氟碳咪唑啉季铵盐在油田采出液中对N80钢缓蚀性能研究

2020-06-15黄瑾侯雯雯李延生白福财陈君李芬芬

应用化工 2020年5期

黄瑾，侯雯雯，李延生，白福财，陈君，李芬芬

(1.陕西省石油化工研究设计院，陕西西安 710054；2.陕西省石油精细化学品重点实验室，陕西西安 710054；3.延长油田股份有限公司杏子川采油厂，陕西延安 717400)

油田采出液往往含有Ca2+、Mg2+、S2-、Cl-、H2S、CO2、SRB硫酸盐还原菌等多种化学物质，这些物质对采集输设备有很大的腐蚀性[1]，使设备服役年限缩短，严重会引发事故。咪唑啉缓蚀剂具有化学稳定性、抗静电性、低毒、易降解，特别是在油水介质、强酸介质中对金属具有良好的憎水憎油效果和选择吸附效果，是一种性能优异的缓蚀剂[2-9]，近些年被广泛应用。

本文针对油田采出水的腐蚀介质及性能研究，合成一种具有氟碳咪唑啉季铵盐，同时具有氟碳烷基表面活性剂和咪唑啉阳离子表面活性剂的特点，解决油田采出水对N80钢的腐蚀性，提高设备寿命，减少经济成本[10-14]。

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

全氟辛酸(质量含量≥90%)、二乙烯三胺(质量含量≥99%)均为工业品；石油醚、无水乙醇均为分析纯；腐蚀标准试片(材质N80，尺寸50 mm×1 mm×10 mm)；水磨砂纸(400#、600#)。

MS204S分析天平；V70型红外光谱仪；TSQ型液质联用仪；Reference 3000型电化学工作站。

1.2 氟碳咪唑啉季铵盐的合成

二乙烯三胺和全氟辛酸摩尔比为1∶1加入四口烧瓶内，分别插上温度计、冷凝管、搅拌棒，加入适量二甲苯和催化剂，回流脱水反应9 h。利用真空蒸馏法脱出二甲苯和水，加入摩尔比1∶1的氯化苄，在100 ℃ 左右反应6 h，得到全氟庚基-N-氨乙基咪唑啉季铵盐。反应式如下：

用红外光谱仪(FTIR)、质谱确定其结构，氟碳咪唑啉季铵盐含量用亚甲基蓝两相滴定法测定。

1.3 缓蚀率测试

1.3.1 静态失重法参照(SY/T 5273—2000)油田采出水用缓蚀剂性能评价方法。用不同规格的水砂纸对试片进行打磨抛光处理，用石油醚和无水乙醇去除表面油脂，最后用蒸馏水洗净后干燥。将N80试片浸泡在油田采出液中7 d，温度30～70 ℃。取出试片，去除表面腐蚀产物，干燥称重，计算腐蚀速率。

(1)

式中V——平均腐蚀速度，mm/a；

W——试片实验前重量，g；

W1——试片实验后重量，g；

S——试片表面积，cm2；

t——实验时间，d；

ρ——试片材质密度，g/cm3。

1.3.2 电化学法电化学工作站，采用传统的三电极体系进行测量，工作电极、参考电极和辅助电极分别是N80钢、石墨电极和铂片，工作电极用环氧树脂嵌封，工作面积100 mm2。电极扫描速率1 mV/s，电位扫描范围为±0.6 V；电化学阻抗谱扫描范围为100 kHz～10 MHz，交流激励信号幅值为10 mV。

1.4 分析方法

在氟碳咪唑啉季铵盐溶液中加入酸性亚甲基蓝溶液和氯仿，用十二烷基硫酸钠标准溶液滴定，直至氯仿层与水层显示相同的蓝色。

氟碳咪唑啉季铵盐含量=

[(A-B)×C×M×10/W]×100% (2)

式中A——试样消耗的十二烷基硫酸钠标准溶液用量，mL；

B——空白实验消耗的十二烷基硫酸钠标准溶液用量，mL；

C——十二烷基硫酸钠标准溶液浓度，mol/L；

M——氟碳咪唑啉季铵盐的分子量；

W——试样量，g。

经上式计算，全氟庚基-N-氨乙基咪唑啉季铵盐的含量为85.46%。

2 结果与讨论

2.1 合成物的结构

图1为合成产物红外光谱。

图1 合成产物红外光谱Fig.1 Infrared spectra of the synthesized product

全氟庚基-N-氨乙基咪唑啉的理论分子量481。

由图2可知，该化合物中含有 —CH2—NH2基团，在质谱中很难出现分子峰，一般以M+1峰出现，即482峰。其中42，56，69，85，99，112为咪唑啉基团结构的特征碎片峰；440为M-·CH-CH2-N∶。根据以上分析，该化合物的质谱特征及分子量与理论相吻合。

图2 合成产物质谱图Fig.2 Spectrum of synthetic products

2.2 合成物的缓蚀性能

2.2.1 静态失重法在30～70 ℃ 时，静态失重法测定的不同浓度氟碳咪唑啉季铵盐在油井采出液中对N80钢的缓蚀性能，结果见表1和图3。

表1 不同浓度氟碳咪唑啉季铵盐在油井采出溶液中对N80钢的缓蚀性能Table 1 Corrosion inhibition properties offluorocarbon imidazoline quaternary ammoniumsalt at different concentrations on N80 steelin oil well produced solution

图3 不同浓度氟碳咪唑啉季铵盐在油井采出液中对N80钢的缓蚀率Fig.3 Corrosion inhibition rate of fluorocarbonimidazoline quaternary ammonium salt at differentconcentrations on N80 steel in oil well production fluid

由表1和图3可知，同一种温度下，随着季铵盐浓度的增大，N80钢的腐蚀速率下降，说明氟碳咪唑啉季铵盐覆盖在金属表面，成了稳定的保护膜，能有效抑制金属的腐蚀；随着温度的升高，缓蚀剂性能略有下降，主要是因为氟碳咪唑啉季铵盐物理吸附受温度影响，发生缓蚀剂少量的脱附，但是大多数是与金属表面通过化学吸附结合，所以性能受温度影响较小。

2.2.2 极化曲线 N80钢在添加氟碳咪唑啉季铵盐前后的极化曲线见图4，拟合电化学参数见表2。

图4 N80钢在添加氟碳咪唑啉季铵盐前后的极化曲线Fig.4 Polarization curves of N80 steel before and afterfluorocarbon imidazoline quaternary ammonium salt was added

表2 拟合极化曲线结果Table 2 Results of polarization curve fitting

注：塔菲尔斜率指电位变化值比上电流对数的变化值。

由图4和表2可知，氟碳咪唑啉季铵盐对N80有很强的缓蚀作用，添加氟碳咪唑啉季铵盐后，体系自腐蚀电流密度Jcorr由280 μA/cm2减少到20.8 μA/cm2，体系的自腐蚀电位(Ecorr)由-658 mV增大到-600.1 mV，腐蚀电位正移幅度>30 mV，说明氟碳咪唑啉季铵盐属于阳离子缓蚀剂。