高矿化度环境介质及温度对P110钢电化学腐蚀的影响

金 磊，唐 灿

（西安石油大学机械工程学院，陕西 西安 710065）

设备与自控

高矿化度环境介质及温度对P110钢电化学腐蚀的影响

金 磊，唐 灿

（西安石油大学机械工程学院，陕西 西安 710065）

根据油气田管道易腐蚀、影响因素较多且复杂的特点，本文模拟油气田井下的水环境，利用电化学腐蚀法分别测试了在各种不同矿化度和温度两种条件结合下的P110试样的腐蚀电位和极化曲线。结论显示，在较低矿化度的时候，将温度逐渐增加到最大，试样的腐蚀受到了很大的影响；继续加大矿化度，温度也从最低提高到最大，P110试样受到的腐蚀程度仍然在扩大，但是腐蚀速率明显没有低矿化度时大。继续加大矿化度，在把温度逐渐增加到最大的过程中，发现这些温度点使得P110钢的腐蚀速率反而有了下降的趋势；继续再增加矿化度，温度的变化已经不会对其腐蚀速率产生较大的波动，甚至对腐蚀几乎没有影响。造成这种影响的主要原因是过高的温度和矿化度使P110钢表面产生了腐蚀钝化膜，阻挡了腐蚀的进一步扩大。

P110钢；环境介质 ；温度；矿化度

油气田下的环境是非常恶劣的，油气田底下各个深度的介质成分、pH值、温度以及压力都有很大的差异并且在不停地变化。据统计，油井井下的介质随深度每增加100m，介质温度升高约为2.5℃，使得碳钢在油井下的腐蚀非常严重[1]。P110钢在油气田生产过程中有着很广泛的应用，但是P110钢在生产中的腐蚀问题也非常普遍，所以研究P110钢在油气田生产过程中的腐蚀规律，对碳钢的日常防腐以及降低油气田生产过程中的经济损失有很大的必要性[2]。

碳钢的腐蚀不仅有来自油气田水环境中的高矿物质的影响，还有来自温度方面的影响。Schmitt等[3]认为，碳钢的腐蚀与Mg2+和Ca2+的增加有关，但是也有一些研究认为[4]，增加Ca2+和Mg2+会使钢的腐蚀程度先加快然后逐渐减慢，同时增加Cl-会造成点蚀并且加速腐蚀速率。在温度影响腐蚀方面，Waard等[5]提出，温度在小于60℃时，钢在被腐蚀后的产物膜主要是FeCO3，而且FeCO3容易发生腐蚀；温度达到110℃时，钢的腐蚀表面会生成保护膜，但是在钢局部还是会产生较大的腐蚀；温度在110～150℃之间时，腐蚀产物膜比之前较为密实，同时总体腐蚀程度较快，局部较为突出；温度高于150℃时，钢的腐蚀速率逐渐减小，这时候的腐蚀产物膜主要是FeCO3和Fe3O4，并且腐蚀氧化膜更加致密，不易破坏。本文主要模拟油气田水环境，利用电化学方法，测试不同矿化度和温度对P110钢的腐蚀速率的影响，以及造成这些影响的原因。

1 实验部分

1.1 实验介质与试样准备

模拟某油气田井下地层水的矿化度成分，配制了5种不同浓度的矿化度溶液，测试了P110钢在这5组矿化度溶液中的腐蚀速率。这5种高矿化度溶液所含具体成分见表1。

表1 高矿化度溶液的成分Tab.1 compositions of high mineralized solution

实验前，将实验所用的P110套管钢制成长12mm、宽9mm、高20mm的长方体小块，用铜导线连接，再用环氧树脂涂封其他部分，留下工作表面。接下来试样的工作面依次使用200#～800#砂纸打磨，然后再用无水乙醇清洗表面，晾干后用电子天平称重并记录数据保存备用。

1.2 实验方法

实验采用的是三电极测试体系。工作电极处是P110钢试样，试样工作面表面积大致为1cm2；以饱和甘汞电极作为参比电极（SCE），再以铂电极作为辅助电极。电化学测试利用CS310电化学工作站进行，在常温、40℃、50℃、60℃、70℃这5种温度下，用恒电流法分别测定5种矿化度下的溶液中，P110钢的开路电位曲线以及极化曲线。这5种温度用恒温水浴锅进行控制。

2 实验结果与分析

2.1 温度和矿化度对腐蚀速率的影响

选取表1中的5种溶液作为介质，分别研究从常温～70℃之间P110钢的腐蚀速率，得到的实验结果如图1所示。为了方便起见，将5种矿化度溶液的矿化度进行测量并编号，按矿化度由小到大排列为80.65矿化度、169.63矿化度、214.05矿化度、258.45矿化度和322.4矿化度。从图1可以得到，矿化度为80.65时，在温度增加的时候，钢的腐蚀速率先增大后减小；矿化度为169.63时，随着温度升高，腐蚀速率会变大；矿化度继续升高，随着温度的升高，腐蚀速率逐渐减小，甚至在矿化度高达322.4时，随着温度的升高，腐蚀速率基本维持在一个相对较低的程度，并且温度对腐蚀速率影响波动不大。这也进一步说明了温度会对腐蚀产物膜的特性产生影响[5]。

图1 在温度变化下的腐蚀速率的变化

2.2 极化曲线

极化曲线通常表示极化电流密度或者极化电位与极化电流之间的关系，从极化曲线可以非常清楚地看出电极的极化程度[6]。以常温和70℃时，P110钢在不同矿化度溶液中的极化曲线来进行分析，图2和图3分别是P110钢在常温和70℃时5种矿化度溶液中的极化曲线。由图2和图3的极化曲线可以看出，在常温和70℃时，P110钢的极化曲线存在很大的差异，比较而言，在高温时腐蚀较大一些，但是也存在着抑制作用。矿化度溶液对极化曲线的影响主要是Cl-浓度的变化以及pH值的改变[7]。

图2 P110钢在不同矿化度溶液中的极化曲线

图3 P110钢在不同矿化度溶液中的极化曲线

由图2和图3也可以明显看出，在矿化度为80.65和214.05时，自腐蚀电位向负极移动最明显，同时腐蚀电流密度也在增加，这些变化都说明腐蚀速率在加快[8]，腐蚀最为严重。而矿化度为258.45时移动不明显，说明温度对此时矿化度下的材料腐蚀影响不大。在矿化度高达322.4时，极化曲线向正极移动，说明腐蚀被抑制了，高温和高矿化度阻碍了腐蚀的进行。

2.3 腐蚀产物膜分析

由图1分析可知，在电化学腐蚀过程中，温度会对腐蚀产物膜产生一定的影响，同时不同温度条件下的腐蚀产物膜形态也不一样[9]。这主要是因为在温度较低时，腐蚀产物膜非常不紧密，容易脱落，而在温度较高时，腐蚀产物膜中形成了FeCO3，这使得膜更加紧密，所以腐蚀速率变得很小[10]。将图1、2、3结合起来也可以看出，不光温度对P110钢的腐蚀速率有影响，同时也与矿物质离子有关系，随着矿化度的增加，腐蚀的速率相应减小，这是由于Ca2+和Mg2+会参与形成致密的产物膜[12]，而Cl-只会影响极化曲线腐蚀电位的偏移[11]，不会参与成膜。腐蚀产物膜很大程度上影响了P110钢的腐蚀速率。

3 结论

1）在高矿化度和高温度的综合影响下，P110钢受到电化学腐蚀作用，随着矿化度和温度的增加，开始时腐蚀速率增大，然而矿化度加到最大，腐蚀速率却减小甚至没有了影响，说明促使形成产物膜的阳离子增加了，两者的相互作用使得P110钢试样表面形成了腐蚀钝化膜。

2）在矿物质溶液中，腐蚀产物膜不是由温度和矿化度其中一种因素决定的，两者达到一定程度时，阳离子和温度会参与形成一定的腐蚀产物膜，这些综合原因是造成P110钢腐蚀速率逐渐变低的因素。

[1] 张虎，杜忠泽，刘长瑞，等.环境介质对P110套管钢电化学性能的影响[J].材料热处理技术，2012，8(1)：35-39.

[2] 王倩，马云，屈撑囤，等.油气田水系统钢材腐蚀的电化学研究进展[J].油田化学，2013，(3)：471-476.

[3] 刘长坤，李春福，赵海杰，等.高矿化度油气田盐卤水对碳钢的腐蚀行为研究[J].西南石油大学学报(自然科学版)，2010(2)：154-158.

[4] 李建平，赵国仙，王克松，等.高矿化度油田水中P110油管钢高温高压CO2腐蚀膜特征[J].材料与冶金学报，2004(1)：54-57.

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[6] 闫康平，陈匡民.过程装备腐蚀与防护[M].北京：化学工业出版社，2009.

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[11] 吕祥鸿，樊治海，赵国仙，等. 阳离子对P110钢高温高压CO2腐蚀反应过程的影响[J].腐蚀科学与防护技术，2005(2)：69-74.

[12] 孙建波，柳伟，杨丽颖，等.高矿化度介质中J55钢的CO2腐蚀电化学行为[J].金属学报，2008(8)：991-994.

Influence of High Temperature and Salinity on Electrochemical Corrosion of P110 Steel

JIN Lei, TANG Can
(College of Mechanical Engineering, Xi′an Shiyou University, Xi′an 710065, China)

According to the oil and gas f eld pipeline easier to appear corrosion, the inf uence factors were numerous and complex, the oil and gas f eld underground water environment was simulated, the corrosion potential and polari zation curve under different salinity and different temperatures were studied by method of P110 steel electrochemical corrosion. The results showed that under the low salinity, along with the increased of temperature, P110 s teel corrosion effect changed. With the continuous increase of salinity, under different temperature, the corrosion rates continued to increase. But if continued to increase in salinity , with the increase of temperature, the corrosion rate of P110 steel reduced gradually, and showed a trend of slow corrosion. Continued to increase in salinity, the change of temperature was not on the corrosion rate larger f uctuations, and even had little impact on corrosion. The main reason was the high temperature and salinity could make corrosion f lm formation on material surface.

P110 steel; environmental media; temperature; salinity

TE 983

A

1671-9905(2017)05-0055-03

金磊（1991-），男，西安石油大学在读硕士研究生，电话：17792605368，E-mail: 312069375@qq.com

2017-03-10