海上某油田井下管柱腐蚀失效分析

王　宏，刘贤贺

（渤海船舶职业学院，辽宁兴城125105）



海上某油田井下管柱腐蚀失效分析

王宏，刘贤贺

（渤海船舶职业学院，辽宁兴城125105）

摘要：海上某油田在生产过程中连续发现3口油井的井下管柱腐蚀穿孔，为了保证油田安全生产，避免腐蚀进一步发生，对井下管柱进行了腐蚀失效分析。在对井下失效管柱的金属材质分析、机械性能分析、金相组织检测和腐蚀产物分析的基础上，分析了腐蚀的原因。结果表明，CO2腐蚀是管柱腐蚀的主要原因，管柱中的湍流进一步加剧了腐蚀速度。

关键词：井下管柱；CO2腐蚀；穿孔；失效

海上某油田在生产过程中连续发现3口油井的井下管柱腐蚀穿孔，为了避免腐蚀的进一步发生，保证油田的安全生产，获得可观的经济和社会效益，同时为其他油田在油管防腐材质选择等方面积累经验。根据油田提供的生产操作数据、套管腐蚀失效部件和单井水样操作目标，进行井下管柱腐蚀失效分析。

1　井下管柱腐蚀失效分析

1.1化学元素分析

化学组成分析列于表1中。每个元素的含量都满足API 5CT中N80的含量要求。但是，3号样品中C、Cu、Ni、Mo和溶解Al的含量与其

表1　样品的化学元素组成

为了弄清楚材质之间组分差异原因，对2号样品和3号样品进行了更多的元素分析，增加元素分析结果如表2所示。

表2　增加的元素分析结果

附加元素分析结果表明：2号样品和3号样品在Ti、B和N三种元素含量上存在差异。通过分析结果可以看到，3号样品是硅脱氧钢，炼钢过程中使用矽铁作为脱氧剂；其他样品为铝脱氧钢，炼钢过程中使用铝作为脱氧剂，同时为了改善材质的硬度，对材质进行了硼合金化处理。

1.2硬度测试

对样品进行硬度（HRC）测试，1号样品硬度平均值为 18.6，2号样品硬度平均值为17.2，3号样品硬度平均值为20.4，4号样品硬度平均值为19.2，5号样品硬度平均值为18.1。每个N80样品的硬度都满API 5CT的要求，但3号样品的硬度要稍微大于其他样品。根据ASTM E140的转换表格，3号样品的抗张强度范围为760～770 MPa，其他4个样品的抗张强度范围为720～750 MPa，转化后的抗张强度值满足API Spec 5CT中对N80材质抗张强度的要求。

1.3非金属含量分析

采用JIS G0555标准对5个样品中的非金属含量进行测试，测试结果列于表3中。虽然其他样品含有A1类夹杂物和少量C类夹杂物，但是3号样品中A1类夹杂是最多的。

表3　样品的非金属含量

1.4目视外观检查

所有样品的整体外观如图1所示。将样品纵向切开观察其内外表面，可知：

图1　腐蚀失效部件样品

1号样品靠近连接部位有一个由于内腐蚀造成的穿孔，但是没有发现由于油套环空液体造成的外壁腐蚀。在管柱内壁发现许多严重的局部腐蚀和腐蚀坑，而连接处相对较少。在公扣端部与连接处末端之间存在严重腐蚀失重，局部有腐蚀造成的穿孔。与1号样品相连的短节未见明显腐蚀现象。

2号样品许多内腐蚀穿孔都集中在距离公扣端1.2 m范围内，且呈现直线排列；同时，公扣端也遭受严重腐蚀。另外，没有发现由于油套环空液体造成的外壁腐蚀；距连接处末端1.2 m范围内的内表面腐蚀轻微，但是，样品其他部位存在严重的线性沟槽腐蚀，沟槽直径宽度约为轴向宽度的1/8，同时，在沟槽上还发现了许多穿孔，距离连接处越近，腐蚀越严重。

3号样品的外表面由涂层覆盖，样品的内外表面均未见严重腐蚀。尽管在样品内表面发现了局部锈蚀现象，但是样品的整体外观状况很好，该样品腐蚀状况与1号样品相连接短节状况相同。

4号样品许多大的穿孔都是内腐蚀造成的，且呈直线分布。没有发现由于油套环空液体造成的外壁腐蚀，除了连接处外，在样品内表面发现了很多严重的腐蚀穿孔。腐蚀形貌与1号样品类似。

5号样品许多内腐蚀穿孔都集中在距离公扣端1.2 m范围内，且呈现直线排列；同时，公扣端也遭受了严重腐蚀。但是，没有发现由于油套环空液体造成的外壁腐蚀；在距离母扣端2 m范围内腐蚀轻微，除了连接处外，其他部位也发现了许多较严重的坑蚀，有的穿孔，有的未穿孔。

1.5微观检查

分别针对5个样品腐蚀与未腐蚀的部位进行微观和宏观结构检测，从检测结果可以看出1、2、4和5号样品除穿孔部位外，外表面腐蚀相对较轻，内表面腐蚀较重，并伴有许多穿孔，观察这些腐蚀严重的部位，发现腐蚀是从内向外发生的。3号样品腐蚀轻微。

图2为1号样品腐蚀严重部位的外表面、中间部分和内表面的金相显微组织检测。图3 为3号样品的外表面、中间部分和内表面的金相显微组织检测。

1、2、4和5号样品金属本体微观结构为细小的回火马氏体，金属加工时采用淬火和回火工艺。3号样品为粗大珠光体和贝氏体组成的退火结构，金属加工时采用正火和回火工艺。3号样品和其他样品在微观结构上存在较大差异。

图2　1号样品的微观检测结果

图3　3号样品的微观检测结果

1.6腐蚀产物X射线分析

1号样品和3号样品的X射线腐蚀产物分析谱图显示：所有样品腐蚀产物都含有FeCO3、FeO（OH）、Fe3O4、CaO和CaCO3，未检测到氯化物。这意味着湿的CO2是导致所有样品腐蚀穿孔的重要因素，3号样品与其他样品表面腐蚀产物没有明显差异。

1.7腐蚀产物电子探针显微分析（EPMA）

采用电子探针对腐蚀产物进行显微分析，在每个腐蚀产物样品中，都检测到 Fe、C、Cl、Ca和O元素，结果证明腐蚀是由CO2造成的。进一步分析可知：在3号样品上还存在Cu、Co 和Mo元素，金属表面未发现元素富集的现象。

2　结论与建议

第一，为了阻止CO2腐蚀，向碳钢中加入Cr元素是有效的方法。工业应用可知，9Cr钢可以应用于小于100℃以下环境，13Cr钢可以应用于150℃以下环境，22Cr钢可以应用于200℃以下环境，而25Cr钢可以应用到250℃以下环境。尽管5个腐蚀失效样品都含有少量的Cr，但其含量较低。3号样品由于表面曾经进行涂装，因此相对其他4个样品腐蚀相对较轻。

第二，考虑到每个短节在井中的腐蚀环境，除与1号样品连接的短节外，其他短节与封隔器相连的一侧腐蚀严重。这是由于管径的变化导致湍流而加速了CO2的腐蚀速率；另外，封隔器和短节之间的电位差也可能导致电偶腐蚀。位于可调活接头上部的4号样品与2号样品、5号样品具有相同的腐蚀环境。腐蚀形貌显示，管内形成的湍流是严重腐蚀的重要原因。

为了降低流体在管道中的湍流，可以尽量将管道部件（例如油管、封隔器、活动连接等）标准化为统一尺寸。为了降低局部腐蚀，建议油管内壁要保持光滑，尽量降低非金属夹杂物。

第三，针对井下电偶腐蚀，可以将井下所有工具和管柱使用相同材质，不同电位金属之间使用过渡金属连接。

3　结语

通过对井下失效管柱的金属材质分析、机械性能分析及腐蚀机理探讨，找到了腐蚀失效原因，提出了腐蚀控制建议。相关建议执行后，截止到目前，所有井下管柱再未发生过腐蚀穿孔的情况。

参考文献：

［1］葛彩刚.Cr13钢在含CO2/H2S介质中的腐蚀行为研究［D］.北京:北京化工大学，2010.

［2］赵华莱.油套管及封隔器用钢在封隔液环境下的电偶腐蚀行为研究［D］.成都:四川大学，2007.

［3］黄天杰，王峰，殷安会，等.N80钢在二氧化碳饱和的模拟油田液中的高温高压腐蚀行为研究［J］.腐蚀科学与防护技术，2009（5）:486-488.

［4］王宏，刘贤贺，潘涵.海上石油钻井套管接头腐蚀穿孔失效分析［J］.兵器材料科学与工程，2015（1）:92-97.

［责任编辑：刘月］

中图分类号：TE985

文献标识码：A

文章编号：2095-5928（2016）03-31-04

DOI:10.16850/j.cnki.21-1590/g4.2016.03.010

收稿日期：2016-04-06

作者简介：王宏（1973-），男，辽宁本溪人，副教授，博士，研究方向：船舶与海洋结构物性能与安全。刘贤贺（1978-），女，辽宁葫芦岛人，实验师，学士，研究方向：船舶与海洋工程。他4个样品的含量差异较大。

The Failure Analysis of the Corrosion of a Sea Oilfield Down-hole Pipe

WANG Hong，LIU Xianhe
（Bohai Shipbuilding Vocational College，Xingcheng 125105，China）

Abstract:In the process of production the author continuously found 3 Wells of down-hole tubing corrosion perforation in certain oilfield offshore.In order to ensure the safety of oil field production，avoid further corrosion，the author conducted corrosion failure analysis of down-hole string.The causes of corrosion are analyzed on the basis of null and void of down-hole string of metal materials analysis，mechanical property analysis，metallography testing and corrosion product analysis.Results showed that CO2corrosion was the main culprit of corrosion of pipe string，the turbulence in the pipe further exacerbated the corrosion speed.

Key words:down-hole string；CO2corrosion；perforation；failure