X80管线钢在不同矿化度油田采出液中的腐蚀行为研究*

2019-03-22张骁勇王吉喆

焊管 2019年2期

张萌，张骁勇，王吉喆

（西安石油大学材料科学与工程学院，西安710065）

近几年来，油田管道泄漏事件时有发生，主要是因为油田开发后期，采出液含水率逐年上升，成分日趋复杂，矿化度也普遍偏高，采出水的离子浓度和CO2含量增加，介质腐蚀性增强，这些因素的存在对管线钢产生了严重腐蚀，并造成了严重的经济损失[1-3]。

集输管道常用的材料为20 钢，但许多研究表明20 钢抗腐蚀性能差，点蚀现象严重，腐蚀失效事件时有发生[4-5]，而X80 钢由于合金元素Mo、 Ni 及Cr 的添加使其具有良好的强度和韧性，耐蚀性能也高于20 钢，是目前国内使用的最高级别的管线钢，已广泛应用于西气东输二线工程，但对其是否能应用于原油集输管道方面的研究较少。

因此，本研究以X80 管线钢为对象，对X80 钢在不同矿化度油田采出液中的腐蚀行为进行研究，掌握其腐蚀规律和腐蚀机理，以期为原油集输管道的选材及后续的研究提供帮助。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料与腐蚀溶液

试验材料为国产X80 管线钢，加工成尺寸为50 mm×10 mm×3 mm 试样，化学成分见表1。腐蚀介质为长庆油田某区块采出液，模拟液按照表2实际产出水的成分分别用400 mL 去离子水和不同量的分析纯试剂与600 mL 原油混合配置。现场采出水的矿化度约80 g/L，试验溶液矿化度值分别为20 g/L、 40 g/L、 60 g/L、 80 g/L、 100 g/L。

表1 X80 管线钢化学成分 %

表2 长庆油田某区块产出水成分 mg·L-1

1.2 试验方法与装置

试验在容积2.3 L 的两釜联动C276 磁力驱动高温高压反应釜进行。试验前，将试样各面用600#、 800#、 1200#和1500#金相砂纸逐级打磨，每道打磨至将前一道打磨的划痕消失，然后用丙酮除油、去离子水清洗、无水乙醇脱水及冷风吹干，称重、并编号，放置于真空干燥器中备用。

按试验设定的油水比例，将试样、介质装入高温高压釜内，然后将装有试样的夹具固定在釜的旋转轴上，用酒精擦拭密封面，迅速用釜盖密封反应釜，通入N2除氧2 h。除氧完成后，设定反应温度为60 ℃，调节转速为397 r/min，待温度升至接近60 ℃时开始通入CO2至所需压力，关闭CO2阀门，观察一段时间，待CO2分压稳定后通入N2至总压为6 MPa，关闭N2阀门，观察约0.5 h，待总压稳定后开始计时，反应时间为120 h，每组平行试样4 个。

试验结束后，将4 个试样从反应釜中取出，浸泡于丙酮中除油，再用去离子水清洗，无水乙醇脱水，冷风吹干，完善编号与备注，将其中的3 个试样取出，用配置好的清洗液（即100 mL 盐酸+（6～8）g 六亚甲基四胺+蒸馏水定容到10 00 mL的混合液）浸泡5 min，轻拭腐蚀产物，去污粉清洗，再用自来水冲洗。然后用NaOH 溶液浸泡30 s 去酸，并用毛刷在自来水下清洗，无水乙醇脱水，冷风吹干，在真空干燥器中放置12 h，待质量恒定后，用精度为0.1 mg 的电子分析天平称重，并根据公式（1）计算腐蚀速率。

式中：

ω0—试样腐蚀后的质量，g；

ω—试样腐蚀前的质量，g；

A—挂片试样的表面积，cm2；

T—腐蚀时间，h；

ρ—试样相对密度，g/cm3。

用JSM-6390A 型扫描电子显微镜观察腐蚀产物和去除腐蚀产物后试样的表面形貌，用其附带的能谱仪和XRD－6000 型X 射线衍射仪（XRD）对腐蚀产物的成分进行分析。

2 试验结果与讨论

2.1 矿化度对平均腐蚀速率的影响

大量试验研究表明，原油含水对碳钢的CO2腐蚀行为有显著的影响[6-9]。方晓君等[10]认为水含量低于40%和流速大于1.5 m/s 时，原油对钢的腐蚀具有一定的保护作用。王世杰[11]研究的两种材料原油含水率在低于50%时，平均腐蚀速率都非常小。因此本试验选取含水率为40%来突出对比矿化度对X80 钢腐蚀性的影响。

图1 为X80 管线钢在含水率为40%时，不同矿化度（20g/L、 40g/L、 60g/L、 80g/L、 100 g/L）原油中的平均腐蚀速率。从图1 可以看出，试验中X80 钢的平均腐蚀速率都高于NACE RP-0775-91 标准值（＞0.254 mm/a），属于极严重腐蚀，说明X80 钢在高矿化度含水原油中的抗腐蚀性能较差。且随着介质溶液矿化度的增加，X80 管线钢的平均腐蚀速率整体呈降低趋势，当矿化度大于60 g/L 后，平均腐蚀速率急剧降低。X80 管线钢在不同矿化度介质溶液中的腐蚀形貌如图2 所示，由图2 腐蚀形貌可以看出，矿化度为100 g/L 时，试样表面腐蚀相对轻微。

图1 X80 管线钢在不同矿化度介质溶液中的腐蚀速率

研究表明，介质中的Cl-会加速碳钢的腐蚀，因为Cl-增加了溶液的导电性，减小了溶液的极化阻抗，并使溶液中H+活度加大，Cl-浓度增大，介质电导率增加，使腐蚀加速[4]。而从图1 中可以看出，随着矿化度的增加，X80 钢的腐蚀速率减小。这是因为当离子浓度很高时，离子大量吸附在金属表面起到保护作用，从而抑制反应进行，使腐蚀速率降低[12]，当矿化度大于60g/L 后，离子浓度极高，结垢倾向增强，形成致密的离子保护膜抑制反应进行，从而腐蚀轻微，腐蚀速率急速减小，因此控制矿化度有助于降低腐蚀速率。

图2 X80 管线钢在不同矿化度介质溶液中的腐蚀形貌

2.2 矿化度对腐蚀形态的影响

由图2 发现，当矿化度为20 g/L 时，试样表面发生严重局部点蚀，腐蚀坑大且深。结合图1分析，当矿化度在20 g/L 与60 g/L 之间时，腐蚀速率虽有降低，但降低幅度不大；从图2 （b）与图2 （c）可以看出，试样表面的腐蚀程度相差不大；当矿化度大于60 g/L 后，腐蚀形态发生转变，试样表面的点蚀坑数量增多，但尺寸和大小随之减小，腐蚀坑分布相对均匀；矿化度达到100 g/L，试样表面发生轻微的均匀腐蚀，可见试样表面清晰的划痕。由此可见，随着介质溶液矿化度的增加，试样钢表面的腐蚀形态呈现严重局部点蚀→轻微点蚀→均匀腐蚀的变化规律，60 g/L 可视为其腐蚀形态转变的临界矿化度。

2.3 矿化度对腐蚀产物膜的影响

腐蚀后X80 管线钢的腐蚀产物膜表面SEM形貌如图3 所示。当介质溶液矿化度为100 g/L时，试样表面局部覆盖一薄层腐蚀产物，可见砂纸打磨的痕迹，腐蚀轻微（图3 （e））；当矿化度为80 g/L 时，部分产物脱落（图3 （d）），可看到试样表面腐蚀产物膜较图3 （e）增厚但相差不大；当矿化度为60 g/L 时，产物膜部分堆积（图3 （c）），晶粒大小与产物膜致密度不均匀，随着矿化度降低，产物膜致密度与晶粒大小趋向均匀化；当矿化度为40 g/L 时，产物膜厚度也同样增加（图3 （b））；而当矿化度为20 g/L时，局部脱落暴露出内层膜，可见内层腐蚀产物疏松多孔，产物膜极厚，腐蚀最严重（图3 （a））。

对图3 （a）中标记部位腐蚀产物膜进行能谱分析，其EDS 分析结果见表3，XRD 分析结果如图4 所示。由表3 可知，腐蚀产物膜主要包含Fe、 Ca、 C 和O 以及少量的Mn 等元素。其中，C+O+Ca 与Fe 元素含量比例约为1 ∶2。由图4可知，腐蚀产物主要由FeCO3构成，还含有少量的Fe、 CaCO3以及Fe2O3。当试样脱离腐蚀环境暴露在空气中，FeCO3可氧化分解成Fe2O3。