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摘 要 ：本文针对地下金属管道腐蚀失效问题进行研究，采用失效案例分析和现状结合的分析方法，通过宏观形貌观察、金相 分析、硬度测试和腐蚀区微观形貌观察及成分分析对失效样件进行了分析，结合服役介质环境及工况，得出金属管腐蚀失效的 主控因素，酸化处理后的返排液（乏酸） 通过金属管道及地面处理系统排出，管道返排物质中含有一定浓度的残酸，同时还含有 亚铁离子及各种阴阳离子和残留缓蚀剂等， 注气过程的冲刷腐蚀和溶解氧电化学腐蚀， 导致部分金属管出现断脱失效。
关键词 ：金属管 ；腐蚀失效 ；金相观察
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。
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。
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。
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。
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 ：
Fe → Fe2++2e-
FeCl2+2H2O → Fe(OH)2+2HCL
2Fe(OH)2+1/2O2+H2O → 2Fe(OH)3
阴极反应 ：
O2+4H++4e- → 2H2O
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。
参考文献
[1] 马玲。浅析当前中国石油开采的现状及其措施 [J]。中国石油和化工标准与质 量，2013(1):248-248.
[2] 黄贤滨，倪广地，张艳玲等。原油输送管道内腐蚀现状及最新研究进展 [J]。 材料保护， 2017， 50(10):70-72。
[3] 阚伟海，陈莉荣，姜庆宏等。复合缓蚀剂对碳钢腐蚀率的影响研究 [J]。表面 技术， 2015(4):000127-131。
[4] 吴贵阳 , 余华利 , 闫静 , 刘志德 , 杜国滨 , 霍绍全 , 曹军 . 井下油管腐蚀失效分析 [J]. 石油与天然气化工 ,2016,45(02):50-54.
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