油田采油管線防護途徑研討

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本文作者：張鳳華、徐艷飛、李飛、趙杉 單位：遼寧石油化工大學化學與材料科學學院

根據某油田采出水組成特點配制腐蝕介質，具體組成見表1。實驗把取自渤海的海水作為腐蝕介質，密封保存，備用。參照SY／T0026－1999《水腐蝕性測試方法》、JB／T7901－1999《金屬材料實驗室均勻腐蝕全浸試驗方法》和GB／T6461－2002《金屬基體上金屬和其他無機覆蓋層經腐蝕試驗后的試樣和試樣評級》等標準，在模擬的腐蝕介質中放入掛片，一定溫度下恒溫336h，計算掛片的腐蝕速率。

將掛片放入模擬采出水中，腐蝕周期為336h，考察溫度60℃時，在模擬油田采出水中考察Cl－的質量濃度變化對20＃碳鋼、滲鋁碳鋼和滲鋅碳鋼的腐蝕速率的影響，結果如圖2所示。從圖2中可以看出，20＃碳鋼、滲鋁碳鋼和滲鋅碳鋼隨著Cl－質量濃度的增大，腐蝕速率呈現出不斷增大的趨勢。這是由于溶液的電導率和溶解氧兩個主要因素起作用，而溶液的電導率與Cl－質量濃度有關。其中Cl－是對試片腐蝕影響最大的陰離子，其次Ca2＋，Mg2＋的存在增大了溶液的礦化度和離子強度。起初Cl－質量濃度對20＃碳鋼及滲鋁碳鋼的腐蝕并不是很強烈，原因是Cl－吸附能力強，它大量吸附在金屬表面，部分取代了吸附在金屬表面的H＋，HCO－3等去極化劑離子，因而腐蝕減緩［5］。隨著介質中的Cl－質量濃度的升高，促進20＃碳鋼、滲鋁碳鋼等金屬的腐蝕，由于它們優先被金屬吸附，并將氧氣從金屬表面排擠掉，由于氧氣決定著金屬的鈍化狀態，Cl－和氧氣爭奪金屬表面上的吸附點，甚至可以取代金屬中的鈍化離子，與金屬形成氯化物，氯化物與金屬表面的吸附并不穩定，形成了可溶性物質，這樣導致了腐蝕的加速，當Cl－含量較高時，在陽極區，導致一般坑蝕的蔓延，另外由于Cl－半徑較?。ㄆ潆x子半徑為1．81×10－10m），易穿透保護膜，使腐蝕加劇，產生局部腐蝕。從圖2中可以看出，滲鋅碳鋼在不同Cl－質量濃度下的腐蝕速率要低于20＃碳鋼和滲鋁碳鋼。

采用2．1中的工藝條件，在模擬油田采出水中考察Ca2＋質量濃度變化對20＃碳鋼、滲鋁碳鋼和滲鋅碳鋼的腐蝕速率的影響，結果如圖3所示。從圖3中可以看出，介質中Ca2＋含量越高，腐蝕越嚴重，試驗現象對應的是腐蝕鋼片表面越黑。圖3中的腐蝕實驗數據為全面腐蝕速率，不能直接反映局部腐蝕情況，由此表現為隨Ca2＋含量的增大，鋼的腐蝕速率起初變化不明顯，但當局部腐蝕十分嚴重時，導致失重明顯增大，由失重計算的全面腐蝕速率提高。另外，滲鋁和滲鋅碳鋼在介質中腐蝕速率明顯低于20＃碳鋼，是介質中含有可能使Ca2＋產生沉淀的陰離子（HCO－3），另外由于鋅的電極電勢比鐵的更低，在腐蝕介質中起到了犧牲陽極保護陰極的作用，從而起到了腐蝕防護的作用。由此可見，隨著Ca2＋含量的增大，20＃碳鋼、滲鋁碳鋼及滲鋅碳鋼的腐蝕速率起初變化不明顯，但當局部腐蝕十分嚴重時，導致失重明顯增大，由失重計算的全面腐蝕速率提高，所以腐蝕速率曲線呈現上升趨勢。Ca2＋對試樣的腐蝕行為是由下述原因決定的：一方面，Ca2＋的存在，增大了水溶液的硬度，使離子強度增大，導致了HCO－3分解所產生CO2溶解在水中的亨利常數增大，在其它條件不變的情況下，Ca2＋含量的增加，使溶液中的CO2含量減少；另一方面，Ca2＋含量的增加會使溶液中結垢傾向增大，由此會加速垢下腐蝕，以及腐蝕產物膜與缺陷下暴露基體金屬間的電偶腐蝕［6－7］，上述兩方面的影響作用，使得全面腐蝕速率隨介質中Ca2＋含量的增加而降低，但加大了局部腐蝕。

采用2．1中的工藝條件，在模擬油田采出水中考察HCO－3的質量濃度變化對20＃碳鋼、滲鋁碳鋼和滲鋅碳鋼的腐蝕速率的影響，結果如圖4所示。從圖4中可以看出，隨溶液中HCO－3質量濃度的增加，20＃碳鋼的腐蝕速度呈現先降后增的趨勢。在HCO－3質量濃度為350mg／L時，腐蝕速率最低；當油田采出水中的HCO－3質量濃度達到500mg／L時，20＃碳鋼的腐蝕速度明顯增大。這是因為HCO－3質量濃度較低時，它可以作為陰極的去極化劑，加速了20＃碳鋼腐蝕的陰極反應過程，使碳鋼腐蝕速率增大［8］。滲鋁碳鋼和滲鋅碳鋼的腐蝕速率與HCO－3質量濃度的關系基本上呈現增長的趨勢。正常情況下在HCO－3質量濃度較高時，則可減緩腐蝕，這是由于高質量濃度的HCO－3可在金屬表面與Fe反應形成一層鈍化膜，使鋼鐵處于鈍化狀態，從而降低了腐蝕速率。但是油田采出水中存在Cl－并且其質量濃度很高，由于Cl－的強侵蝕性，使HCO－3形成的鈍化膜易造成局部破壞而產生點蝕；被破壞的區域與鈍化區域形成大陰極小陽極的腐蝕電池，使被破壞的區域點蝕速度加快。

將掛片放入模擬采出水中，腐蝕周期為336h，考察溫度變化對20＃碳鋼、滲鋁碳鋼和滲鋅碳鋼的腐蝕速率的影響，結果如圖5所示。從圖5中可以看出，隨著溫度的升高，20＃碳鋼、滲鋁碳鋼和滲鋅碳鋼腐蝕速率略有增加。這是因為溫度的升高使腐蝕反應的速率增大，在3種掛片表面產生大量的腐蝕產物，根據腐蝕介質和掛片表面成分的不同，腐蝕速率隨溫度變化有很大差別［9］。隨著溫度的逐漸升高，滲鋁碳鋼掛片表面的腐蝕產物變得疏松，并且隨著腐蝕試驗的進行，腐蝕產物逐漸脫落，腐蝕速率明顯增加。進行化學清洗后的20＃碳鋼和滲鋁碳鋼均有不同程度的點蝕和較大面積的顏色變化，滲鋅碳鋼在試驗周期內，隨著溫度的升高，表面除了小面積輕微的顏色變化外，沒有其他腐蝕特征。2．5海水加速腐蝕試驗從以上的實驗數據可知，滲鋅碳鋼的腐蝕速率隨著試驗條件的改變基本可以控制在石油行業標準規定的管線金屬材料腐蝕速率小于等于0．076mm／a以內，其在油田采出水系統中的耐蝕性明顯好于20＃碳鋼和滲鋁碳鋼。為了得到其在油田采出水系統中更為明顯的防腐效果，建立了更為苛刻的腐蝕環境，把取自渤海的海水作為腐蝕介質，作為加速腐蝕試驗。試驗周期為336h，分別考察在不同溫度下3種試片在海水中的腐蝕性能。從圖6中可以看出，20＃碳鋼、滲鋁碳鋼和滲鋅碳鋼的在海水中的腐蝕速率與油田采出水中相比都明顯增加。根據在實驗過程中記錄的實驗現象來看，3種掛片出現腐蝕現象的時間縮短，滲鋁碳鋼表面附著疏松的紅棕色的銹跡，滲鋅碳鋼表面有小面積的變黑。但綜合分析，滲鋅碳鋼性能還是優于滲鋁碳鋼。在海水介質中出現這種現象主要是海水中的Cl－能阻礙和破壞金屬的鈍化，海水腐蝕的陽極過程容易進行；Cl－容易吸附在金屬表面形成強電場，使金屬離子易于溶出，與金屬生成氯的絡合物，加速金屬溶解；Cl－還能減少陽極極化阻滯，造成海水對金屬的高腐蝕性；海水中存在大量的Cl－，更容易造成點蝕的縫隙腐蝕［10］。

改變幾種不同因素考察了20＃碳鋼、滲鋁碳鋼和滲鋅碳鋼在模擬油田采出水和海水的腐蝕介質中的腐蝕規律，在模擬油田采出水和海水加速試驗中只有滲鋅碳鋼的腐蝕速率可以控制在石油行業標準規定的管線金屬材料腐蝕速率小于等于0．076mm／a以內。通過掛片腐蝕現象出現的時間、腐蝕溶液狀態變化、掛片表面腐蝕情況和腐蝕速率綜合比較，滲鋅碳鋼在油田采出水中的防腐性能優于滲鋁碳鋼和20＃碳鋼。