油田采油管线防护途径研讨

本文作者：张凤华、徐艳飞、李飞、赵杉 单位：辽宁石油化工大学化学与材料科学学院

根据某油田采出水组成特点配制腐蚀介质，具体组成见表１。实验把取自渤海的海水作为腐蚀介质，密封保存，备用。参照ＳＹ／Ｔ００２６－１９９９《水腐蚀性测试方法》、ＪＢ／Ｔ７９０１－１９９９《金属材料实验室均匀腐蚀全浸试验方法》和ＧＢ／Ｔ６４６１－２００２《金属基体上金属和其他无机覆盖层经腐蚀试验后的试样和试样评级》等标准，在模拟的腐蚀介质中放入挂片，一定温度下恒温３３６ｈ，计算挂片的腐蚀速率。

将挂片放入模拟采出水中，腐蚀周期为３３６ｈ，考察温度６０℃时，在模拟油田采出水中考察Ｃｌ－的质量浓度变化对２０＃碳钢、渗铝碳钢和渗锌碳钢的腐蚀速率的影响，结果如图２所示。从图２中可以看出，２０＃碳钢、渗铝碳钢和渗锌碳钢随着Ｃｌ－质量浓度的增大，腐蚀速率呈现出不断增大的趋势。这是由于溶液的电导率和溶解氧两个主要因素起作用，而溶液的电导率与Ｃｌ－质量浓度有关。其中Ｃｌ－是对试片腐蚀影响最大的阴离子，其次Ｃａ２＋，Ｍｇ２＋的存在增大了溶液的矿化度和离子强度。起初Ｃｌ－质量浓度对２０＃碳钢及渗铝碳钢的腐蚀并不是很强烈，原因是Ｃｌ－吸附能力强，它大量吸附在金属表面，部分取代了吸附在金属表面的Ｈ＋，ＨＣＯ－３等去极化剂离子，因而腐蚀减缓［５］。随着介质中的Ｃｌ－质量浓度的升高，促进２０＃碳钢、渗铝碳钢等金属的腐蚀，由于它们优先被金属吸附，并将氧气从金属表面排挤掉，由于氧气决定着金属的钝化状态，Ｃｌ－和氧气争夺金属表面上的吸附点，甚至可以取代金属中的钝化离子，与金属形成氯化物，氯化物与金属表面的吸附并不稳定，形成了可溶性物质，这样导致了腐蚀的加速，当Ｃｌ－含量较高时，在阳极区，导致一般坑蚀的蔓延，另外由于Ｃｌ－半径较小（其离子半径为１．８１×１０－１０ｍ），易穿透保护膜，使腐蚀加剧，产生局部腐蚀。从图２中可以看出，渗锌碳钢在不同Ｃｌ－质量浓度下的腐蚀速率要低于２０＃碳钢和渗铝碳钢。

采用２．１中的工艺条件，在模拟油田采出水中考察Ｃａ２＋质量浓度变化对２０＃碳钢、渗铝碳钢和渗锌碳钢的腐蚀速率的影响，结果如图３所示。从图３中可以看出，介质中Ｃａ２＋含量越高，腐蚀越严重，试验现象对应的是腐蚀钢片表面越黑。图３中的腐蚀实验数据为全面腐蚀速率，不能直接反映局部腐蚀情况，由此表现为随Ｃａ２＋含量的增大，钢的腐蚀速率起初变化不明显，但当局部腐蚀十分严重时，导致失重明显增大，由失重计算的全面腐蚀速率提高。另外，渗铝和渗锌碳钢在介质中腐蚀速率明显低于２０＃碳钢，是介质中含有可能使Ｃａ２＋产生沉淀的阴离子（ＨＣＯ－３），另外由于锌的电极电势比铁的更低，在腐蚀介质中起到了牺牲阳极保护阴极的作用，从而起到了腐蚀防护的作用。由此可见，随着Ｃａ２＋含量的增大，２０＃碳钢、渗铝碳钢及渗锌碳钢的腐蚀速率起初变化不明显，但当局部腐蚀十分严重时，导致失重明显增大，由失重计算的全面腐蚀速率提高，所以腐蚀速率曲线呈现上升趋势。Ｃａ２＋对试样的腐蚀行为是由下述原因决定的：一方面，Ｃａ２＋的存在，增大了水溶液的硬度，使离子强度增大，导致了ＨＣＯ－３分解所产生ＣＯ２溶解在水中的亨利常数增大，在其它条件不变的情况下，Ｃａ２＋含量的增加，使溶液中的ＣＯ２含量减少；另一方面，Ｃａ２＋含量的增加会使溶液中结垢倾向增大，由此会加速垢下腐蚀，以及腐蚀产物膜与缺陷下暴露基体金属间的电偶腐蚀［６－７］，上述两方面的影响作用，使得全面腐蚀速率随介质中Ｃａ２＋含量的增加而降低，但加大了局部腐蚀。

采用２．１中的工艺条件，在模拟油田采出水中考察ＨＣＯ－３的质量浓度变化对２０＃碳钢、渗铝碳钢和渗锌碳钢的腐蚀速率的影响，结果如图４所示。从图４中可以看出，随溶液中ＨＣＯ－３质量浓度的增加，２０＃碳钢的腐蚀速度呈现先降后增的趋势。在ＨＣＯ－３质量浓度为３５０ｍｇ／Ｌ时，腐蚀速率最低；当油田采出水中的ＨＣＯ－３质量浓度达到５００ｍｇ／Ｌ时，２０＃碳钢的腐蚀速度明显增大。这是因为ＨＣＯ－３质量浓度较低时，它可以作为阴极的去极化剂，加速了２０＃碳钢腐蚀的阴极反应过程，使碳钢腐蚀速率增大［８］。渗铝碳钢和渗锌碳钢的腐蚀速率与ＨＣＯ－３质量浓度的关系基本上呈现增长的趋势。正常情况下在ＨＣＯ－３质量浓度较高时，则可减缓腐蚀，这是由于高质量浓度的ＨＣＯ－３可在金属表面与Ｆｅ反应形成一层钝化膜，使钢铁处于钝化状态，从而降低了腐蚀速率。但是油田采出水中存在Ｃｌ－并且其质量浓度很高，由于Ｃｌ－的强侵蚀性，使ＨＣＯ－３形成的钝化膜易造成局部破坏而产生点蚀；被破坏的区域与钝化区域形成大阴极小阳极的腐蚀电池，使被破坏的区域点蚀速度加快。

将挂片放入模拟采出水中，腐蚀周期为３３６ｈ，考察温度变化对２０＃碳钢、渗铝碳钢和渗锌碳钢的腐蚀速率的影响，结果如图５所示。从图５中可以看出，随着温度的升高，２０＃碳钢、渗铝碳钢和渗锌碳钢腐蚀速率略有增加。这是因为温度的升高使腐蚀反应的速率增大，在３种挂片表面产生大量的腐蚀产物，根据腐蚀介质和挂片表面成分的不同，腐蚀速率随温度变化有很大差别［９］。随着温度的逐渐升高，渗铝碳钢挂片表面的腐蚀产物变得疏松，并且随着腐蚀试验的进行，腐蚀产物逐渐脱落，腐蚀速率明显增加。进行化学清洗后的２０＃碳钢和渗铝碳钢均有不同程度的点蚀和较大面积的颜色变化，渗锌碳钢在试验周期内，随着温度的升高，表面除了小面积轻微的颜色变化外，没有其他腐蚀特征。２．５海水加速腐蚀试验从以上的实验数据可知，渗锌碳钢的腐蚀速率随着试验条件的改变基本可以控制在石油行业标准规定的管线金属材料腐蚀速率小于等于０．０７６ｍｍ／ａ以内，其在油田采出水系统中的耐蚀性明显好于２０＃碳钢和渗铝碳钢。为了得到其在油田采出水系统中更为明显的防腐效果，建立了更为苛刻的腐蚀环境，把取自渤海的海水作为腐蚀介质，作为加速腐蚀试验。试验周期为３３６ｈ，分别考察在不同温度下３种试片在海水中的腐蚀性能。从图６中可以看出，２０＃碳钢、渗铝碳钢和渗锌碳钢的在海水中的腐蚀速率与油田采出水中相比都明显增加。根据在实验过程中记录的实验现象来看，３种挂片出现腐蚀现象的时间缩短，渗铝碳钢表面附着疏松的红棕色的锈迹，渗锌碳钢表面有小面积的变黑。但综合分析，渗锌碳钢性能还是优于渗铝碳钢。在海水介质中出现这种现象主要是海水中的Ｃｌ－能阻碍和破坏金属的钝化，海水腐蚀的阳极过程容易进行；Ｃｌ－容易吸附在金属表面形成强电场，使金属离子易于溶出，与金属生成氯的络合物，加速金属溶解；Ｃｌ－还能减少阳极极化阻滞，造成海水对金属的高腐蚀性；海水中存在大量的Ｃｌ－，更容易造成点蚀的缝隙腐蚀［１０］。

改变几种不同因素考察了２０＃碳钢、渗铝碳钢和渗锌碳钢在模拟油田采出水和海水的腐蚀介质中的腐蚀规律，在模拟油田采出水和海水加速试验中只有渗锌碳钢的腐蚀速率可以控制在石油行业标准规定的管线金属材料腐蚀速率小于等于０．０７６ｍｍ／ａ以内。通过挂片腐蚀现象出现的时间、腐蚀溶液状态变化、挂片表面腐蚀情况和腐蚀速率综合比较，渗锌碳钢在油田采出水中的防腐性能优于渗铝碳钢和２０＃碳钢。