N80钢防砂管腐蚀穿孔原因分析

丛 深,邝献任,宋成立,蔡 克,王 磊

(中国石油集团石油管工程技术研究院,西安710077)

摘 要: 为了分析西部某油田N80钢防砂管表面腐蚀穿孔及断裂的原因,对防砂管进行了宏观检查、壁厚测量、磁粉探伤、理化检验及扫描电镜(SEM)观察等综合分析。结果表明,该防砂管腐蚀穿孔的主要原因是基管(碳钢)和护管(不锈钢)浸泡在同一电解质(井下采出液)中,由于碳钢与不锈钢之间存在电位差,导致相互之间发生电偶腐蚀,使得电位较低的基管(碳钢)首先发生腐蚀,最终腐蚀穿孔而断裂。

关键词: N80钢;防砂管;电偶腐蚀;穿孔

目前,国内许多大型油田都已进入高含水期,油井出砂现象严重。油层出砂不仅会造成油井减产,油管堵塞,还严重磨蚀地面及井下设备,引起套管变形等问题,最终导致产量下降,成本上升。因此防砂管的应用在此类油气田生产中较为广泛,但由于其服役环境苛刻,井下介质复杂多样以及钢管焊接过程中的瑕疵等问题,常出现穿孔断裂等失效事故,影响油气田正常的生产运行。

西部某油田L井作业时,发现该井防砂管在基管与外护管连接的焊缝靠基管侧腐蚀严重,并在表面发现有2处穿孔。井下介质主要是油气水混合液,氯化钙水型。防砂管材质为N80钢与碳钢,制造标准依据API SPEC 5CT《套管与油管规范》 [1] 。本研究通过对防砂管的宏观形貌、理化性能和微观形貌进行分析,明确防砂管腐蚀穿孔的主要原因,旨在避免此类防砂管再次异常腐蚀穿孔,为油田正常生产运营提供保障。

1 理化检验与分析

1.1 宏观形貌

送检的2根失效N80钢级防砂管编号为1 # 、2 # ,在油田服役时间近5年,其宏观形貌如图1和图2所示。2根防砂管长度约1.5 m,分别由基管(碳钢)和护管(不锈钢)焊接相连,基管外径为89 mm,2根防砂管外表面呈暗黑色,管体区域无明显点蚀痕迹,且整个管段内未见明显塑性变形。在2根防砂管的焊缝(基管与护管连接处)靠基管侧可见明显腐蚀。其中1 # 防砂管在焊缝靠基管侧有1个直径约为60 mm的孔洞,孔洞一侧以护管和基管焊缝为边缘,向基管管体延伸腐蚀,且基管内外壁均有壁厚减薄现象(如图1所示),经观察发现腐蚀孔洞是由内、外表面同时腐蚀造成的。2 # 防砂管在整个焊缝圆周方向靠基管侧全部被腐蚀,分成两节(如图2所示)。此外,防砂管护管外表面呈金属光泽,未见明显腐蚀痕迹,且护管表面的防砂孔完好,无明显损伤痕迹,防砂管护管宏观形貌如图3所示。

图1 1 # 防砂管焊缝处腐蚀穿孔形貌

图2 2 # 防砂筛管基管断裂宏观形貌

图3 防砂管护管宏观形貌

1.2 化学成分分析

从送检防砂管取样,依据ASTM A751-14a《钢产品化学分析的试验方法、规程和术语》,采用ARL 4460直读光谱仪对基管与护管表面化学成分进行分析,检测结果见表1。由表1可知,基管表面化学成分符合API SPEC 5CT对N80钢管的要求。

表1 送检N80管样化学成分检测结果

1.3 力学性能分析

在基管上取纵向板状试样,规格为19.1 mm(宽度)×50 mm(标距), 依据 ASTM A370-17《钢铁产品机械试验的标准试验方法及定义》,采用UTM 5305万能试验机检测管样的室温拉伸性能,检测结果见表2。由表2可知,防砂管基管材质的抗拉强度、屈服强度及伸长率均符合API SPEC 5CT对N80钢管的要求。

在防砂管基管管体上取纵向试样,规格均为5 mm×10 mm×55 mm,采用PIT302D进行夏比冲击试验,检测结果见表3。由表3可知,防砂管基管材质的冲击性能符合API SPEC 5CT对N80钢管的要求。

表2 送检管样的室温拉伸性能试验结果

表3 防砂管基管管体纵向夏比冲击试验结果(V形缺口)

1.4 显微组织分析

分别在基管、护管及焊缝附近取样,依据ASTM E3-11《金相试样制备的标准指南》、ASTM E45-13《钢中非金属夹杂物含量测定方法》以及ASTM E112-13《金属平均晶粒度测定方法》相关标准,采用MEF4M金相显微镜、图像分析系统以及OLS 4100激光共聚焦显微镜对管样的显微组织、晶粒度及非金属夹杂物进行分析,结果如图4和图5所示。由图4可知,基管试样外表面组织均为铁素体F+回火索氏体S,晶粒度为9.0级,非金属夹杂物等级为A 0.5级、B 0.5级、D 0.5级。护管试样的组织为回火索氏体,断口、外表面腐蚀坑周围有灰色腐蚀产物,且穿孔不锈钢基体组织为奥氏体(图4(c))。焊缝区试样组织为奥氏体A+铁素体F(图5(a)), 其中粗晶热影响区为回火索氏体 S+魏氏铁素体 WF(图5(b)),而细晶热影响区为回火索氏体S+铁素体F+屈氏体T(图5(c))。

图4 防砂管管体显微组织

图5 防砂管焊缝显微组织

1.5 扫描电镜及能谱分析

图6 防砂管穿孔处微观形貌

在基管管体与焊缝连接处分别取样,应用扫描电镜及其附带的能谱分析仪对试样外表面进行微观形貌观察及能谱分析,结果如图6所示。图6(a)是基管穿孔处外表面腐蚀形貌,基管与护管焊接处外表面形成一层明显的腐蚀产物膜,其中腐蚀坑呈现“外宽内窄”的腐蚀形貌,组织疏松。图6(a)中红色区域高倍下微观形貌如图6(b)所示。

利用能谱分析仪对防砂管基管管体外表面进行能谱分析,分析位置选取如图7所示,元素分析结果见表4。分析结果表明,管体外表面主要元素分布为Fe、C和O,以及少量S、Si,此外还存在少量Ca、K、Al、Ti或Mn。基管腐蚀坑部位的能谱分析位置选取如图8所示,元素分析结果见表5。可见主要元素分布为Fe、C和O,以及少量的 S、 Si、Ca等。

图7 管体外表面能谱分析结果

表4 管体外表面元素分析结果

图8 腐蚀穿孔处能谱分析结果

表5 腐蚀穿孔处元素分析结果

2 综合分析

综合以上测试结果,对该N80钢防砂管腐蚀穿孔产生原因分析如下:

(1)由表1可以看出,该防砂管管样的化学成分符合API SPEC 5CT对N80钢管的要求;由表2可以看出,送检管样的拉伸性能及冲击性能均符合API SPEC 5CT标准对N80钢管的要求。

(2)由宏观形貌观察可发现防砂管腐蚀主要集中在焊缝(基管与护管连接处)靠基管侧,其护管表面、基管表面及远离焊缝的基管管体内、外表面均未发现严重腐蚀痕迹,且整个管段内无明显塑性变形,说明防砂管上的孔洞是由于腐蚀造成的,且焊缝连接处内、外表面同时受到腐蚀,发生壁厚减薄现象。

(3)由扫描电镜及能谱分析结果可知,在基管外表面远离焊缝区的腐蚀介质与腐蚀区接触的介质基本一致,但穿孔腐蚀全部集中在防砂管焊缝靠基管侧,说明腐蚀与焊缝有关。由于防砂管焊缝位于不锈钢护管和碳钢基管相接处,且防砂管整体又处于同一电解质(井下采出液)中,焊缝材料又属于不锈钢,根据此现象,推测防砂管焊缝连接处腐蚀穿孔原因是由于发生了电偶腐蚀 [2-3]

电偶腐蚀通常是由于腐蚀电位不同,造成同一介质中两种或两种以上金属接触处的局部腐蚀 [4] 。该两种金属构成宏电池,产生电偶电流,使电位较低的金属(阳极)发生阳极反应,溶解速度增加,电位较高的金属(阴极)发生阴极反应,溶解速度减小。同时随着电位较低的金属与电位较高的金属接触面积增大(阴极与阳极面积比有重要影响),电偶腐蚀效应增大,但当两者面积比过大时,可能会使本身为钝化态的高电位金属发生阴极腐蚀 [5-7] 。而本研究中防砂管的基管属碳钢,电位通常为-0.69~0.69 V,护管所属不锈钢的电位通常为-0.3~0.4 V,计算可知两者电位差为290~1 090 mV。根据电偶腐蚀发生条件可知,通常当碳钢与不锈钢电位差大于200 mV时,两者之间就会发生明显的电偶腐蚀,且二者的电位差越大则电偶腐蚀愈明显 [8] ,同时随着电解质溶液流速的增大,电偶腐蚀作用越大,电偶腐蚀对流速的变化十分敏感,电偶敏感性因子基本与电解质流速成正比,而本研究中的防砂管在井下作业时,井下流体介质必然会有一定的流速,进而加速了电偶腐蚀效应,因此可知,本研究中的防砂管腐蚀穿孔是由于基管与护管发生了电偶腐蚀 [9-10] 。焊缝连接处发生电偶腐蚀时,电极电位较低的基管(碳钢)通常会加速腐蚀,而电极电位较高的护管(不锈钢)的腐蚀则会减慢,这与研究中腐蚀穿孔均出现在焊缝靠基管一侧相对应。

综上所述,该N80钢防砂管腐蚀穿孔的主要原因是在服役过程中,基管(碳钢)和护管(不锈钢)焊缝连接浸泡在同一电解质(井下采出液)中,由于碳钢与不锈钢之间存在电位差,导致两者之间发生电偶腐蚀,使得电位较低的基管(碳钢)发生溶解,加速腐蚀,形成穿孔,进而断裂。

3 结论与建议

(1)送检样管的化学成分、组织、抗拉强度及伸长率均未见异常,符合API SPEC 5CT对N80钢管的要求。

(2)该防砂管腐蚀穿孔的原因是基管与护管焊缝区域形成了电偶腐蚀。

(3)建议选择电极电位尽量接近的金属作为相接处的电偶对,或者通过减小较高电极电位金属的面积和增大较低电极电位金属的表面积(该项未必合适,因为已经足够大了,可以考虑增大壁厚)来防止电偶腐蚀。

参考文献:

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CONG Shen,KUANG Xianren,SONG Chengli,CAI Ke,WANG Lei
(CNPC Tubular Goods Research Institute,Xi’an 710077,China)

Abstract: In order to analyze the causes of corrosion perforation and fracture of N80 steel sand control pipe in an oilfield in western China,the sand control pipe was analyzed synthetically by appearance inspection,wall-thickness measurement,magnetic powder inspection,physicochemical inspection and scanning electron microscope (SEM)observation.The results show that the main cause of corrosion perforation of the sand prevention pipe was that when the base pipe(carbon steel)and the protecting pipe(stainless steel) were soaked in the same electrolyte(underground extraction liquid),the galvanic corrosion occurs for the reason of potential difference,then lower potential base pipe(carbon steel)was preferred to corrosion,eventually lead to corrosion perforation and fracture.

Key words: N80 steel;sand control tubing;galvanic corrosion;perforation

Corrosion Causes Analysis of the N80 Steel Sand Control Tubing

DOI: 10.19291/j.cnki.1001-3938.2018.08.004

文献标识码: A

作者简介: 丛 深(1991—),男,助理工程师,硕士,目前主要从事石油管失效分析工作。

中图分类号: TG178

收稿日期: 2018-05-08

编辑:张 歌