試驗與研究

N80油管鋼在模擬油田CO2環境中的腐蝕行為*

葛 睿,張 鈞

(西安石油大學 材料科學與工程學院,西安 710065)

摘 要:為了研究模擬CO2 環境中溫度和CO2 分壓對N80 鋼腐蝕行為的影響,采用失重法和掃描電子顯微鏡分析了試樣的腐蝕速率、腐蝕形態和腐蝕產物膜形貌。結果表明,隨著溫度的升高,N80鋼的腐蝕速率呈先增大后減小的趨勢,90 ℃時達到最大值;溫度較低時,試樣表面附著的腐蝕產物較少,以均勻腐蝕為主;溫度升高,腐蝕產物膜增厚,疏松、不均勻,發生明顯的局部腐蝕;溫度較高時,腐蝕產物膜致密、穩定,又轉變為均勻腐蝕。隨著CO2 分壓的升高,N80 鋼的腐蝕速率逐漸增大,腐蝕產物膜較厚且不完整,局部腐蝕嚴重。

關鍵詞:N80 鋼;CO2 腐蝕;溫度;分壓

0 前 言

隨著油田開發的不斷深入以及CO2 驅油技術的廣泛應用,CO2 腐蝕成為油管失效的主要原因[1]。干燥的CO2 并沒有腐蝕性,但其溶于水生成的碳酸具有較強的腐蝕性,H2CO3 在水中電離,促使鋼材在油田采出介質中發生多重電化學反應,引起鋼材的全面腐蝕和嚴重的局部腐蝕,進而導致油管出現變薄、穿孔等現象,不但給我國石油行業造成了巨大的經濟損失,還會危害人類健康和環境安全[2-4]。影響油管 CO2 腐蝕的因素很多[5-7],主要有管材、溫度、CO2 分壓、介質、pH 值和流速等,其中溫度和CO2 分壓對CO2 腐蝕的影響較復雜。因此,本研究選用常用的N80 油管鋼(以下簡稱N80 鋼),利用高溫高壓反應釜和掃描電子顯微鏡研究了N80 鋼在模擬油田CO2 環境中的腐蝕行為,并分析了溫度和CO2 分壓對其腐蝕規律的影響。

1 試驗方法

本試驗采用N80 鋼,其化學成分見表1。試樣規格為 50 mm×10 mm×3 mm,用水砂紙逐級打磨至1200#,蒸餾水清洗、丙酮除油,冷風吹干后測量尺寸、稱取質量并記錄。試驗溶液為室內配制的油田采出水介質,其離子成分及質量濃度見表2。

高溫高壓腐蝕試驗在TFCZ-25/250 磁力驅動反應釜中進行,將試樣裝入高溫高壓釜內,用高純N2 除氧 2 h 后,升溫至預定溫度(30 ℃、60 ℃、90 ℃和 120 ℃),通入 CO2 至氣體壓力分別為 0.2 MPa、0.3 MPa、0.4 MPa 和0.5 MPa,以0.25 m/s 的線速度反應168 h。

表1 試驗用N80 鋼的化學成分 %

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表2 試驗配制的油田采出水離子成分及其質量濃度

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試驗結束后,用配制的酸洗液(8 g 六亞甲基四胺、100 mL 濃鹽酸,定容至 1 L)超聲清洗試樣5 min,蒸餾水除去表面殘酸,無水乙醇脫水,冷風吹干,干燥后稱重(精確到0.000 1 g)。

由試驗前后試樣的質量損失按式(1)計算3 個平行試樣的均勻腐蝕速率v,

式中:Δm——試驗前后試樣的質量損失,g;

S——試樣的總表面積,cm2

ρ——試樣的密度,g/cm;

t——試驗時間,h。

根據標準NACE SP 0775—2013 判斷N80 鋼的腐蝕程度,結果見表3。采用EVO-MA-25 掃描電子顯微鏡觀察腐蝕膜的微觀形貌,并進行EDS 分析。

表3 NACE SP 0775—2013 標準對腐蝕程度的規定

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2 試驗結果與討論

2.1 腐蝕速率

溫度和CO2 分壓對N80 鋼腐蝕速率的影響如圖1 所示。圖1(a)為 CO2 分壓為 0.2 MPa 時,N80 鋼在不同溫度下的腐蝕速率。隨著溫度的升高,N80 鋼的腐蝕速率呈先增大后減小的趨勢。溫度低于60 ℃時,CO2 在溶液中的溶解度較小[8],N80 鋼發生中度腐蝕,腐蝕速率較小;溫度增大到60 ℃時,CO2 的溶解度開始增大,發生嚴重腐蝕,腐蝕速率大幅度增加;90 ℃時的腐蝕速率達到最大值,為0.483 7 mm/a,屬于極嚴重腐蝕;溫度高于90 ℃后,N80 鋼表面的腐蝕產物膜更加致密[9],對試樣的保護作用增強,腐蝕速率降低,屬于嚴重腐蝕。

圖1(b)為 90 ℃時,N80 鋼在不同 CO2 分壓下的腐蝕速率。隨著CO2 分壓升高,N80 鋼腐蝕速率的增加趨于平緩。CO2 分壓為0.2~0.5 MPa時,CO2 分壓的升高致使其在溶液中的溶解度增大,N80 鋼發生極嚴重腐蝕,腐蝕速率逐漸增大;同時,隨著 CO2 分壓增大,腐蝕產物在試樣表面沉積加快,形成的膜層對試樣的保護作用加強,使腐蝕速率增大的傾向減小[10]

圖1 N80 鋼在不同溫度和不同CO2 分壓下的腐蝕速率

2.2 宏觀腐蝕形貌

CO2 分壓為 0.2 MPa 時,N80 鋼在不同溫度下腐蝕后,去除腐蝕產物后的宏觀形貌如圖2 所示。由圖2 可見,溫度對N80 鋼腐蝕的影響較明顯。30 ℃時 N80 鋼表面平整,無明顯點蝕坑,主要為均勻腐蝕;溫度升高到60 ℃時,出現許多肉眼可見的點蝕坑;90 ℃時發生局部腐蝕,并伴有輕微點蝕;溫度為 120 ℃時,以均勻腐蝕為主,試樣表面未發生明顯局部腐蝕,只有少量機械劃痕。

圖2 N80 鋼在不同溫度下腐蝕后的宏觀形貌

90 ℃時,N80 鋼在不同CO2 分壓下腐蝕后,去除腐蝕產物后的宏觀形貌如圖3 所示。由圖3可見,N80 鋼表面以局部腐蝕為主,隨著CO2 分壓的升高,局部腐蝕越發嚴重。在CO2 腐蝕介質中,試樣表面不能被腐蝕產物膜均勻覆蓋,會促進自腐蝕電偶或閉塞電池的形成[11],從而使局部腐蝕加劇。

圖3 N80 鋼在不同CO2 分壓下腐蝕后的宏觀形貌

2.3 SEM/EDS分析

不同溫度和不同CO2 分壓下N80 鋼表面腐蝕產物的EDS 分析結果如圖4 所示,對應位置的元素分析結果見表 4。由圖4 和表 4 可見,腐蝕產物中的主要元素為C、O 和Fe,并含有少量 Cl、Ca 和 Na,可以推測腐蝕產物膜主要由 FeCO3 和 Fe2O3 構成[12-13],其中還夾雜著少量CaCO3 和 NaCl。FeCO3 為 N80 鋼發生 CO2 腐蝕的主要產物,Fe2O3 為腐蝕產物暴露于空氣后形成的氧化產物,CaCO3 為水質結垢附著試樣表面所致,NaCl 為鹽析后部分粘附于試樣表面的結果,Cl-的存在也是引起點蝕的主要因素之一。

圖4 不同溫度和不同CO2 分壓下N80 鋼表面腐蝕產物的EDS 分析結果

表4 不同溫度和不同CO2 分壓下N80 鋼表面腐蝕產物的EDS 分析位置對應的元素分析結果

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圖5 CO2 分壓為0.2 MPa 時N80 鋼在不同溫度下的腐蝕產物膜的微觀形貌

CO2 分壓為0.2 MPa 時N80 鋼在不同溫度下的腐蝕產物膜微觀形貌如圖5 所示。由于FeCO3的溶解度具有負的溫度效應,溫度越低,腐蝕產物沉積越慢,成膜越困難[14]。由圖 5 可見,30 ℃時,N80 鋼的腐蝕速率小,試樣表面附著少量FeCO3 顆粒;60 ℃時,腐蝕產物生成量增多,均勻覆蓋在試樣表面上,但膜層不致密、疏松多孔,致使腐蝕性離子侵入后繼續腐蝕試樣;90 ℃時,腐蝕產物膜較厚,FeCO3 晶粒粗大,膜層生有孔隙,試樣表面未被完全覆蓋,局部腐蝕嚴重;120 ℃時,FeCO3 晶體排布緊密,生成的腐蝕產物膜致密、完整、附著力強,對試樣的保護作用較強,腐蝕速率降低。

90 ℃時N80 鋼在不同CO2 分壓下的腐蝕產物膜微觀形貌如圖6 所示。由于CO2 分壓升高,促使CO2 在溶液中的溶解度增大,N80 鋼速率增大,腐蝕產物沉積加快,有利于形成較厚的腐蝕產物膜,但CO2 分壓的升高也會導致pH 值降低,不利于形成致密、穩定的腐蝕產物膜[15]。由圖6 可見,N80 鋼表面腐蝕產物較多,膜層較厚,不能完整覆蓋試樣表面,隨著CO2 分壓的升高,腐蝕產物膜出現孔洞、脫落、裂縫以及堆積等現象,膜層致密程度降低,對試樣的保護作用減弱,腐蝕嚴重。

圖6 90 ℃時N80 鋼在不同CO2 分壓下腐蝕產物膜的微觀形貌

3 結 論

(1)CO2 分壓為 0.2 MPa 時,在 30~120 ℃范圍內,N80 鋼的腐蝕速率隨溫度的升高呈先增大后減小的趨勢,90 ℃時達到最大值;90 ℃、CO2 分壓為 0.2~0.5 MPa 時,腐蝕速率隨CO2 分壓的升高逐漸增大。

(2)溫度低于 60 ℃時,N80 鋼以均勻腐蝕為主,90 ℃時發生較嚴重的局部腐蝕,溫度高于 90 ℃后,又趨于均勻腐蝕;CO2 分壓在 0.2~0.5 MPa 時,主要發生局部腐蝕,隨著 CO2 分壓的升高,局部腐蝕越發嚴重。

(3)N80 鋼的腐蝕產物膜主要由 C、O 和 Fe組成,其主要成分是FeCO3 和Fe2O3

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Corrosion Behavior of N80 Tubular Steel in Simulated Oilfield CO2 Environment

GE Rui, ZHANG Jun
(School of Material Science and Engineering, Xi’an Shiyou University, Xi’an 710065, China)

Abstract: In order to study the effects of temperature and CO2 partial pressure on the corrosion of N80 steel in simulated CO2 environment, the corrosion rate, corrosion appearance and morphology of corrosion product film of the samples were analyzed by weight loss method and scanning electron microscope.The results showed that the corrosion rate of N80 steel increased firstly and then decreased as temperature increased, and the peak value of the corrosion rate occurred at 90 ℃.When the temperature was lower, the surface of sample was covered with a slight amount of corrosion products, and the corrosion type was mainly uniform corrosion.With the increase of temperature, the corrosion product film became thicker, loose and uneven,and obvious localized corrosion occurred.When the temperature was higher, the corrosion product film were compact and stable, and the corrosion type was transformed into uniform corrosion.With the increase of CO2 partial pressure, the corrosion rate of N80 steel increased gradually, and the corrosion product film was thicker and incomplet with severe localized corrosion.

Key words: N80 steel; CO2 corrosion; temprature; partial pressure

中圖分類號:TG172

文獻標識碼:A

DOI: 10.19291/j.cnki.1001-3938.2019.8.001

*基金項目:西安石油大學 《材料科學與工程》 省級優勢學科資助項目(項目編號YS37020203);陜西省自然科學基礎研究計劃(項目編號2016JM5064)。

作者簡介:葛 睿 (1992—),女,碩士研究生,主要從事金屬材料的腐蝕與防護研究。

收稿日期:2018-11-12

編輯:謝淑霞

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