金属管道的腐蚀失效分析

吴祉睿*

（湖北大学，湖北 武汉 430062）

近年来，地下金属管道完成铺设后，为稳定地层压，常采用酸化工艺，导致管材对环境介质的要求更为苛刻，这是金属管出现失效的主要原因之一，常常造成巨大的经济损失和安全隐患[1，2]。本文主要研究了金属管道被腐蚀断裂失效原因，探讨此类金属管的失效规律，为预防和解决此类事故提供有效的理论支持。

1 分析方法

对失效母材和腐蚀产物进行分析，具体采用以下试验方法进行：

（1）对失效样件进行宏观形貌观察，测量几何尺寸。

（2）按照GB/T 16597-1996标准，使用荧光光谱仪对其材质进行化学分析。

（3）采用砂纸打磨和剖光再用酒精进行清理，观察其微观组织。依据API spec 5CT-2005标准，采用显微硬度计对金相样品进行硬度测定。

（4）对失效金属管腐蚀严重的部分取样，采用zeiss auriga 39-87 Gemini扫描电镜观察腐蚀产物形貌，配合eDS能谱对腐蚀产物进行成分分析。

2 理化分析及结果

2.1 宏观分析

样本规格为φ20mm，钢级为HL级，材质为35CrMoA，如图1所示，金属管外表面外圆部分已经看不到整个圆弧状的边缘形貌，式样磨平除去锈层后存在圆弧状和近似椭圆状腐蚀坑。金属管表面整体已经被腐蚀至凹凸不平、表面最大深度达3.13mm，表面局部覆盖棕黄色疏松锈层。管道连接部位腐蚀程度严重，间接表明其介质的强腐蚀性。

图1 金属管被腐蚀的宏观形貌图

2.2 化学成分分析

取被腐蚀失效金属管进行化学成分分析，按照ASTMA751-2008进行化学成分分析，由表1可见。金属管道连接部位的化学成分符合API SPeC 5CT-20011标准技术要求。研究样品的硬度为272.2~299.1 Hv，接箍处硬度为206~118 Hv。

表1 失效样件化学成分分析结果

2.3 金相观察

金属管断裂显微组织图像如图3所示，金相组织为回火索氏体，无明显夹杂，并未出现金相组织的异常，因此可以确定失效金属管发生严重腐蚀行为与材料本身无关，应是服役环境中含有严重的腐蚀介质。

图2 金属管断裂的局部微观形貌

图3 金属管的断裂金相观察

2.4 腐蚀产物分析

取表面腐蚀产物进行分析；部分区域出现黄色产物，黄色产物下部暴露较为光亮的金属基体，表明黄色产物对基体存在一定的保护性。

选取图4中所示扫描电镜形貌观察图。

图4 金属管腐蚀部分的扫描电镜分析区域

3 腐蚀失效原因分析

综合以上分析，被腐蚀金属管材质化学成分符合技术协议要求，其主要金相结构为回火索氏体，不存在组织转变，材料性能变化造成失效。

金属管长期处在酸性溶液和氧环境中会发生严重的腐蚀破坏。其表面残存的大量Cl、Na残留物质。随着腐蚀不断的进行，金属管减薄，最后出现断脱失效开裂。

3.1 酸压腐蚀

金属管出现严重的腐蚀失效，由图所示的宏观腐蚀形貌观察，金属管长期处于强酸环境条件下。结合金属管在服役状态和各项检测分析结果，酸化返排液（乏酸）对金属管造成了严重的腐蚀。典型配方为：20%HCl+2.0%HS-6高温缓蚀剂+2.5%JN-2胶凝剂+1%LH-5铁离子稳定剂+1%FB-1助排剂+1%PR-7破乳剂+0.5%JM-4粘土稳定剂。

其具体操作是用高压泵将酸液注入地层，酸液与地层中的矿物、胶结物起化学反应，从而扩大地层中的裂缝和孔隙，提高地层渗透能力，起到增产作用[4]；酸化工艺通常采用的是高浓度的盐酸或土酸（盐酸+氢氟酸）。酸化处理后的返排液（乏酸）通过管道及地面处理系统排出。返排液中往往含有一定浓度的残酸，同时还含有亚铁离子、各种阴阳离子及残留缓蚀剂等多种化学成分。

盐酸是强酸，在没有加入适合的缓蚀剂时，会对金属管产生强烈的腐蚀作用。因此，在进行酸化作业时，酸化液中要加入适合的酸化缓蚀剂。但如果酸化液中的缓蚀剂加量不足或缓蚀剂一旦失效时，会使酸化液的腐蚀性很强；另外，如果施工时酸液作用地层的时间不充分，反应不完全，以及能与酸液反应的地层矿物组份含量较低，都会使乏酸的浓度偏高；再有，如果施工过程中的顶替量不够，部分酸液残存于金属管内，因其未与地层矿物反应，H+没有得到正常消耗，乏酸浓度也会很高；所以如果发生了上述的几种情况，都会使金属被严重腐蚀。

酸对金属管的腐蚀是通过酸液中电离的氢离子，腐蚀导致铁在金属表面的阳极被氧化并溶解，同时氢离子在阴极被还原并生成氢气。

阳极反应：Fe→Fe2++2e

阴极反应：2H++2e→H2↑

出现腐蚀主要有以下表征：

（1）乏酸液的pH值。环境的pH值是控制腐蚀速度的一项重要的外部因素。资料表明，管道所处的环境pH值不大于5.5时，金属管被腐蚀速度通常很大；当pH值大于6.6时，腐蚀速度则很小。

（2）乏酸中的缓蚀剂性能。酸化施工过程中添加酸化缓蚀剂，通过其在金属管表面的吸附、成膜，阻断酸对钢铁的腐蚀，从而降低酸液对施工设施和金属管的腐蚀。随着酸化作业的完成，酸液与地层中岩石反应，酸液中缓蚀剂在地层表面吸附，有效浓度有所降低，返排的乏酸液与泵体、套管接触，易发生点蚀，造成局部腐蚀，严重时使套管破裂或脱落，所以乏酸中缓蚀剂是否还具有缓蚀效果至关重要；

（3）温度。通常腐蚀速率是随温度升高而增大。温度升高，扩散速度增大，同时电解液电阻下降，所以使腐蚀电池的反应加快，同时高温环境下，有一些有机缓蚀剂在酸环境中，会随时间的延长而降解，很难提供长时间的保护。

3.2 溶解氧腐蚀

地层液体中矿化度平均230000mg/L，氯离子浓度平均为140000mg/L，CO2含量约2.3%，H2S含量约为6000mg/L，使得注气过程中氧气进入地层液，形成高“CL--O-CO2-H2S”体系介质环境。地层液体中溶解氧含量为1.07mg/L，酸压和注气等增产工艺和生产过程中均含有盐水和氧，氧进一步会在水中溶解，发生电化学腐蚀，氧作为阴极发生极化反应，极易和阴极附近的氢离子结合，消耗掉阴极周围的电子进而加速电化学反应速率，通常随着温度的升高反应速率升高，当溶解氧浓度＜1mg/L时，反应机理如下：

阳极反应：

阴极反应：

注气过程中气体流速高（＞30MPa），地下下温度高（25-150℃），金属管道表面产生的腐蚀产物脱落，导致管道金属基体暴露在苛刻的介质环境中，使得金属管道腐蚀程度高于集输管道，此外由于高流速流体导致溶解氧含量上升，可达到1000mg/L。在冲刷和氧电化学腐蚀二者的作用下，导致腐蚀程度严重。

4 结语

（1）腐蚀管道的组织、化学成分均符合35CrMo材料的性能标准。

（2）地下金属管道所处环境为高“CL--O-CO2-H2S”体系介质环境，腐蚀产物主要成分为Fe、O、Na、Cl等元素，相比较单一腐蚀工况，本次研究的金属管道所处工况更加复杂苛刻，管道连接部位腐蚀脱断的主控因素为酸压导致pH过低和溶解氧电化学腐蚀。