龙王庙组气藏井口阀门腐蚀行为研究 中石油西南油气田天然气研究院

1、中国石油西南油气田天然气研究院中国石油西南油气田天然气研究院2014.04龙王庙组气藏井口阀门龙王庙组气藏井口阀门腐蚀行为研究腐蚀行为研究 中国石油汇报人：张强汇报人：张强汇汇 报报 提提 纲纲2 2 概述概述 结论和建议结论和建议 井口手动平板阀腐蚀情况宏观分析井口手动平板阀腐蚀情况宏观分析 磨溪磨溪8 8井口阀门性能评价分析井口阀门性能评价分析 一一二二五五四四三三一、一、概述概述1. 磨溪磨溪8井基本情况井基本情况 油压(MPa)套压(MPa)产气量(104m3)产水量(m3)一级节流压力(MPa)一级节流温度()二级节流压力(MPa)二级节流温度()井口温度()输压(MPa)58636

2、0526.5639.542835.81）水、气参数： H2S含量在4.5811.19g/m3之间，CO2含量在31.4059.10 g/m3。 pH值4.687.40，Cl-含量为5527mg/L 74000mg/L， 密度平均1.04g/cm3，总矿化度平均57212mg/L 。 2）腐蚀环境： 井口为气液混输，高温、高压、大产量、中含CO2 ，中低含H2S 。 2014年1月6日现场调研参数 3）阀门位置的参数一、一、概述概述磨溪8井基本生产参数随时间的变化 一、一、概述概述2. 磨溪磨溪8井井口阀门基本情况井井口阀门基本情况 磨溪8井井口阀门结构示意图 平板阀所处位置 供货：重庆新泰机械

3、有限责任公司 安装时间：2013年8月16日 运行时间：148天流体方向一、一、概述概述 阀门各部分的材料阀门各部分的材料情况编号名称材质1、4、6阀体导板、阀杆螺母、阀盖12Cr132、3阀板、阀座总成12Cr13硬质合金5钢圈3046阀杆7187注脂标牌不锈钢8阀杆密封圈弹簧制动特氟隆组合卧式密封件9锥端紧固螺钉30410、11、12盘根压帽、上、下轴承套35 CrMo13轴承座4514省力机构组件B1双头螺栓42 CrMoB2螺母45B3油杯组件B4、B6O型密封圈NBR（丁腈橡胶）B5推力圆柱轴承组件3. 基本思路基本思路 腐蚀评价重点部位1）对于密封重要部位，应重点关注密封面破坏程度

4、及密封件材料性质变化情况。2）对于强度最弱部位应评价腐蚀程度和速率，对其强度的危害程度。3）对于受流体冲蚀的部位应关注冲蚀程度和速率，最器件破坏的影响程度及潜在的风险。一、一、概述概述二、二、井口手动平板阀腐蚀情况宏观分析井口手动平板阀腐蚀情况宏观分析 2.1 阀门的打开（阀门的打开（1月月9日）日） (a)出厂前的前照片；(b)打开前照片；(c)打开过程照片；(d)阀体的切割 二、二、井口手动平板阀腐蚀情况宏观分析井口手动平板阀腐蚀情况宏观分析 2.2 阀体阀体 2.2 阀体阀体 (a)阀体内部打开照片;(b)阀体内部垢样红外分析;(c) 阀体内未受冲刷位置;(d)阀体内受冲刷位置 二、二、

5、井口手动平板阀腐蚀情况宏观分析井口手动平板阀腐蚀情况宏观分析 2.2 阀体阀体 功能 阀体两侧与采气树和采气管线连接，与阀座和阀板一块提供流体通道。材质 12Cr13含C：0.15，Si：1.00，Mn：1.00 ，S：0.030，P：0.035，Cr：11.5013.50，Ni：含有0.60。经淬火回火后具有较高的强度、韧性，良好的耐蚀性和机加工性能。小结环境：高温高压流动环境，易产生冲刷腐蚀和电化学腐蚀。1）灰白色粘稠物质 成分与暂堵剂一致。2）流体通道内表面3点和9点位置存在严重的马蹄状冲蚀。 二、二、井口手动平板阀腐蚀情况宏观分析井口手动平板阀腐蚀情况宏观分析 2.3 阀体法兰和垫圈阀

6、体法兰和垫圈 功能垫圈放于阀体法兰和采气树法兰之间起到密封作用材质304相当于0Cr18Ni9。C ：0.08，Si：1.00；Mn：2.00；S ：0.030；P ：0.045；Cr：18.0020.00；Ni：8.0010.50。304不锈钢具有优良的不锈耐腐蚀性能和较好的抗晶间腐蚀性能。对有机酸和无机酸具有良好的耐腐蚀能力。具有良好的加工性能和可焊性。小结 1）阀体法兰较为光亮，没有明显腐蚀痕迹。 2）和采气树连接的垫圈没有明显腐蚀痕迹，和采气管线连接的垫圈腐蚀严重。(a)阀门法兰端面照片;(b)和采气树连接的法兰垫圈;(c)和采气管线连接的法兰垫圈 二、二、井口手动平板阀腐蚀情况宏观分

7、析井口手动平板阀腐蚀情况宏观分析 2.4 阀座阀座 。(a) 阀座内部蚀点照片;(b)阀座与阀体连接面二、二、井口手动平板阀腐蚀情况宏观分析井口手动平板阀腐蚀情况宏观分析 2.4 阀座阀座 。功能阀座镶嵌于阀体上，对阀板的运动起到导向作用。材质本体材料12Cr13，与阀板接触面堆焊硬质合金，提高耐磨性和减小表面粗糙度。小结1）腐蚀环境：高温高压腐蚀性流体环境，易产生冲蚀。2）阀座与挡板接触面堆焊硬质合金，表面光亮，无腐蚀和损伤。3）与阀体接触的表面有明显的腐蚀。4）流体通道外边缘存在密集的马蹄形的损伤痕迹，为冲蚀的典型特征。二、二、井口手动平板阀腐蚀情况宏观分析井口手动平板阀腐蚀情况宏观分析

8、2.5 导板导板(a)阀门导板照片（清洗前）；(b)阀门导板照片（清洗后）二、二、井口手动平板阀腐蚀情况宏观分析井口手动平板阀腐蚀情况宏观分析 2.5 导板导板功能介于阀座和阀板之间的薄板，孔与阀座配合固定，用于阀板的导向。材质12Cr13小结1）靠近孔的位置有局部腐蚀发生。2）其余位置表面光亮。二、二、井口手动平板阀腐蚀情况宏观分析井口手动平板阀腐蚀情况宏观分析 2.6 阀板阀板 (a)阀板打开照片（清洗前）；(b)阀板孔内表面；(c)与阀杆螺母连接面照片；(d)阀板侧面照片二、二、井口手动平板阀腐蚀情况宏观分析井口手动平板阀腐蚀情况宏观分析 2.6 阀板阀板 功能通过阀杆螺母与阀杆相连，通

9、过上下位移，实现阀门的开和关。材质12Cr13，起开关作用的表面喷焊硬质合金小结1）阀板与导板接触面堆焊硬质合金，表面光亮，无腐蚀。2）阀板流体通道既有大量的点蚀出现，其他面均匀腐蚀明显。二、二、井口手动平板阀腐蚀情况宏观分析井口手动平板阀腐蚀情况宏观分析 2.7 阀杆螺帽和阀杆阀杆螺帽和阀杆 (a)阀杆螺帽；(b)阀杆（拆下前照片）二、二、井口手动平板阀腐蚀情况宏观分析井口手动平板阀腐蚀情况宏观分析 2.7 阀杆螺帽和阀杆阀杆螺帽和阀杆 功能阀杆螺母通过方形结构连接阀板，通过内螺纹与阀杆相连。阀杆与轴承组件连接，实现传动功能。材质阀杆螺母：12Cr13阀杆：718镍基合金。INCONEL71

10、8合金是含铌、钼的沉淀硬化型镍铁基高温合金，其微观结构为奥氏体组织，具有优良的综合性能，是应用最为广泛的高温合金之一。小结1）腐蚀环境：高温高压静态腐蚀环境具备产生缝隙腐蚀和电偶腐蚀的条件。2）阀杆螺母表现为均匀腐蚀。3）阀杆为718镍基合金，表面光亮，没有明显腐蚀痕迹。二、二、井口手动平板阀腐蚀情况宏观分析井口手动平板阀腐蚀情况宏观分析 2.8 盘根压帽盘根压帽 (a)盘根压帽内表面照片；(b)盘根和垫片表面照片二、二、井口手动平板阀腐蚀情况宏观分析井口手动平板阀腐蚀情况宏观分析 2.8 盘根压帽盘根压帽 功能盘根压帽通过螺纹和阀盖连接，对盘根进行压紧，起到密封作用。材质盘根压帽材质：35C

11、rMo化学成份：C ：0.320.40，Si：0.170.37，Mn：0.400.70，S ：允许残余含量0.035，P ：允许残余含量0.035，Cr：0.801.10，Ni：允许残余含量0.30，Cu：允许残余含量0.30，Mo：0.150.25盘根材质：弹簧制动特氟隆组合唇式密封件小结1）环境：高压静态潮湿酸性环境。2）清洗和打磨后发现压帽上表面有明显的损伤的情况，盘根压帽外表面出现了明显的腐 蚀。3）盘根材料为弹簧制动特氟隆组合唇式密封件，没有发现破损痕迹。 二、二、井口手动平板阀腐蚀情况宏观分析井口手动平板阀腐蚀情况宏观分析 2.9 推力圆柱轴承推力圆柱轴承81210和轴承垫圈和轴承

12、垫圈(a) 推力圆柱轴承；(b)轴承垫圈。 二、二、井口手动平板阀腐蚀情况宏观分析井口手动平板阀腐蚀情况宏观分析 2.9 推力圆柱轴承推力圆柱轴承81210和轴承垫圈和轴承垫圈功能轴承和轴承垫片组合实现，推力滚子轴承用于承受轴向载荷为主的轴、径向联合载荷。材质高温轴承钢小结1）环境：常温常压酸气或大气环境。2）轴承滚珠部分表面光亮，无明显的腐蚀现象 。3）垫圈表面有较严重的局部损伤，怀疑为机械损伤和电化学腐蚀的联合作用。 二、二、井口手动平板阀腐蚀情况宏观分析井口手动平板阀腐蚀情况宏观分析 2.10 上、下轴承套上、下轴承套 (a)上轴承衬套外表面照片；(b)上轴承衬套内表面；(c)下轴承衬套

13、顶面照片；(d)下轴承衬套底面照片二、二、井口手动平板阀腐蚀情况宏观分析井口手动平板阀腐蚀情况宏观分析 2.10 上、下轴承套上、下轴承套 功能与紧定螺丝一块实现轴承的周向、轴向固定的目的。受力组件。材质35CrMo小结1）环境：常温常压酸气或大气环境。2）上、下轴承套的表面均有不同程度的局部腐蚀。压力诱导金属阳极腐蚀。 二、二、井口手动平板阀腐蚀情况宏观分析井口手动平板阀腐蚀情况宏观分析 2.11 弹簧垫片弹簧垫片 功能放于轴承座内接触构件之间起到缓冲和防止松动作用。材质合金钢弹簧垫圈小结1）环境：常温常压酸气或大气环境。2）弹簧金属表面光亮，没有明显的腐蚀迹象。 弹簧垫片二、二、井口手动平

14、板阀腐蚀情况宏观分析井口手动平板阀腐蚀情况宏观分析 2.12 省力机构省力机构 省力机构二、二、井口手动平板阀腐蚀情况宏观分析井口手动平板阀腐蚀情况宏观分析 2.12 省力机构省力机构 功能通过手柄带动斜齿轮旋转，进而带动阀杆转动。材质未知小结1）环境：大气环境。2）表面严重锈蚀（非核心构件）。三、三、磨溪磨溪8 8井井口阀门性能评价分析井井口阀门性能评价分析 3.1 性能评价主要内容 1）在阀门强度最弱部位取样进行腐蚀评价试验和材料成分分析；2）密封最重要部位进行了剖开并分析密封面；3）冲蚀最严重位置测算冲蚀速率；4）开展了法兰密封面和挡板密封面的分析；5）对不同材料接触开展了电偶腐蚀。3.

15、1.1 阀杆和阀盖锥面密封情况阀盖整体剖开后的照片；（b）阀盖锥面密封位置腐蚀状况三三、磨溪磨溪8 8井井口阀门性能评价分析井井口阀门性能评价分析 3.1.2 流体通道冲刷腐蚀情况流体通道冲刷腐蚀情况 磨溪8井井口阀门阀体流道腐蚀情况，(b)磨溪8井井口阀门阀体流道体视显微镜(a) 腐蚀孔侧面体视显微镜照片（深度0.106mm)，(b)腐蚀孔正面体视显微镜照片三、三、磨溪磨溪8 8井井口阀门性能评价分析井井口阀门性能评价分析 3.1.3 成分复核（委托四川大学有资质的材料分析机构分析）成分复核（委托四川大学有资质的材料分析机构分析） 磨溪8井阀板成分分析IFeCSiMnPSMgCr734710

16、.1430.4510.5910.0220.0020.000610.553NiMoCuAlTiVBSn0.0970.0420.0780.0130.0050.0620.00020.006BiAsSbLaCe0.0130.0010.0020.0030.001磨溪8井流体通道成分分析IFeCSiMnPSMgCr712440.1140.7750.3690.0240.0060.000310.287NiMoCuAlTiVBSn0.1230.0560.0660.0640.0150.0540.00020.005BiAsSbLaCe0.0130.0010.0020.0030.001 12Cr13材料的含碳（C）：

17、0.15，硅（Si）：1.00，锰（Mn）：1.00 ，硫（S ）：0.030，磷（P ）：0.035， 铬（Cr）：11.5013.50，镍（Ni）：含有0.60。 三、三、磨溪磨溪8 8井井井井口阀门性能评价分析口阀门性能评价分析 3.1.4 腐蚀产物成分分析腐蚀产物成分分析 2030405060708090?Theta0200400600800100012001400counts/s3.01832.33242.1252.04561.85681.82031.73871.69521.44261.30611.2661.17561.13341.11091.0847 磨溪8井井口阀门阀座XRD图谱

18、2030405060708090?Theta050100150200250300350counts/s2.96932.61332.39382.31612.07232.03081.84151.81131.7251.68431.56161.52471.4361.41641.39391.32031.30251.26091.24221.17221.1351.0574磨溪8井井口阀门流体通道XRD图谱 在2为29.6、38.4、49.1和50.3处有4个较强衍射峰，说明FeS存在。在2为30.4、38.9、49.1和50.4处有4个较强衍射峰，说明FeS存在。三、三、磨溪磨溪8 8井井口阀门性能评价分析

19、井井口阀门性能评价分析 3.1.4 腐蚀产物成分分析腐蚀产物成分分析 2030405060708090?Theta0100200300400500600700counts/s3.66083.11962.99292.67742.55542.50082.27952.18912.1182.08312.04812.03521.82391.80321.7261.67981.62741.58621.54331.53421.49431.47181.43891.33341.30291.27251.24641.21531.18021.15191.13031.0843 磨溪8井井口阀门阀板XRD图谱在2为34.3

20、、35.6、43.5处出现了3个较强的衍射峰，分别对应于碳化钨（001），（100）和（101）这3个晶面。 在2为30.2、39.3、49.1和50.3处有4个较强衍射峰 ，说明FeS存在。三、三、磨溪磨溪8 8井井口阀门性能评价分析井井口阀门性能评价分析 3.1.5 材料的腐蚀性能评价材料的腐蚀性能评价 a. 常压实验常压实验 磨溪8井的水样分析结果，离子浓度如表所示。根据结果，室内自配水（除氯离子浓度达到26505.06mg/L以外，其他阳离子浓度均与上面的分析结果一致）：12Cr13密度为7.75g/cm3 。 试验条件：饱和硫化氢及二氧化碳，常压，温度分别为60、80 ，液相。 NA

21、CE标准RP-0775-91对腐蚀程度的划分分类均匀腐蚀速率（mm/a）点蚀速率（mm/a）轻度腐蚀0.0250.2540.381试验结果：在模拟现场环境下，12Cr13在60和80下的腐蚀速率分别为0.062mm/a，0.085mm/a。 三、三、磨溪磨溪8 8井井口阀门性能评价分析井井口阀门性能评价分析 b. 高压评价实验高压评价实验 静态高压试验，硫化氢分压0.42MPa，二氧化碳分压1.2MPa，通氮气至10MPa，温度为80 。 12Cr13材料静态高压条件下腐蚀速率 12Cr13实验后表面体视显微镜照片三、三、磨溪磨溪8 8井井口阀门性能评价分析井井口阀门性能评价分析 c.电偶腐蚀

22、试验电偶腐蚀试验 (a)718镍基合金（长度不变），(b)12Cr13（长度变化长度变化）静态高压试验条件： 硫化氢0.42MPa，二氧化碳1.2MPa，通氮气至10MPa，温度为80。 不同面积比情况下的腐蚀速率(a)(b)三、三、磨溪磨溪8 8井井井井口阀门性能评价分析口阀门性能评价分析 (a)高温高压实验后12Cr13试样的表面情况；(b)12Cr13表面局部放大图；(c)SEM形貌3倍条件试样表面形貌：三、三、结论和建议结论和建议1）磨溪8井井口PFFA78-105P3-0078-105阀门腐蚀严重部位包括：相对腐蚀较严重的位置序号名称介质腐蚀形态1阀体流体通道气液动态冲蚀2和采气管线连接的法兰垫圈气液动态均匀腐蚀3阀板气液动态点蚀4阀座气液动态内表面点蚀、顶面缝隙腐蚀5阀杆螺母导轨气液静态点蚀和均匀腐蚀6轴承组件湿气静态机械压伤为主，腐蚀辅助7盘根压帽湿气静态顶部的缝隙腐蚀8省力机构空气表面氧化3.1 结论结论三、三、结论和建议结