;盤管穿孔 部位的管徑明顯小于未穿孔部位,表明該盤管腐蝕 穿孔主要是其外壁的腐蝕所致;盤管外壁附著有大 量的黑色及黃色腐蝕產(chǎn)物,呈層片狀,極易剝落;腐 蝕產(chǎn)物較脆,截面呈黑色。
1.2 金相檢驗
在該盤 管 腐 蝕 嚴(yán) 重 的 部 位 取 樣,依 據(jù) GB/T 13298—2015 《金 相 組 織 檢 驗 方 法 》,GB/T 6394—2017 《金屬平均 晶 粒 度 測 定 方 法》對 其 進 行金相 檢 驗,結(jié) 果 如 圖 3 所 示。 由 圖 3 可 知,盤 管的晶 粒 度 等 級 為 8.5 級,盤 管 以 外 壁 腐 蝕 為 主,管體及 腐 蝕 坑 周 圍 部 位 的 組 織 無 異 常,均 為 鐵素體+珠光體。
1.3 化學(xué)成分分析
依據(jù) GB/T4336—2016《碳素鋼和中低合金鋼 多元素含量的測定 火花放電原子發(fā)射光譜法(常規(guī) 法)》,采用 ARL4460型直讀光譜儀對該盤管進行 化學(xué)成分分析,結(jié)果如表1所示。由表1可知,盤管 的化學(xué)成分符合 GB/T24591—2019 《高壓給水加 熱器用無縫鋼管》的要求。
1.4 掃描電鏡分析
采用掃描電鏡(SEM)對該盤管外表面的腐蝕 產(chǎn)物進行觀察,結(jié)果如圖4所示。由圖4可知,盤管 表面存在明顯的腐蝕產(chǎn)物,十分致密,并存在明顯的 孔洞。
1.5 腐蝕產(chǎn)物分析
采用能譜儀(EDS)對該盤管外表面的腐蝕產(chǎn)物 進行分析,結(jié)果如表2所示。
由表2可知,腐蝕產(chǎn)物 主要含有鐵和氧元素,并含有少量的鈣、鎂、鈉、碳、 氯等元素。 將盤管表面剝落的腐蝕產(chǎn)物研磨成粉末,采用 X射線衍射儀(XRD)對粉末進行分析,結(jié)果如圖5 所示。由圖 5 可 知,盤 管 表 面 的 腐 蝕 產(chǎn) 物 主 要 為 Fe3O4 及 Fe2O3。
2 綜合分析
水套加熱爐包括鍋筒、盤管、火筒和煙管等部 件,其中盤 管 是 加 熱 爐 的 核 心 傳 熱 部 件。爐 膛 水 具有硬度高,pH 偏低和鈣、鎂離子含量高的特點, 盤管內(nèi)為油田采出物。該腐蝕盤管的宏觀觀察及 金相檢驗結(jié)果表明,盤管以外壁腐蝕為主,內(nèi)壁腐 蝕程度相對較輕。XRD 分析結(jié)果表明,盤管表 面 的腐蝕產(chǎn)物主要為 Fe3O4 及 Fe2O3。綜合上述理 化檢驗結(jié)果 可 判 斷,加 熱 爐 盤 管 的 腐 蝕 形 式 主 要 為溶解氧腐蝕。
碳鋼的溶解氧腐蝕過程首先生成 Fe(OH)2,生 成的亞鐵離子通常情況下很不穩(wěn)定,遇到氧原子時 極易氧化生成 Fe(OH)3,其再經(jīng)過脫水生成 Fe2O3 和 FeO(OH)。Fe2O3 和 FeO(OH)均為疏松多孔 的物質(zhì),并且與基體附著的能力差,無保護作用,所 以氧腐蝕一般都可以無障礙地持續(xù)進行,對材料造 成腐蝕破壞。
加熱爐盤管外接觸的爐膛水溫度較高,可達到70~80 ℃。當(dāng)爐膛水溫度升高時,氧原子向金屬表 面的擴散速率增大,導(dǎo)致腐蝕速率增大。同時,地層 水中的離子濃度越高,溶液的導(dǎo)電性就越好,氯離子 也會破壞腐蝕產(chǎn)物膜的完整性,從而進一步加劇氧 腐蝕過程?，F(xiàn)場水質(zhì)分析結(jié)果如表3所示。
此外,氧化鐵垢的形成還會進一步促進腐蝕。 氧化鐵作為電化學(xué)腐蝕的陰極,在加熱條件下,垢下 氧化鐵膜遭到破壞,使裸露的金屬碳鋼變?yōu)殛枠O,并 在水中發(fā)生腐蝕[2]。
此外,因金屬過熱在垢下還會發(fā)生汽水腐蝕。 氧化鐵垢的腐蝕形態(tài)主要表現(xiàn)為:較大面積的 結(jié)垢腐蝕,氧化鐵垢呈黑褐色魚鱗狀,垢下金屬大部 分遭到腐 蝕,這 與 該 盤 管 腐 蝕 產(chǎn) 物 截 面 形 貌 是 一 致的。
3 結(jié)論及建議
該加熱爐盤管腐蝕主要是高溫水浴中的溶解氧 腐蝕而導(dǎo)致的,同時伴隨著在垢下因金屬過熱而產(chǎn) 生的汽水腐蝕。
為減緩加熱爐盤管的腐蝕,建議定期清洗加熱 爐盤管,并采用在水浴中加入緩釋阻垢劑、除氧劑或 對盤管外表面進行滲鋁等措施進行防護處理。
參考文獻:
[1] 徐鑫,楊敏.單井水套加熱爐盤管腐蝕機理分析[J]. 石化技術(shù),2020,27(10):240-241.
[2] 李建賓,欽祥斗.Q245R鋼鍋爐管爆管原因[J].理化 檢驗(物理分冊),2020,56(10):42-46.