某海洋平台注水立管腐蚀穿孔失效分析

杨 阳，罗 懿，樊荣兴，杨中娜，张传旭

（1.中海油(天津)管道工程技术有限公司，天津 300452；2.中海石油(中国)有限公司天津分公司，天津 300450）

海洋平台立管是连接海底管道与海洋工程结构物上生产设备的管道[1]，也是海底管道中较薄弱的环节。 与一般的海底管道相比，海洋平台立管处于更加恶劣复杂的环境中，在内部流体和外部载荷的共同作用[2]下，海洋平台立管会发生碰撞、疲劳破坏、 断裂和腐蚀失效等。 一旦发生，轻则停产，重则引起破损、 油气泄漏，导致火灾和爆炸事故，不仅工程本身遭受损失，还可能造成严重的次生灾害。 所以，从某种意义上讲，海洋平台立管的安全性决定了整个海底管线系统的可服役性[3]。

某海洋平台注水立管发生泄漏，经停产排查确认，护管内侧立管段上部出现腐蚀穿孔。 该立管外径为 219.1 mm，壁厚 8.7 mm，钢级 X52；全线采用直缝埋弧焊钢管；管线外壁防腐形式为3PE 防腐，且采用牺牲阳极保护措施，内壁无防腐措施，注水介质有加注缓蚀剂、 防垢剂等化学药剂；该管线未有超期服役现象。

为避免类似事故再次发生，管道运营企业组织对该段失效立管及其护管拆除替换，回收失效管段后送至陆地，开展检测评价工作，查找腐蚀穿孔原因。

1 立管结构

该失效立管与外侧护管的上部、 下部连接结构如图1 所示。 由于立管与护管的管径相差较大，故上部法兰连接处，首先对立管外壁去防腐层，然后选取合适的钢材半瓦组对焊接在立管钢管外壁，既实现扩径功能，也起到钢管保护作用，该段长度为600 mm，厚度12 mm，最后再与顶部法兰、 护管等焊接密封；而立管下部采用外部扩径方式，贴近护管内壁，起到扶正作用，但未实现密封。

图1 立管与外侧护管连接结构示意图

考虑立管的结构型式，再结合平台端水位，实际工况下，海水可以进入护管与立管之间的环空，且环空水位并未达到失效部位。

2 宏观分析

经宏观检查，护管无腐蚀穿孔现象；内侧立管外壁3PE 涂层保护区未见明显破损，但立管端部与顶部法兰焊接位置附近没有涂层保护，该部位出现明显的严重腐蚀，也是本次注水立管的腐蚀穿孔部位所在，如图2 所示。 经测量，穿孔尺寸为 72 mm×35 mm （轴向×周向），钢管保护段角焊缝距穿孔近端为16 mm。 立管钢管内壁有明显棕色产物沉积，沉积物质硬，去掉腐蚀产物后，表面未见明显局部腐蚀，整体呈现均匀腐蚀形貌。

图2 腐蚀穿孔部位实物照片

穿孔部位形貌如图3 所示。 从图3 （a） 中不难看出，管线腐蚀穿孔附近的内壁与同轴向的内壁相比，未见明显的减薄，内表面整体较平坦，穿孔周围也存在少部分凹坑和锈蚀产物，再结合穿孔处的外表面形貌 （见图3 （b）），外表面有非常严重的腐蚀，有很厚的腐蚀产物覆盖，腐蚀穿孔周围有严重的凹陷，存在明显腐蚀减薄。 进一步观察可以看出，钢管由表及里，随着腐蚀坑的逐渐加深，腐蚀孔径越来越小。

由此得出结论： 腐蚀穿孔主要是由于钢管从外向内腐蚀所致。

图3 腐蚀穿孔部位形貌

3 防腐层情况

首先，采用防腐层漏点检测仪对立管外壁3PE 防腐层覆盖区域进行检测，无漏点报警；其次，对3PE 防腐层与钢管结合情况进行测试，对端部翘起的防腐层进行沿管中心方向考察，剥离防腐层至距离端部约15 mm 处，沿管道轴向向中部穿刺，钢丝未能插入，说明防腐层与钢管的结合程度良好。 距离端部约15 mm 处防腐层结合情况如图4 所示。 最后，对立管中间部位的焊接节点位置防腐情况进行测试，宏观观察节点热缩套未有损坏现象，然后对节点热缩套进行剥离，如图5 所示。 从图5 中不难看出，节点热缩套与防腐层之间的结合程度良好，内部钢管未发生明显的外部腐蚀。 综上所述，除立管端部外，立管防腐层覆盖区域的防腐效果良好。

图4 距离端部约15 mm 处防腐层结合情况

图5 节点热缩套剥离现场照片

4 理化检验

4.1 化学成分分析

从钢管腐蚀孔附近取样，使用SPECTROLABLAVM11 直读光谱仪检测材料的化学成分，检测结果见表1，结果符合API SPEC 5L—2012的要求。

表1 腐蚀孔附近试样化学成分分析结果 %

4.2 拉伸性能

根据标准要求，从钢管管体纵向取标距内宽度为19.1 mm 的板状拉伸试样，采用Z600 双立柱万能材料试验机进行拉伸试验，拉伸性能检测结果见表2，结果符合API SPEC 5L—2012 的要求。

表2 试样拉伸性能试验结果

4.3 冲击性能

从钢管管体取夏比V 形冲击试样，采用JBS-300 摆锤冲击试验机进行冲击试验，试样规格为55 mm×10 mm×5 mm，试验温度为 0 ℃。 单个试样夏比冲击试验吸收能量均大于18 kJ，冲击性能结果见表3，结果符合API SPEC 5L—2012 的要求。

表3 试样夏比冲击试验结果 （0 ℃）

4.4 硬度

采用TUKON 2500 维氏硬度试验机对钢管管体及焊缝处进行硬度测试，硬度测试压痕位置如图6 所示，硬度值检测结果见表4，结果符合API SPEC 5L—2012 的要求。

图6 维氏硬度测试压痕位置示意图

表4 立管管体及焊缝维氏硬度检测结果

4.5 显微组织

在腐蚀孔附近的管体、 焊缝处以及热影响区分别取样，进行金相检测，金相组织均为铁素体和珠光体，如图7 所示。 腐蚀孔周边未发现有组织缺陷及裂纹，腐蚀坑附近和远离腐蚀坑处组织均为铁素体和珠光体，未见异常组织。 管体晶粒度评级为10.0 级。

图7 腐蚀孔附近各区域的显微组织

5 微观分析

采用Zeiss EVO 18 扫描电镜对腐蚀穿孔附近内壁、 外壁的微观形貌进行观察，典型形貌如图8 所示。 由图8 可以看出，内壁微观形貌较致密，外壁结构疏松。

采用Oxford 能谱仪对腐蚀穿孔附近内壁、外壁腐蚀产物微区成分进行分析，分析结果见表5。 由表5 可以看出微区成分主要为 O、Fe、 C、 Al、 Mn 、 Si 元素。

图8 腐蚀穿孔附近微观形貌

表5 腐蚀穿孔附近微区成分分析结果

6 腐蚀产物XRD 分析结果

采用X 射线衍射仪对腐蚀穿孔内壁、 外壁腐蚀产物进行分析，将腐蚀产物烘干，放入X射线衍射仪进行测定，两种腐蚀产物成分分析结果见表6。

表6 腐蚀产物成分分析结果

综合以上数据进行分析，腐蚀穿孔部位的内壁腐蚀产物主要以Fe3O4和Fe2O3形式存在，外壁腐蚀产物主要以FeOCl、 Fe3O4形式存在。另外，从数据结果分析，立管内壁也有少量的CaCO3垢析出，但结合内壁腐蚀形貌观测，垢下腐蚀不明显。

7 失效原因分析

立管安装过程中，立管与护管焊接作业对立管焊接部位的3PE 防腐层造成破坏，而焊接后对焊接部位的钢管裸露部位未进行有效防腐层修复。 根据立管结构进一步得知，海水由护管与立管下部间隙进入环空，使得该部位长期处于海洋大气环境 （含盐潮湿气相） 下，且牺牲阳极对该部位起不到阴极保护作用。

海洋大气腐蚀属于薄液膜下的电化学腐蚀，海洋大气环境下暴露的金属材料表面会形成连续的电解液薄膜，在这种条件下，氧的扩散比全浸状态下更容易，液膜越薄，大气腐蚀的阴极过程就越容易进行，腐蚀速率较大。

钢管表面产生锈蚀后，在该工况下形成的锈层对金属不具有保护作用，且锈层和基体钢之间存在局部电池作用，会加速腐蚀。 腐蚀机理如下：

（1） 由于氧气量不足以及温度较低的原因，金属表面不能生成保护性产物膜，锈层不具有保护作用。

（2） 在适当湿度范围内，锈层和基体钢的局部电池形成开路，在Fe/Fe3O4界面上发生阳极反应： Fe→Fe2++2e→FeOOH；在 Fe3O4/FeOOH 界面上发生阴极反应： Fe3++8FeOOH+3e →3Fe3O4+4H2O，加大阴极电流，对阴极起到去极化作用，加速腐蚀。

8 结论及建议

（1） 立管安装阶段，失效部位外表面未采取有效防腐措施。

（2） 立管结构导致失效部位长期处于海洋大气环境，阴极保护起不到作用，腐蚀速率较高。

（3） 立管表面产生的锈层保护作用较弱，无法有效阻止腐蚀发生。

（4） 立管腐蚀穿孔主要是由于钢管从外向内腐蚀所致。

（5） 应避免类似立管结构，立管与护管之间环空应与海水或海洋大气隔绝。

（6） 建议考虑采用气胀封堵加疏水水泥的防护技术，外部切口处采用补强包覆技术。