一、背景簡介：

    隨著我國油氣開發(fā)的不斷壯大，海洋油氣平臺(tái)的安全是油氣開發(fā)的保障。海洋平臺(tái)上有復(fù)雜的管線系統(tǒng)，如何保護(hù)這些管線不受到惡劣海洋環(huán)境的腐蝕是目前亟待考慮和解決的問題。由于平臺(tái)維修的局限性，對(duì)管線材料的耐蝕性能提出了更高的要求。儀表氣系統(tǒng)作為海洋平臺(tái)必備的系統(tǒng)對(duì)整個(gè)平臺(tái)的安全運(yùn)行起到了舉足輕重的作用，常見的儀表氣管線主要用于儀表氣連接；作為動(dòng)力源控制現(xiàn)場(chǎng)閥門；用于井口區(qū)易熔塞管線回路；探測(cè)井口區(qū)火災(zāi)；用于現(xiàn)場(chǎng)儀表測(cè)量的取壓管路連接；用于儀表氣連接作為暖通系統(tǒng)風(fēng)機(jī)風(fēng)閘的動(dòng)力源[1,2] 。通常儀表氣管線的管徑較小，采用 316 不銹鋼作為儀表氣管線的材質(zhì)是國內(nèi)外常見的做法。

    雖然奧氏體不銹鋼 316L 具有優(yōu)良的耐蝕性，并且已經(jīng)廣泛應(yīng)用在海上平臺(tái)之上。然而近幾年我們注意到，國內(nèi)外已經(jīng)有不少 316 不銹鋼在海洋大氣環(huán)境工況下發(fā)生腐蝕的案例。其失效可能由于不同的工作環(huán)境，不同的工程設(shè)計(jì)，安裝和維護(hù)等因素引起。此外，隨著對(duì)腐蝕機(jī)理研究的深入，也發(fā)現(xiàn)雜散電流，特別是屏蔽不良的電器線路附近，也會(huì)誘發(fā)不銹鋼材質(zhì)的局部腐蝕。

    本文通過對(duì)某平臺(tái)儀表氣管線腐蝕情況的詳細(xì)實(shí)驗(yàn)探究，對(duì)該儀表氣管線腐蝕機(jī)理和腐蝕因素進(jìn)行分析，最后提出合理的改進(jìn)措施和建議，防止后續(xù)再出現(xiàn)類似情況，為以后工程運(yùn)行，設(shè)計(jì)等提供參考。

    二、實(shí)驗(yàn)及儀器：

    下列儀器設(shè)備被用于測(cè)試實(shí)驗(yàn)：

    1， 立 體 顯 微 鏡 （Leica M165C,Leica Application SuitV4.3.0）

    2， 光 學(xué) 顯 微 鏡 （Zeiss AxioCamERc5s,AxioVs40x64V4.9.1.0）

    3，掃描電鏡 （Zeiss Sigma VP,Smart SEM V5.06）/EDS元素能譜分析儀 elemental analysis（Oxford,Aztec 2.2）

    4，化學(xué)精度分析儀器：HFIR,XRF,EXTR

    樣品取自從海洋平臺(tái)上已經(jīng)腐蝕的儀表氣管線。該平臺(tái)為南海新建某平臺(tái)，投產(chǎn)時(shí)間不到一年就發(fā)生管線腐蝕穿孔。切下出現(xiàn)腐蝕處的管段，式樣經(jīng)過V2A H3PO4試劑處理，以在微觀觀察時(shí)能清晰的顯示出晶界和晶相。SEM 分析使用EHT=15KV，光圈倍數(shù)為 30m，在獲取 SEM 照片時(shí)的掃描速度為 9。進(jìn)行微觀形貌分析時(shí)，樣品并未通過溶劑清洗。

    三、實(shí)驗(yàn)結(jié)果討論：

    3.1表面形貌觀察

    圖 2 是腐蝕儀表氣管線的外觀情況，可以看到管線表面的腐蝕坑非常多，成點(diǎn)狀，比較獨(dú)立。

    圖 3 是切開儀表氣管線后，看到管線內(nèi)部的腐蝕情況。

    可以看出管體內(nèi)部僅有的腐蝕坑是從管體外的點(diǎn)蝕坑穿透形成的，而內(nèi)管壁并未發(fā)現(xiàn)其他任何點(diǎn)蝕坑。說明該儀表氣管線不存在內(nèi)腐蝕的情況。這與我們知道的實(shí)際情況基本相符：儀表氣管線中通入的為潔凈的儀表氣，基本不存在腐蝕源。

    3.2斷面形貌觀察

    圖 4 是管線腐蝕坑斷面的形貌，通過觀察可以看到，點(diǎn)蝕坑的發(fā)展從外表面非常迅速的向內(nèi)壁發(fā)展，通過這種發(fā)展形貌可以判斷是典型的點(diǎn)腐蝕。

    不銹鋼的抗腐蝕機(jī)理，主要是不銹鋼表面形成的鈍化層保護(hù)鋼材本體。鈍化層的形成主要是由鋼材中所含 Mo 的含量決定的。Mo 與空氣中的氧氣接觸，形成氧化物建立了鈍化層。其他合金元素，比如Cr，Ni 等，也會(huì)對(duì)金屬的鈍化層建立和防腐起到一定的作用。

    當(dāng)不銹鋼表面存在濃度極高的點(diǎn)蝕源時(shí)，鈍化層被逐漸破壞，暴露的表面來不及形成新的鈍化層，因而造成鋼材直接被腐蝕穿透。這就是典型的點(diǎn)蝕形成機(jī)理，通常表面鈍化層被破壞的原因有很多，包括外部因素，內(nèi)部材料缺陷（材料的機(jī)械性能，砂眼等）及金屬含量不能達(dá)到 ASTM A269標(biāo)準(zhǔn)的要求（ASTM A269 中明確規(guī)定，316L 中 Mo 的成分應(yīng)該大于 2.0w.t.%）。任何一種因素都能導(dǎo)致鈍化層被破壞。而 Cl，S 等腐蝕性元素與不銹鋼中的鐵快速反應(yīng)，更加速了點(diǎn)蝕破壞。管壁被許多較大的點(diǎn)蝕坑穿透，是導(dǎo)致管線失效的重要原因[3] 。

    3.3晶相分析

    通過 V2A 和 H3PO4 處理后，樣品內(nèi)雜質(zhì)基本被洗凈，在光學(xué)顯微鏡下能明顯的看到清晰的晶界。如果腐蝕由金屬內(nèi)部引起，通常會(huì)觀察到異質(zhì)晶相的存在[4] ，然而管線材質(zhì)的晶相良好并未發(fā)現(xiàn)有害晶相，因此可以排除從材料內(nèi)部引起管線失效。

    3.4SEM/EDS元素分布分析

    通過 EDS 元素能譜儀對(duì)樣品表面特定部位的化學(xué)元素分析，可以清楚的了解相關(guān)區(qū)域元素分布情況。分析報(bào)告顯示管線材質(zhì)屬于 3R60 級(jí)別，通過與基準(zhǔn)卡片對(duì)比，該樣品的鋼號(hào)為 542213，是非常優(yōu)異的材質(zhì)。

    表 1 和表 2 可以看到典型的腐蝕產(chǎn)物含有較高的 O，F(xiàn)e，Cl 和 S 等元素。點(diǎn)蝕是一種局部腐蝕，從最初的腐蝕產(chǎn)物引起的損害持續(xù)對(duì)不銹鋼表面氧化膜破壞，從而造成腐蝕穿孔。通常能對(duì)不銹鋼表面氧化膜造成這種腐蝕的環(huán)境因素多為酸性的，富含氧的和高氯離子含量的溶液，尤其是在海水中 [5]。在世界范圍中也有大量的報(bào)道 316L 級(jí)別的不銹鋼在特定的海洋環(huán)境中被腐蝕的案例。

    通過圖7具體的元素含量分析表，可以看到管體表面存在大量的氯元素，外來的氯元素多由海洋環(huán)境的水氣帶入。海洋潮濕的大氣環(huán)境極易在管線上積累富含氯離子的微小液滴，通過圖 1 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際照片，這類管線表面經(jīng)常能發(fā)現(xiàn)有液滴存留。奧氏體不銹鋼對(duì)氯離子非常敏感，尤其是微小液滴中含有氯離子將極其容易破壞不銹鋼表面的氧化膜，而造成穿孔腐蝕。

    四、結(jié)論及建議

    通過對(duì)儀表氣管線的腐蝕情況分析，我們得出結(jié)論：

    1，儀表氣管線的失效是從管線外引起的；

    2，儀表氣管線的內(nèi)部不存在腐蝕情況；

    3，通過對(duì)管線外壁的元素分析，海洋大氣環(huán)境中存在的較多氯、硫等元素將增加儀表氣管線失效的風(fēng)險(xiǎn)；

    4，腐蝕引發(fā)的主要因素是海洋大氣環(huán)境中較高的游離氯離子，附著在不銹鋼表面，形成局部高濃度的微小液滴，導(dǎo)致不銹鋼從外部點(diǎn)蝕，最終造成管線失效。

    為避免腐蝕，對(duì)儀表氣管線管線表面應(yīng)做好保護(hù)措施，避免出現(xiàn)機(jī)械損傷；保持管線表面潔凈，避免積存水汽，在平臺(tái)的日常操維手冊(cè)中應(yīng)增加儀表管清潔要求；必要時(shí)候采用更高材質(zhì)等級(jí)的管線替代腐蝕管線。如康菲石油公司部分平臺(tái)已用 317L 管線取代316L管線，近幾年印尼、泰國等國際石油公司也采用 6Mo作為儀表管的材料。我國石油公司能否借鑒國外公司的經(jīng)驗(yàn)還需設(shè)計(jì)方和平臺(tái)操作方進(jìn)行后續(xù)相關(guān)的工程驗(yàn)證。

    ●  人物簡介

    劉有利，碩士，海洋石油工程股份有限公司防腐工程師。作為一名在材料選擇與腐蝕控制方面有著10 年以上工作經(jīng)驗(yàn)的工程師，在海洋工程設(shè)計(jì)方面有著豐富的經(jīng)驗(yàn)，熟悉海洋工程設(shè)計(jì)各個(gè)階段流程并能對(duì)其中涉及材料選擇與腐蝕控制方面制定詳細(xì)的方案，并給出建議與指導(dǎo)。2007 起擔(dān)任過東海、渤海、南海等幾十個(gè)組塊、導(dǎo)管架以及深水項(xiàng)目的專業(yè)負(fù)責(zé)人，對(duì)海洋平臺(tái)的防腐設(shè)計(jì)有深刻的了解。