12B Vol.53No.1()Oct.2020
高多龙'，杨志文S葛鹏莉」，张静」，刘青山'，王毛毛-陈迎锋?，张雷
*
（1.中国石油化工股份有限公司西北油田分公司，新疆乌鲁木齐830011；
2.安科工程技术研究院（北京）有限公司，北京100083；
3.中石油管道责任有限公司西气东输分公司，上海200122；
4.北京科技大学新材料技术研究院，北京100083）
［摘要］通过对腐蚀穿孔L245NS伴生气管线进行腐蚀形貌、材质性能和腐蚀产物等分析，结合管线服役历程分析，对伴生气管线腐蚀穿孔原因进行了探讨。结果表明:L245NS伴生气管线腐蚀穿孔形貌呈孤立同心圆状，同时该失效管线材质性能符合GB/T9711-2011标准对L245NS钢的要求。失效管线腐蚀产物主要成分为铁氧化物（Fes。。和Fe2O3）、FeS
*等，且在腐蚀产物中培养出大量硫酸盐还原菌、铁细菌、腐生菌等细菌，同时腐蚀穿孔部位附近存在大量细菌和细菌代谢分泌的胞外聚合物。结合该管段其他部位腐蚀速率最高仅0.039mm/a，且无明显局部腐蚀，管线穿孔形貌呈孤立同心圆形貌，故认为该L245NS管线主要发生细菌腐蚀穿孔。 ［关键词］伴生气管线；L245NS钢；细菌腐蚀；失效分析
［中图分类号］TE988［文献标识码］B［文章编号］1001-1560（2020）10-0126-05
Analysis on Corrosion Perforation Failure of L245NS Associated Gas Pipeline
CAO Duo-long',YANG Zhi-wcn2,GE Peng-li1,ZHANG Jing3,LIU Qing-shan1,WANG Mao-mao2,CHEN Ying-feng2,ZHANG Lei4
(1.Northwest Branch Company of Sinopec,Urumqi830011,China；
2.Safetech Research Institute(Beijing)Co.,Ltd.,Beijing100083,China；
3.PetroChina West East-Gas Pipeline Company,Shanghai200122,China；
4.Beijing Institute for Advanced Materials and Technology,University of Science and Technology,Beiji
ng100083,China) Abstract:The corrosion morphology,chemical composition,metallographic organization,mechanical properties and corrosion products of the corrosion failure L245NS associated gas pipeline were characterized,combined with the corrosion environment analysis to find out the reason of corrosion perforation.Results showed that the localized corrosion appeared in an isolated and concentric pitting morphology.The material properties of the failure L245NS pipeline met the GB/T9711-2011standard requirements.The composition of corrosion products was Fe3O4, Fe2O3and FeS x.The sulfate reducing bacteria(SRB),total growth bacteria(TGB)and iron bacteria(IB)were detected,and the bacteria morphology and extracellular polymeric substances(EPS)were found in the corrosion product.It was indicated that the corrosion rate reached the maximum of0.039mm/a,and no obvious commosion perforation was observed.The failed L245NS pipeline had mainly encountered microbiologically-induced corrosion.
Key words:associated gas pipeline；L245NS steel；microbiologically-induced corrosion；failure analysis
o前言
某油田伴生气集输管网2011年6月建成投产，至2019年9月穿孔失效，服役时间已达&2a，该管线两月
内共计穿孔18次。管线全长23.9km，规格0273.0 mmx7.1mm，材质为L245NS，为无缝管。管线输气量为120000m3/d，运行压力0.35MPa，运行最高温度40°C，含水率5.06%,CO2含量14.80%,02含量0.51%（油田注气过程引入）,H2S含量38000mg/n/。该管线内防腐蚀措施为每半年清管1次，并进行缓蚀剂预膜。
为确保管线安全高效的运行，管线穿孔失效后，取现场典型失效管段进行失效分析，以期明确伴生气管
［收稿日期］2020-05-11
［通信作者］杨志文（1992-），硕士，工程师，主要从事油气田管道腐蚀与防控、失效分析等研究工作，电话：************, E-mail:yangzhw@ankosri
第53卷•第1()期•2020年10月12Z
线腐蚀穿孔主要原因。
1理化试验及结果
l.i腐蚀形貌分析
现场反馈管线穿孔照片显示穿孔位置在管道底部，时钟方位约6点左右，且管线穿孔部位明显渗水，表明管线穿孔部位存在积水。管线内腐蚀形貌如图1所示。由图la可知，内部局部腐蚀形貌呈孤立的、“同心圆”形貌，除穿孔部位外，其他位置未见明显局部腐蚀。失效部位局部腐蚀坑直径约40mm，穿孔孔径大小约7mm(如图lb所示)。由图lc和Id可知，该管线为内腐蚀穿孔失效。清除距离管道穿孔中心位置15 cm左右的A、B处(图la)环向腐蚀产物和外壁防腐蚀层，测试该位置管道壁厚，结果如表1所示。由管道壁厚测试结果可知，管道底部均匀减薄最大达0.32mm，折算均匀腐蚀速率0.039mm/a o
(c)穿孔部位截面形貌1(d)穿孔部位截面形貌2
图1穿孔失效管线腐蚀形貌
表1A、B位置环向壁厚测试结果
时钟方位123456 A位置壁厚/mm7.077.107.107.00 6.79 6.95 B位置壁厚/mm7.027.017.09 6.997.02 6.99时钟方位789101112 A位置壁厚/mm7.017.057.067.047.017.06 B位置壁厚/mm 6.78 6.987.077.007.007.06
1.2化学成分分析
在失效管道穿孔部位附近金属基体上取金属屑，参照ASTM A751-20081*钢产品化学分析的试验方法”
标准对金属中的C、Si、Mn、P、S、V、Nb、Ti等元素进行检测，结果如表2所示。由表2可以看出，失效管线的化学成分符合GB/T9711-2011标准对L245NS无缝管要求。
表2失效管线化学成分(质量分数)%元素C Si Mn P 失效管线0.1100.150 1.0200.010
L245NS标准W0.140W0.400W1.350W0.020元素S V Nb Ti 失效管线0.0070.040W0.010W0.010 L245NS标准W0.008V+NbW0.060W0.040
1.3金相组织分析
在失效管件局部腐蚀部位取样，经砂纸逐级打磨至2000号并抛光，参照GB/T13298-2015“金属显微组织检验方法”，选用3%的硝酸+酒精侵蚀液进行侵蚀，侵蚀后经去离子水冲洗、酒精脱水、冷风吹干后，在金相显微镜下观察金属的微观组织形态，结果如图2所示。从图中可以看出，失效管件夹杂金相组织为铁素体和少量珠光体组织，为典型的正火态组织，符合GB/T9711-2011标准要求
。
Vol.53 No.10 Oct. 2020
图2金相组织
1.4力学性能分析
参照GB/T 228-2010“金属材料室内拉伸试验方
法”，在失效管件取样进行力学性能测试，试验结果如 表3所示。由表可知，失效管线的抗拉强度、屈服强
度、断后伸长率、硬度等性能测试结果符合标准GB/T
9711-2011中关于L245钢管材力学性能的规定。
表3力学性能测试结果
项目
抗拉强度 心/MPa
屈服强度 R t05/MPa
断后伸长率
A/%硬度/HRB 失效管线447307
4171.1
L245N 标准
415-760
245-450N22
-
综上所述，失效L245NS 管线化学成分、金相组织、
力学性能等材质'性能均符合标准GB/T 9711-2011要求。
1.5腐蚀产物分析
为明确管线内腐蚀穿孔原因，取穿孔部位及附近 腐蚀产物进行X 射线衍射（XRD ）、扫描电镜（SEM ）、能
谱（EDS ）、细菌检测等测试分析。穿孔位置附近产物 进行XRD 测试结果如图3所示。由测试结果可知，腐
蚀产物主要为Si 。？、铁氧化物（Fe3（）4和Fe2C ）3）、FeS *
等。由于现场生产井不出砂,Si 。?判断为现场取管样过 程中混入管内的砂子。铁氧化物和FeS *则可能是氧腐
蚀和H?S 腐蚀导致，也可能是细菌腐蚀导致。通常氧
腐蚀和IS 腐蚀容易导致局部腐蚀，但其腐蚀形貌通 常不是孤立的同心圆蚀坑，而细菌腐蚀形貌则容易出 现此形貌口£。穿孔管
为进一步判断腐蚀的主要类型，取样开展SEM-
EDS 测试和细菌检测。SEM-EDS 取样位置如图lb 中
C 和
D 所示，测试结果如图4和图5所示。由图4和图
5可知，蚀坑外部腐蚀产物成分主要由Fe 、O 等元素组
成，以铁氧化物（无机物）为主。而穿孔部位附近腐蚀
产物成分除Fe 元素外，主要由C 、O 、P 、N 、S 等元素组 成，成分以有机物为主。同时，结合产物成分，进一步 对穿孔部位附近腐蚀产物形貌进行分析，发现穿孔部
位附近腐蚀产物中存在大量与细菌新陈代谢相关的胞
外聚合物血7]，其放大形貌如图6a 所示，并在胞外聚合 物附近发现大量杆状细菌形貌（图6b ）。另外，在穿孔
部位附近取腐蚀产物，用灭菌去离子水浸泡腐蚀产物 制备含菌溶液，参照SY/T 5329-2012，开展细菌检测，
测试细菌种类包括铁细菌（IB ）、硫酸盐还原菌（SRB ）、 腐生菌（TGB ），结果表明腐蚀产物中含IB 、SRB 、TGB 等细菌，含量分别为 7.50X 102,1.25x 102, 1.25X 102
个/mL 。因此，结合腐蚀产物成分和腐蚀穿孔形貌特
征，认为该管段腐蚀与细菌腐蚀关系较大。
（a ）腐蚀产物形貌（b ）框内腐蚀产物能谱
图4
蚀坑外产物形貌和能谱
第53卷・第10期・202()年1()月
(a)腐蚀产物形貌
元素A/%
E/keV
(b)框内腐蚀产物能谱图5蚀坑内产物形貌和能谱
(a)胞外聚合物(b)杆状细菌
图6蚀坑内腐蚀产物中胞外聚合物和杆状细菌形貌
2管线腐蚀穿孔原因分析
管材材质测试结果表明管线材质符合标准要求，因此材质因素不是导致管线局部腐蚀穿孔的主要原因。腐蚀产物测试结果表明腐蚀产物主要为铁氧化物(FesO。和Fe2O3)和FeS
*。据此，可推测管材主要可能存在的腐蚀风险为02-H2S腐蚀和/或细菌腐蚀。通常氧腐蚀和H?S腐蚀容易导致碳钢出现局部腐蚀，但该类腐蚀局部腐蚀坑分布较为密集〔宀)。然而，管线腐蚀形貌呈孤立
的同心圆形貌，且除穿孔部位外其他部位未见明显局部腐蚀，其中均匀腐蚀速率底部积水部位最高为0.039mm/a o同时，蚀坑内腐蚀产物呈现出大量细菌代谢产生的胞外聚合物形貌和杆状细菌形貌，且腐蚀产物中分别培养出了SRB、IB、TGB细菌。因此，认为该L245NS管线主要发生细菌腐蚀穿孔。
通常伴生气管线主要面临地层产出液中的伴生气腐蚀，如1S腐蚀、CO?腐蚀、氧腐蚀以及以上几种腐蚀的耦合等，而注水管线等注入系统则容易引入细菌腐蚀[8-"]o然而，该伴生气管线由于存在清管、缓蚀剂预膜等工艺操作，且清管和缓蚀剂预膜等操作均未进行杀菌操作，导致在这些工艺操作中容易引入细菌，进而导致管线发生细菌腐蚀穿孔。
通常油田常见与细菌腐蚀相关的细菌有SRB、TGB JB等2⑷。其中，IB和TGB为好氧型细菌，其新陈代谢过程或者代谢产物，一方面腐蚀金属[如反应式(1)和(2)]，并生成相应的腐蚀产物[如Fe3O4.Fe2O3、FeOOH等，如反应式(6)和(7)]，另一方面代谢分泌出黏液与结垢/腐蚀产物形成垢层，导致被覆盖部位为电化学腐蚀阴极[如反应式(3)]，而未被覆盖部位则成为电化学腐蚀阳极，形成电化学腐蚀，腐蚀形态为局部腐蚀。与此同时,SRB为厌氧型细菌，容易在垢层覆盖部位缺氧环境系生存和繁衍⑸。SRB新陈代谢过程将SOT还原成S-[如反应式(4)和(5)]，导致管线腐蚀，生成FeS
*腐蚀产物[如反应式(8)][l2-,5]o最终, L245NS管线在SRB、TGB、IB等多种细菌协同作用下发生腐蚀穿孔。
阳极反应：
Fe—Fe"+2e(1)
Fe2+—»Fe
*+e(2)阴极反应
：
Vol.53No.1()Oct.2020
02+2H2O+4e^40H'(3)
8H++8e->8H(4)
S0J-+8H-*S2■+4H2O(5)总反应：
4Fe(OH)2+02+2H2O-»4Fe(OH)3->2Fe2O3+6H2O
(6)
6Fe(OH)2+02-»2Fe3O4+6H2O(刀(3x+1)Fe+xSO；-+4x比0―3%Fe(OH)2+FeS x+2xOH"
(8) 3结论与建议
(1)腐蚀穿孔L245NS管线化学成分、金相组织、硬度、力学性能等材质性能符合GB/T9711-2011标准要求。
(2)腐蚀穿孔管线腐蚀产物主要为铁氧化物(Fe3()4和Fe2O3)、FeS”等，且腐蚀产物中培养出硫酸盐还原菌、铁细菌、腐生菌等细菌，同时穿孔部位附近存在大量细菌和细菌胞外聚合物。
(3)管线腐蚀穿孔原因为管道在低洼积水处发生细菌腐蚀穿孔，腐蚀主控因素为细菌。
(4)腐蚀防控建议：对于该管线，建议进行清管处理，清管后进行缓蚀剂预膜，并在预膜液中添加杀菌剂，必要时考虑高密度聚乙烯(HOPE)内穿插防腐蚀措施；对于类似管线，建议在管道进行缓蚀剂预膜过程中，加入杀菌剂，且确保杀菌剂对该管线硫酸盐还原菌、铁细菌、腐生菌等均有效，杀菌剂杀菌效果满足SY/T5757-2010标准要求。
致谢：本文中场发射扫描电子显微镜相关工作在中国科学院自动化研究所显微分析技术平台完成，感谢李瑞奇、魏利新老师在样品制备和样品测试工作中的帮助。
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[编校：王宇]
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