蔡 銳, 喬德康, 郗文博, 張輪亭, 李 尤, 陳 浩

(1.中國石油集團(tuán)工程材料研究院有限公司 石油管材及裝備材料服役行為與結(jié)構(gòu)安全國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 西安 710077；2.中海油能源發(fā)展股份有限公司 工程技術(shù)分公司, 天津 300452)

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(jìn)行加熱,可以提高油氣井產(chǎn)出物的流動(dòng)性，使油氣集輸系統(tǒng)正常運(yùn)行，是高密度、高含蠟、高凝固點(diǎn)、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(huì)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(jì)壓力為0.4 MPa，工作壓力為0.1 MPa，加熱爐盤管的設(shè)計(jì)壓力為14.0 MPa，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(jìn)口溫度為30 ℃，出口溫度為70 ℃，副盤管的進(jìn)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(yàn)、掃描電鏡及腐蝕產(chǎn)物分析等方法對(duì)其腐蝕原因進(jìn)行了分析，并提出了相應(yīng)的防護(hù)措施。

圖1 腐蝕盤管的宏觀形貌

1 理化檢驗(yàn)

1.1 宏觀觀察

對(duì)該盤管的腐蝕部位進(jìn)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。

圖2 盤管腐蝕部位的宏觀形貌

1.2 金相檢驗(yàn)

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(yàn)方法》，GB/T 6394—2017《金屬平均晶粒度測定方法》對(duì)其進(jìn)行金相檢驗(yàn)，結(jié)果如圖3所示。由圖3可知，盤管的晶粒度等級(jí)為8.5級(jí)，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。

圖3 腐蝕盤管的微觀形貌

1.3 化學(xué)成分分析

依據(jù)GB/T 4336—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ARL 4460型直讀光譜儀對(duì)該盤管進(jìn)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/T 24591—2019《高壓給水加熱器用無縫鋼管》的要求。

表1 腐蝕盤管的化學(xué)成分分析結(jié)果 %

1.4 掃描電鏡分析

采用掃描電鏡(SEM)對(duì)該盤管外表面的腐蝕產(chǎn)物進(jìn)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。

圖4 盤管外表面腐蝕產(chǎn)物的SEM形貌

1.5 腐蝕產(chǎn)物分析

采用能譜儀(EDS)對(duì)該盤管外表面的腐蝕產(chǎn)物進(jìn)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。

表2 腐蝕產(chǎn)物的能譜分析結(jié)果 %

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(duì)粉末進(jìn)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。

圖5 腐蝕產(chǎn)物的XRD分析結(jié)果

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(diǎn)，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(yàn)結(jié)果表明，盤管以外壁腐蝕為主，內(nèi)壁腐蝕程度相對(duì)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(yàn)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(shí)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(hù)作用，所以氧腐蝕一般都可以無障礙地持續(xù)進(jìn)行，對(duì)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(dá)到70～80 ℃。當(dāng)爐膛水溫度升高時(shí)，氧原子向金屬表面的擴(kuò)散速率增大，導(dǎo)致腐蝕速率增大。同時(shí)，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(huì)破壞腐蝕產(chǎn)物膜的完整性，從而進(jìn)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。

表3 現(xiàn)場水質(zhì)分析結(jié)果 mg/L

此外，氧化鐵垢的形成還會(huì)進(jìn)一步促進(jìn)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(huì)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(shí)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?qū)ΡP管外表面進(jìn)行滲鋁等措施進(jìn)行防護(hù)處理。