咪唑/甲基丁炔醇复配缓蚀剂对油气输送管道的缓蚀性能研究*

2015-06-09吴红梅高晓明高楼军

化工科技 2015年1期

强娟,吴红梅,高晓明,付峰,高楼军

[1.延安大学化学与化工学院陕西省化学反应工程重点实验室，陕西延安 716000；2.陕西延长石油(集团)有限责任公司永坪炼油厂，陕西延安 716000]

管道已成为石油天然气理想的运输工具，是比较经济、安全、有效的运输手段。从油气供应点到油气场所，管道会经过各种各样复杂的地形，因此管道所处的环境是千变万化的，其输送介质中含有腐蚀性的气体和水就会对输气管道造成严重的腐蚀危害[1]。尤其是金属管道在石油、天然气的开采和输送过程中腐蚀问题日益严重，已成为制约石油化工安全生产和环境保护的重大安全隐患[2]。多年来，缓蚀剂的研究一直是管道防腐研究的重点。炔醇类具有良好的缓蚀性，可以有效地防止金属的氢脆，是高效酸化缓蚀剂的基础组分；它的特点是性能稳定，有很好的加和作用效果，可以防止碳钢在强酸介质中的腐蚀和氢渗透，而且原料便宜，生产成本低，是油气田常用的重要缓蚀剂[3-4]。研究人员发现[5-6]，单独一种缓蚀剂缓蚀效果，远不如2种或多种缓蚀剂混合的缓蚀效果，而且这种效果不是单纯的加合，而是相互促进的结果。因此，缓蚀剂复配逐渐成为腐蚀防护领域研究的热点问题[6-10]。对咪唑啉或咪唑啉衍生物缓蚀剂的复配协同效应，已进行了较多的研究[11]，但是炔醇类与咪唑的复配还没有研究。作者通过咪唑与甲基丁炔醇的复配，充分发挥各种缓蚀组分的作用，解决单组分难以克服的困难，以及研究该复配缓蚀剂在延安地区油气管道腐蚀溶液中的缓蚀效果，延安地区油气管道普遍是N80钢。

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

咪唑：纯度≥99%，天津市福晨化学试剂厂；甲基丁炔醇：AR，阿拉丁化学试剂有限公司；碳酸钠：纯度≥98%，西安化学试剂厂；氯化钙：纯度≥96%，西安化学试剂厂。

恒温水浴：国华KW-1000DC，河北润联机械设备有限公司；电子天平：精确到小数点后4位，北京赛多利斯科学仪器有限公司；扫描电镜：TM3000型，日本日立公司。

实验用的试片为N80、A3钢，规格分别为：50 mm×10 mm×3 mm、76 mm×13 mm×1.5 mm。N80、A3钢的成分见表1。

表1 钢片化学成分 w/%

1.2 实验方法

1.2.2 缓蚀剂的制备

将质量分数0.8%的咪唑和甲基丁炔醇以体积比为100∶10、100∶15、100∶20、100∶25进行复配，依次记为缓蚀剂(1)、缓蚀剂(2)、缓蚀剂(3)、缓蚀剂(4)。

1.2.3 缓蚀剂的缓蚀性能评价

采用静态挂片对缓蚀剂的缓蚀性能进行评价。将一定量的缓蚀剂加入模拟溶液中。将钢片依次用400#、600#金相砂纸打磨光洁，在丙酮中清除油污，用无水乙醇清洗干净后，干燥称重待用。将钢片悬挂于模拟内积水溶液中，在常温条件下腐蚀72h。取出钢片，依次用水、丙酮、无水乙醇反复清洗，除去腐蚀产物，干燥称量，计算腐蚀速率、缓蚀率。用扫描电镜观察钢片在腐蚀实验前后的表面形貌。

钢片腐蚀速率采用式(1)计算[12]。

(1)

式中：vi为试片的腐蚀速度；Ai为试片暴露在腐蚀介质中的表面积；Δt为腐蚀时间；Δmi为试片腐蚀量。

采用缓蚀保护，其保护效率常用缓蚀率来表示：

(2)

式中：η为缓蚀率；v0为未加缓蚀剂时金属的腐蚀速度；v为加缓蚀剂时金属的腐蚀速度。

2 结果与讨论

2.1 不同对N80钢腐蚀行为

图1 不同对N80钢的腐蚀行为

2.2 失重法评价缓蚀剂

2.2.1 缓蚀剂对N80钢的评价结果

表2 复配缓蚀剂对N80钢的缓蚀效果

由表2可以看出，空白组实验时，模拟溶液对N80钢的腐蚀速率为0.059 2 g/m2·h；当在模拟溶液中加入质量分数0.8%的咪唑缓蚀剂时，N80钢的腐蚀速率为0.035 7 g/m2·h，腐蚀速率减少了0.023 5 g/m2·h。当在模拟溶液中分别加入缓蚀剂(1)、缓蚀剂(2)、缓蚀剂(3)和缓蚀剂(4)时，N80钢的腐蚀速率分别为0.007 1、0.010 2、0.015 3、0.015 3 g/m2·h，腐蚀速率都明显减少了。可见，与单一咪唑缓蚀剂相比，腐蚀速率明显减少，咪唑与甲基丁炔醇在抑制腐蚀过程中表现出了协同作用，充分发挥了每种缓蚀组分的作用，提高了缓蚀效果。甲基丁炔醇中三键与金属有较强的结合力使得三键易断裂，然后发生聚合，产生多层聚合膜。含氮化合物咪唑中的极性基团以鎓离子的形式再次吸附在金属的表面。鎓离子带1个单位的正电荷，由于静电引力，鎓离子吸附在金属表面的阴极区，使金属表面带正电荷，于是去极化剂 H+就难接近金属，也可以大大减缓了腐蚀速度。所以将甲基丁炔醇和咪唑配合使用缓蚀效果更佳。

2.2.2 缓蚀剂对A3钢的评价结果

由表3可以看出，空白组实验时，模拟溶液对A3钢的腐蚀速率为0.071 8 g/m2·h；当在模拟溶液中加入质量分数0.8%的咪唑缓蚀剂时，对A3钢的腐蚀速率为0.051 4 g/m2·h,腐蚀速率减少了0.020 4 g/m2·h。当在模拟溶液中分别加入缓蚀剂(1)、缓蚀剂(2)、缓蚀剂(3)和缓蚀剂(4)时，A3钢的腐蚀速率分别为0.004 3、0.006 2、0.006 8、0.009 3 g/m2·h，腐蚀速率都明显减少了；通过表3，得出制备的复配缓蚀剂对A3钢也有同样的协同作用，表现出较好的缓蚀效果。

2.2.3 缓蚀剂对钢片的缓蚀率的影响

为了进一步表达复配缓蚀剂对N80、A3钢的缓蚀效果，分析了复配缓蚀剂对N80、A3钢的缓蚀率，见图2、图3。

缓蚀剂图2 缓蚀剂对N80钢缓蚀率

缓蚀剂图3 缓蚀剂对A3钢缓蚀率

由图2、图3可以明显的得出，复配缓蚀剂的缓蚀率对于N80、A3钢是一致的，为缓蚀剂(1)>缓蚀剂(2)>缓蚀剂(3)>缓蚀剂(4)>w(咪唑)=0.8%缓蚀剂。对于N80钢，复配缓蚀剂的缓蚀率都可以达到74%以上，其中以质量分数0.8%的咪唑和甲基丁炔醇的体积比为100∶10时复配的缓蚀剂缓蚀效果最好，缓蚀率可以达到88%。而对于A3钢，复配缓蚀剂的缓蚀率都可以达到87%以上，同样以质量分数0.8%的咪唑和甲基丁炔醇的体积比为100∶10时复配的缓蚀剂缓蚀效果最好，缓蚀率可以达到94%。