西部某气田井场分离器液相管线法兰腐蚀原因分析.pdf
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1、 装 备 环 境 工 程 第 21 卷 第 2 期 112 EQUIPMENT ENVIRONMENTAL ENGINEERING 2024 年 2 月 收稿日期:2023-10-16;修订日期:2023-11-15 Received:2023-10-16;Revised:2023-11-15 基金项目:国家重点研发计划项目(2017YFC0805804)Fund:National Key Research and Development Program of China(2017YFC0805804)引文格式:陈庆国,常泽亮,吴超,等.西部某气田井场分离器液相管线法兰腐蚀原因分析J.装备环境
2、工程,2024,21(2):112-118.CHEN Qingguo,CHANG Zeliang,WU Chao,et al.Corrosion Causes of Liquid Phase Pipeline Flanges for Separators of A Gas Field in the West of ChinaJ.Equipment Environmental Engineering,2024,21(2):112-118.*通信作者(Corresponding author)西部某气田井场分离器液相管线 法兰腐蚀原因分析 陈庆国1,常泽亮1,吴超1,王帅2,3*,丰劲松1,岳良武
3、1(1.中国石油天然气股份有限公司塔里木油田分公司,新疆 库尔勒 841000;2.中国石油集团工程 材料研究院有限公司 石油管材及装备材料服役行为与结构安全国家重点实验室,西安 710077;3.长江大学 化学与环境工程学院,湖北 荆州 434023)摘要:目的目的 解决西部某气田井场分离器液相出口管线法兰严重腐蚀问题。方法方法 通过宏观形貌观察、无损检测、化学成分分析、金相组织分析、力学性能测试、腐蚀区域微观形貌观察、腐蚀产物物相分析以及腐蚀电化学实验的方法,分析该法兰发生腐蚀的原因。结果结果 A105 制法兰与 316L 制密封圈存在较强的电偶腐蚀倾向。结论结论 电偶腐蚀是导致法兰面严重
4、腐蚀的主要原因,另外,液相管线停用前放空不彻底,法兰底部存在积液,导致气液界面位置叠加发生水线腐蚀。根据法兰腐蚀原因提出了针对性的防腐建议。关键词:气田;分离器;法兰;电偶腐蚀;电流密度;电化学 中图分类号:TG172;TE988.2 文献标志码:A 文章编号:1672-9242(2024)02-0112-07 DOI:10.7643/issn.1672-9242.2024.02.015 Corrosion Causes of Liquid Phase Pipeline Flanges for Separators of a Gas Field in the West of China CHE
5、N Qingguo1,CHANG Zeliang1,WU Chao1,WANG Shuai2,3,FENG Jinsong1,YUE Liangwu1(1.Tarim Oilfield Company,Petrochina,Xinjiang Korla 841000,China;2.State Key Laboratory of Performance and Structural Safety for Petroleum Tubular Goods and Equipment Materials,Tubular Goods Research Institute,CNPC,Shaanxi Xi
6、an 710077,China;3.College of Chemistry&Environmental Engineering,Yangtze University,Hubei Jingzhou 434023,China)ABSTRACT:The work aims to solve the severe corrosion on the liquid phase outlet pipeline flange for a separator of a gas field in the western region.An analysis was conducted to ascertain
7、the causes of the flange corrosion.This analysis involved macroscopic morphology observation,non-destructive testing,chemical composition analysis,metallographic structure analysis,mechanical performance testing,microscopic morphology observation of the corrosion area,phase analysis of corrosion pro
8、d-ucts,and corrosion electrochemical experiments.The findings suggested that the A105 flange and the 316L sealing ring materi-als were highly susceptible to galvanic corrosion.In conclusion,galvanic corrosion is the primary contributor to the severe cor-rosion observed on the flange surface.Moreover
9、,inadequate venting of the liquid phase pipeline prior to shutdown also leads to 重大工程装备 第 21 卷 第 2 期 陈庆国,等:西部某气田井场分离器液相管线法兰腐蚀原因分析 113 liquid accumulation at the flange base,resulting in compounded waterline corrosion at the gas-liquid interface.Based on the identified causes of flange corrosion,spec
10、ific anti-corrosion recommendations are proposed.KEY WORDS:gas field;separator;flange;galvanic corrosion;current density;electrochemistry 法兰是油气田地面系统中一种常用的连接件,通常用于管道、阀门和其他设备的连接,与生产运行息息相关1,尤其是对于输送介质的管道系统以及供水管线等,法兰连接的完整性至关重要2。法兰由 2 个平面或凸起的环形部件组成,通过螺栓、螺母或其他紧固件连接在一起。法兰复杂的连接结构导致防腐蚀措施开展困难3,法兰面的缝隙腐蚀以及不同金属相互
11、接触产生的电偶腐蚀是法兰腐蚀的主要原因4,法兰的原有性能会随着腐蚀的破坏而逐渐丧失5-6。国际上管法兰标准主要有 2 个体系,一个是以美国 ASME 为代表的美洲体系(即 Class 系列),主要标准为 ASME B16.5 和 B16.47(大直径法兰),另一个是以欧盟 EN 为代表的欧洲管法兰标准体系(即 PN系列),主要标准为 EN1092-1、EN 1759(参照美洲体系制定)。我国现行的钢制管法兰标准,主要有GB/T 91129124、HG/T 20592、JB/T 75、JB/T 79、JB/T 8190 和 SH/T 3401 等7-9。无论是国外标准还是国内标准,主要都是对法兰
12、的结构参数及力学性能做出了相关要求,对法兰材质耐蚀性的要求相对较少。法兰作为油气田地面管道及设备连接的关键环节,一旦发生腐蚀泄漏,将会造成严重的后果。因此,分析掌握法兰腐蚀泄漏的原因,能够为避免此类事故再次发生,保障油田安全生产提供参考案例和决策依据。1 失效概况 2022 年 5 月,某气田 A 井井场计量分离器在检 修过程中发现其液相出口管线法兰面存在严重腐蚀。该计量分离器于 2019 年 7 月投产,2021 年 12 月因关井停用,关井后,通过二级节流后端手动放空阀对井场管线及计量分离器进行泄压,分离器内液相未排出。2022 年 4 月,拆除分离器液相短接管线,通过齿轮泵将分离器内液体
13、抽入罐车。该法兰类型为对焊法兰,规格为 DN50,材质为A105,密封圈材质为 316L,运行压力为 15 MPa,运行温度为 50,执行标准为 ASME B16.52017 管法兰和法兰管件。该井天然气分析报告见表 1。由表 1 可知,该单井管线所输送介质 CO2的物质的量分数为 0.274%,不含 H2S。另外,该井地层水中 Cl的质量浓度为 42 200 mg/L,总矿化度为 69 420 mg/L。0000001xyKRKSK。2 分析与结果 2.1 宏观分析 为分析法兰腐蚀特征,对法兰面及法兰沿轴向剖开后的形貌进行观察,宏观照片如图 1 所示。从图 1可见,法兰面下部 4 点8 点钟
14、方向可见明显腐蚀(见图 1a),腐蚀坑最大深度为 23 mm。其中,4 点、8点钟方向(气水界面位置)腐蚀最严重,越靠近密封面部位,腐蚀越严重(见图 1b)。法兰上半段未见明显腐蚀(见图 1c)。表 1 A 井天然气组分 Tab.1 Natural gas components of well A 组分 甲烷 乙烷 丙烷 异丁烷 正丁烷 异戊烷 正戊烷 物质的量分数/%88.62 5.388 1.188 0.239 0.238 0.095 0.031 组分 己烷 庚烷 辛烷及以上组分 氮气 氧气 二氧化碳 硫化氢 物质的量分数/%0.003 0.001 0 0 0 0.274 0 图 1 法兰
15、腐蚀形貌 Fig.1 Corrosion profile of flange:a)flange face;b)lower flange;c)top of flange 114 装 备 环 境 工 程 2024 年 2 月 2.2 理化性能 2.2.1 化学成分 依据 GB/T 43362016,采用 ARL4460 直读光谱仪对法兰进行化学成分分析,结果见表 2。从表 2可知,法兰化学成分满足ASME B16.52017的要求。2.2.2 金相组织 依据 GB/T 132982015金属显微组织检验方 法、GB/T 63942002金属平均晶粒度测定方法和 GB/T 105612005钢中非金
16、属夹杂物含量的测定方法,采用 OLS4100 激光共聚焦显微镜对 1#、2#法兰的显微组织、晶粒度和非金属夹杂物等进行检测分析,结果如图 2 所示。可以看出,法兰金相组织为 F+P(铁素体+珠光体),非金属夹杂物为 A:0.5、0,B:0.5、0,C:0、0,D:0.5、0 级,晶粒度 6.0 级。表 2 法兰化学成分(质量分数,%)Tab.2 Chemical composition of flange(mass fraction,%)项目 C Si Mn P S Cr Mo Ni Nb V B 测量结果 0.2 0.21 0.9 0.017 0.004 20.0260.000 90.015
17、0.000 8 0.002 20.001标准要求 0.35 0.100.350.601.05 0.0350.040.300.120.40/0.080.40 图 2 法兰金相组织 Fig.2 Metallographic organization of flange 2.2.3 硬度试验 依据 GB/T 231.12018金属材料 布氏硬度试验 第 1 部分:试验方法,采用 BH3000 布氏硬度计对法兰进行布氏硬度(HBW5)测试,硬度测试位置如图 3 所示,测量结果见表 3。从表 3 可见,法兰的硬度符合 ASME B16.52017 的要求。表 3 布氏硬度测试结果(HBW)Tab.3 B
18、rinell scale results(HBW)试验位置 位置 1 位置 3 位置 3横向 142 141 140 纵向 154 143 143 ASME B16.52017 要求 187 HBW 图 3 硬度测试位置 Fig.3 Schematic diagram of hardness test location 2.3 腐蚀产物分析 2.3.1 微观形貌及能谱分析 从法兰取腐蚀坑处检测试样,利用扫描电子显微镜(SEM)及能谱分析仪(EDS)对腐蚀形貌及腐蚀产物成分进行分析。图 4 为腐蚀坑不同位置的 SEM照片。在低倍镜下观察,腐蚀坑的宏观形貌如图 4a所示。在高倍镜下观察发现,在腐蚀
19、坑底部(区域 A)、腐蚀坑壁(区域 B)和腐蚀坑外(区域 C)均可见较多球状结晶物。进一步利用 EDS 对它们进行成分分析(见表 4)发现,产物成分主要含 Fe、O、C 元素,局部存在少量 Ca、Si 等元素。2.3.2 XRD 物相分析 从发生腐蚀的法兰面下部刮取附着物,利用XRD 分析其物相组成,检测结果如图 5 所示。从图 5可见,法兰密封面附着物的物相组成主要为 FeCO3、Fe2O3及 SiO2。由此可知,法兰面附着物化学成分主要为二氧化碳、氧的腐蚀产物及管道沉积附着物。2.4 电化学实验 依据 T/CSCP 0035.122017 低合金结构钢腐蚀试验,采用电化学工作站,对法兰及密
20、封圈进行电化学试验,以获取法兰与密封圈的开路电位差及电偶腐蚀电流。试验介质参照该井水样化验结果,温度取法兰处运行温度 50,结果如图 6 和 7 所示。由图 6 可知,法兰与 316L 在该井地层水环境下的开路电位差为 559 mV。根据相关标准规定,当电偶电位差不超过 50 mV 时,不发生电偶腐蚀。由此可知,法兰与 316L 密封圈存在电偶腐蚀倾向。由图7 可知,法兰-密封圈电偶腐蚀电流随时间的变化趋势几乎相同,取趋于稳定值进行电偶腐蚀倾向评定。地层水环境下,法兰-密封圈的电偶腐蚀电流密度为40.1 A/cm2。根据电偶腐蚀电流判断标准(见表 5)可知,法兰-密封圈在地层水环境下的电偶腐蚀
21、等级 第 21 卷 第 2 期 陈庆国,等:西部某气田井场分离器液相管线法兰腐蚀原因分析 115 图 4 2#腐蚀坑不同位置的 SEM 照片 Fig.4 SEM photographs of different locations of 2#corrosion pit:a)low macro;b)corrosion pit bottom-area A;c)corrosion pit wall-area B;d)corrosion pit outside-area C 表 4 腐蚀坑 EDS 图谱分析结果(质量分数,%)Tab.4 EDS spectrum analysis results of
22、 corrosion pit (mass fraction,%)元素 区域 A 区域 B 区域 C 碳(C)13.11/11.36 氧(O)10.08 2.79 37.78 铁(Fe)75.60 97.21 50.87 图 5 法兰腐蚀部位附着物的 XRD 分析结果 Fig.5 XRD analysis results of flange corrosion attachment 图 6 法兰与密封圈在采出水介质中的开路电位 Fig.6 Open circuit potential of flange-seal ring in produced water medium 图 7 法兰-密封圈在
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