油井管硫化氢腐蚀研究进展

2019-03-02赵培琪

云南化工 2019年12期

赵培琪

（西安石油大学，陕西西安 710065）

油田建设对油井管的需求量巨大，涉及石油的开采与运输。钻杆、钻铤、套管和油管等都属于油井管[1]。油井管在油田中应用广泛，如果管材腐蚀程度严重，可能会造成断裂等后果，影响油田生产的整体经济效益，所以油井管能否正常服役很大程度上影响着油田的生产能否正常运行。

油井管的腐蚀形式复杂多样，硫化氢腐蚀是其中常见的一种腐蚀。目前，人们普遍认为湿硫化氢腐蚀导致管道及设备破裂的缺陷能大大降低设备的使用寿命[2]。为了避免发生严重的腐蚀事故，进一步研究影响油井管硫化氢腐蚀的因素是十分必要的。

1 影响因素

油井管硫化氢腐蚀是一个复杂的过程，受多种因素的交互影响，失效方式也有很多，以下将讨论硫化氢分压、介质温度、pH 值、介质流速、氯离子浓度等因素对油井管硫化氢腐蚀的影响。

1.1 硫化氢分压

当硫化氢分压极低和极高时，腐蚀速率相对较低，腐蚀相对均匀，并且局部会出现腐蚀点；当硫化氢分压处于中间范围时，有局部腐蚀的特征，产物膜附着力低，会出现大片产物膜脱落的现象。由于腐蚀产物膜的影响，腐蚀速率会有一个峰值。硫化氢气体在水中的溶解度与温度呈负相关，随着硫化氢分压的增加，溶液pH 值降低，腐蚀速率增加，表面腐蚀产物膜中的硫化亚铁比例也相应增加。硫化氢的作用使得试样表面优先形成不致密的硫化亚铁膜，吸附性差，致使腐蚀速率迅速增加。腐蚀产物呈蜂窝状，疏松多孔，附着力低，轻轻触碰即可被剥落，保护性极低。当硫化氢分压继续增加时，腐蚀产物主要为硫化亚铁，其比例逐渐增加，膜层越来越致密，附着能力变强，油井管的腐蚀速率也越来越低。

1.2 温度

温度对油井管硫化氢腐蚀有着重要影响。一些研究工作证实硫化氢腐蚀存在敏感温度，硫化氢气体的溶解度会随着温度的升高而下降，会降低溶液的酸性，但是同时氢离子的扩散会随着温度的升高而更加剧烈，会加速氢致开裂，因此会出现一个敏感性最大的温度。硫化氢气体在250℃以下腐蚀性相对较弱。湿硫化氢气体在30℃时，钢铁表面生成的是无保护性的铁硫化合物。硫化氢饱和水溶液在50℃下生成的铁硫化合物保护性较差，湿硫化氢气体在100℃时，生成少量硫化亚铁，对钢材几乎没有保护性能。但当温度达到130℃左右时，生成保护性较好的铁硫化合物。

1.3 pH 值

有文献指出[3]， pH 值是影响固液两相冲刷腐蚀的一个重要因素。在实验范围内，当pH 值较低时，钢材以均匀腐蚀为主；随pH 值增加而减小；pH 值增大后，冲刷腐蚀速率减小，钢材表面出现氧化现象。因此可以得出，pH 值的大小对钢材硫化氢腐蚀有着很大的影响。pH 值越低，溶液中氢离子浓度越大，使得硫化物应力腐蚀断裂的概率升高。pH 值为6 是一个临界值，当pH 小于6 时，硫化氢溶液呈强酸性，具有较强的腐蚀性；随着pH 值的增大，硫化氢溶液的腐蚀性明显减弱；直至pH 值大于9，此时硫化氢溶液基本上已经没有腐蚀性。

1.4 介质流速

介质的流速对硫化氢腐蚀的影响主要体现在介质对表面腐蚀产物膜的冲刷作用上。较高流速的介质会对金属产生很高的切应力，会冲刷表面腐蚀产物，破坏腐蚀产物膜，使得腐蚀介质与钢材的接触面积增加，加快了硫化氢溶液向钢材表面的扩散，增加腐蚀速率。反应生成的腐蚀产物随即被冲刷掉，加剧对钢材基体的腐蚀。较高流速状态下的携砂介质会对油井管造成较为严重的冲刷腐蚀。介质流速对缓蚀剂也有很大影响，当介质流速过高时，缓蚀剂无法与钢材基体表面充分接触，导致其失去缓蚀作用。但是，流速很低时，主要发生电化学腐蚀，局部腐蚀效果明显。流速是影响H2S 腐蚀的非常重要的因素之一，因此在工程设计中要充分考虑介质流速对腐蚀的影响。

1.5 氯离子浓度

在油井管服役环境中，油田采出液往往会伴随多种离子，其中氯离子是对H2S 腐蚀影响比较大的一种。氯离子活化能力很强，因此，油井管服役环境中若含有氯离子，氢脆现象会更加严重。氯离子吸附能力很强，极易吸附在油井管表面，使油井管表面腐蚀产物很容易脱落，加大接触面积，加速管道的腐蚀。研究发现[4]，当油井管腐蚀最严重时，H2S 溶液中氯离子浓度为0.85mol/L。如果氯离子浓度很高，氯离子能够置换掉吸附在钢材表面的硫化氢和硫氢根离子，使反应速率降低。

除上述因素外，油井管的H2S 腐蚀还受到油气中氧含量、材料的硬度和强度、材料的微量元素含量等因素的影响。