周 雄,齊亞猛

(寶山鋼鐵股份有限公司 1.鋼管條鋼事業(yè)部,上海 201900; 2.中央研究院,上海 201999)

1 概述

某油田電泵井油管采用φ73.02 mm×5.51 mm規(guī)格J55鋼級(jí)不加厚油管,油管服役2個(gè)月后發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)不正常,液量由正常的100 m3/d下降至60 m3/d。作業(yè)隊(duì)取出油管發(fā)現(xiàn)第55～62根油管外螺紋發(fā)生腐蝕、刺漏(見圖1)。為找到油管螺紋腐蝕刺漏的原因,展開了分析。

圖1 J55油管外螺紋腐蝕照片

2 取樣及分析方案

為進(jìn)行全面詳細(xì)分析,取含腐蝕螺紋的兩段600 mm管段(見圖2)。管段1進(jìn)行理化性能分析,管段2進(jìn)行螺紋絲扣失效處內(nèi)外壁腐蝕產(chǎn)物微生物分析。

圖2 用于失效分析的管段照片

3 分析結(jié)果

3.1 理化性能

失效管的化學(xué)成分及API 5CT中對(duì)J55成分要求列于表1,分析結(jié)果表明,該管子的化學(xué)成分滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。同時(shí),管子S含量為0.003%、P含量為0.009%,有害元素的含量遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)要求。圖3為失效管金相組織,組織為鐵素體和珠光體,未見組織異常。

圖3 金相組織

表1 失效油管化學(xué)成分

3.2 腐蝕產(chǎn)物分析

采用X射線衍射(XRD)方法對(duì)油管內(nèi)壁腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行分析,結(jié)果見圖4。由圖4可知,油管內(nèi)壁腐蝕產(chǎn)物主要成分為FeCO3,說明井工況中含有CO2腐蝕氣體。

圖4 失效管內(nèi)壁腐蝕產(chǎn)物XRD結(jié)果

3.3 微生物分析

將螺紋失效處內(nèi)外壁腐蝕產(chǎn)物加入到細(xì)菌培養(yǎng)瓶中,培養(yǎng)7天,然后抽去上層清液再注入新培養(yǎng)瓶中,培養(yǎng)結(jié)果見圖5。由培養(yǎng)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),螺紋失效處內(nèi)外壁腐蝕產(chǎn)物中均含有硫酸鹽還原菌(SRB),同時(shí)還有腐生菌(TGB)和鐵細(xì)菌(FEB)。

圖5 螺紋失效部位內(nèi)、外壁腐蝕產(chǎn)物微生物分析

3.4 宏觀形貌

J55油管主要失效為外螺紋局部腐蝕和刺漏。宏觀照片看局部腐蝕和穿孔發(fā)生在螺紋起始位置及向管體方向延伸,螺紋起始位置最外延已經(jīng)穿孔腐蝕掉,向內(nèi)還有3個(gè)局部腐蝕坑,最里面腐蝕坑較淺,見圖6(b);此外,局部腐蝕坑多呈圓或橢圓形狀,相鄰腐蝕坑之間有明顯腐蝕減薄痕跡,見圖6(b)黃色標(biāo)記處;另外,在螺紋起始位置發(fā)現(xiàn)了局部腐蝕坑(圖6(c)),深度較深,服役時(shí)間延長(zhǎng)可能會(huì)腐蝕穿孔。

圖6 螺紋失效部位宏觀照片

采用鋸床干切方法將失效管段管體部分剖開,管體內(nèi)壁覆蓋有較厚的暗棕色腐蝕產(chǎn)物,肉眼觀察無明顯局部腐蝕。用清洗劑將管段2的一段腐蝕產(chǎn)物清洗掉,發(fā)現(xiàn)管體內(nèi)壁呈現(xiàn)典型的CO2局部腐蝕形貌(XRD結(jié)果已證實(shí)),局部腐蝕深度淺且遍布整個(gè)鋼管內(nèi)壁,該類局部腐蝕及減薄主要是CO2腐蝕所致。

將穿孔失效部位沿著紅色虛線切開,觀察螺紋處和內(nèi)壁局部腐蝕情況。由圖7可見,內(nèi)壁局部腐蝕相對(duì)較淺,而螺紋處局部腐蝕坑深度較深但未穿孔,螺紋起始位置已經(jīng)穿孔。由以上結(jié)果可判斷,螺紋絲扣處局部腐蝕坑(見圖6(a))和內(nèi)壁局部腐蝕(見圖8)不是一類局部腐蝕。

圖7 螺紋失效部位縱截面形貌

圖8 失效管管段剖面宏觀形貌

4 分析與討論

由理化性能結(jié)果可知,J55油管化學(xué)成分和金相組織均正常,并符合API5CT標(biāo)準(zhǔn)要求。

據(jù)油田用戶反饋信息,電泵井管柱僅第55～62根油管絲扣處發(fā)生腐蝕穿孔失效,其他油管絲扣及整個(gè)管體部分均未發(fā)生刺漏及腐蝕穿孔現(xiàn)象。通過 XRD分析結(jié)果可知,油管遭受了CO2腐蝕,但局部腐蝕較淺,不會(huì)引發(fā)穿孔刺漏,與實(shí)際情況相符合。宏觀形貌分析結(jié)論表明,管體內(nèi)壁局部腐蝕與螺紋局部腐蝕明顯不同。如果螺紋穿孔刺穿是CO2腐蝕所引起,那么管體以及第55～62根外的其他螺紋處也會(huì)發(fā)生穿孔刺漏,因此,螺紋處穿孔刺穿并非CO2腐蝕所致。

由微生物分析可知,螺紋失效部位及內(nèi)壁腐蝕產(chǎn)物中均含有SRB、TGB和FEB等細(xì)菌。微生物在適宜溫度下附著在鋼表面形成生物膜后會(huì)不斷生長(zhǎng)、繁殖及代謝過程中會(huì)引起微生物腐蝕,最明顯的特征是嚴(yán)重局部腐蝕[1]。微生物膜是目前公認(rèn)的導(dǎo)致發(fā)生微生物腐蝕的主要因素之一[2-4],即微生物附著于材料表面并形成生物膜,是材料腐蝕過程中的重要步驟。微生物膜內(nèi)的細(xì)菌,可通過直接電子轉(zhuǎn)移(細(xì)胞膜上的電子轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白)或間接電子轉(zhuǎn)移(自身分泌的生物小分子電子轉(zhuǎn)移載體)從金屬獲得電子,起到“陰極去極化”作用,促進(jìn)局部腐蝕[5-6]。此外,微生物在金屬表面形成內(nèi)部環(huán)境相對(duì)穩(wěn)定的垢殼,這種穩(wěn)定的微生物菌落為相對(duì)固定的陽極,金屬為陰極,在“小陽極—大陰極”作用下促進(jìn)局部腐蝕[5]。因此,微生物(SRB、TGB等)能夠?qū)е陆饘賴?yán)重的局部腐蝕。據(jù)文獻(xiàn)可知,SRB最適宜的溫度為25～45 ℃[7],與第55～62根油管所處溫度相符合。螺紋部位或螺紋起始與管體之間部位易于形成“防干擾區(qū)”,更易于微生物的附著形成微生物膜,在微生物腐蝕作用下,螺紋起始部位腐蝕穿孔掉,在腐蝕作用下微生物可不斷向螺紋內(nèi)部遷移進(jìn)而產(chǎn)生更多的局部腐蝕坑(圖6)。因此,電泵井管柱僅第55～62根油管絲扣處發(fā)生腐蝕穿孔主要是微生物腐蝕所導(dǎo)致。

5 結(jié)論

(1)電泵井J55油管化學(xué)成分、金相組織均正常;管體內(nèi)壁腐蝕產(chǎn)物主要為FeCO3,結(jié)合腐蝕形貌和腐蝕產(chǎn)物XRD分析,內(nèi)壁局部腐蝕及減薄是CO2腐蝕所導(dǎo)致,然而螺紋絲扣處局部腐蝕并非CO2腐蝕原因。

(2)失效管螺紋絲扣失效處內(nèi)外壁腐蝕產(chǎn)物均含有硫酸鹽還原菌(SRB)、腐生菌(TGB)和鐵細(xì)菌(FEB)。結(jié)合腐蝕形貌、工況信息和微生物分析結(jié)果,螺紋絲扣腐蝕穿孔主要為SRB、TGB和FEB微生物腐蝕所致。

(3)J55鋼級(jí)不適用于該電泵井工況,根據(jù)上述失效原因分析結(jié)果應(yīng)采用耐CO2腐蝕和微生物腐蝕的油管產(chǎn)品。