油田集输管线电化学腐蚀及防护研究

2020-08-23王建国

当代化工 2020年7期

摘要：油田集输管线电化学腐蚀问题严重影响管线系统的使用寿命，为解决这一问题，对油田集输管线电化学腐蚀现象进行了评价。采用油田集输管线中常应用的316L不锈钢作为实验对象，利用不同质量浓度的氯离子对316L不锈钢腐蚀，通过扫描电镜和能谱分析得到质量浓度为10 g·L^-1与50 g·L^-1氯离子侵蚀下的316L不锈钢微观形貌，具体分析得知，10 g·L^-1氯离子对316L不锈钢侵蚀较轻，然而随着氯离子浓度的增加，氯离子对316L不锈钢侵蚀随之增加，在氯离子质量浓度为50 g·L^-1时，316L不锈钢腐蚀现象严重。在此基础上，根据油田集输管线电化学腐蚀情况提出了相应的防护措施。

关键词：集输管线;电化学;腐蚀;防护;氯离子;微观形貌

中图分类号：TE988 文献标识码： A 文章编号： 1671-0460（2020）07-1309-04

Research on Electrochemical Corrosion and Protection

of Oilfield Gathering Pipelines

WANG Jian-guo

（Daqing Oilfield Co.， Ltd.， Fourth Oil Production Plant Infrastructure Project Management Center，

Daqing Heilongjiang 163511， China）

Abstract： The electrochemical corrosion problem of oilfield gathering and transportation pipelines seriously affects the service life of pipeline systems. To solve this problem， the electrochemical corrosion phenomenon of oilfield gathering and transportation pipelines was evaluated. The 316L stainless steel commonly used in oilfield gathering and transportation pipelines was used as the experimental object. The 316L stainless steel was corroded with different concentrations of chloride ions， and the morphology of 316L stainless steel corroded by 10 g·L-1and 50 g·L-1 chloride ions was obtained by scanning electron microscope and energy spectrum analysis. Specific analysis results showed that 10 g·L-1 chloride ion lightly corroded 316L stainless steel. However， as the chloride ion concentration increased， the corrosion of 316L stainless steel by chloride ion increased. When the chloride ion concentration was 50 g·L-1， 316L stainless steel was seriously corroded. At last， corresponding protective measures were proposed based on the electrochemical corrosion conditions of oilfield gathering and transportation pipelines.

Key words： Gathering and transportation pipeline; Electrochemistry; Eorrosion; Protection; Chloride ion; Micro-morphology

隨着石油需求量的增加，石油开采量增长迅速，管道输送具有安全、运行成本低等优点，被广泛应用到流体输送中。在石油运输中，管道腐蚀是现阶段重点的研究内容，主要分为内部腐蚀和外部腐蚀，其中内部腐蚀是因为目前大多数油田都处于开采后期，油田进入高采出比、高含水阶段，油田中的油水分离难度较大，含水、含盐增加，酸值升高，增加了原油的腐蚀性。外部腐蚀是指油田集输管线大部分被埋在地下，长期运输过程中，会受到管输介质、土壤以及杂散电流等的影响，腐蚀管线，造成管壁变薄，甚至引发穿孔泄漏事故的发生，导致管道失效。若油田输管线发生问题，不仅会引起严重的经济损失，还会对环境造成严重的影响，从而危害人们的身体健康。据了解，很多油田输送管道仅仅使用2～3年就会因为腐蚀而不能继续使用，大大降低了设备的使用寿命，并增加设备的运行费用，对油田的正常开采工作造成影响。因此，对油田集输管线的腐蚀研究非常重要，此次重点研究油田集输管线电化学腐蚀现象。电化学腐蚀就是金属与电解质组成两个电极，组成腐蚀原电池，不纯的金属与电解质溶液相接触时，比较活泼的金属失去电子而被氧化，即为电化学腐蚀。此次试验重点研究了质量浓度为10 g·L^-1和50 g·L^-1的氯离子对316L不锈钢腐蚀情况，并通过研究结果提出了相应的防护措施，从而为油田管线保护提供参考。

1 实验

1.1 材料

实验选取某油田的原油，其集输式样分析数据如表1所示。

分析表1可知，除了试样1以外，其他样品的阴离子含量均較高，其中含量最多的是Cl^-，是腐蚀管道的重要因素之一，另外SO₄^2-离子^[1]的质量浓度也较高，因此选用试样1对不锈钢内侵蚀。

此次研究的重点研究对象为管线中的不锈钢内衬部分，实验材料为316L不锈钢^[2]，该材料取自某油田现场。316L不锈钢属于奥氏体不锈钢，耐蚀性能较为优越，已经广泛应用到油田地面集输管线^[3]的铺设。316L不锈钢显微组织金相图如图1所示。

分析图1可知，该不锈钢的奥氏体组织较为均匀，无明显缺陷，由于该试样原材料为轧制而成的板材，因而组织有轻微的曲线变化。

在实验前，对实验钢做如下处理：

将316L不锈钢进行切割，并用砂纸逐级打磨，利用卡尺测量钢片的长宽高;用丙酮溶液浸泡316L不锈钢，去除316L不锈钢表面的油污;将316L不锈钢浸泡在质量分数分别为25%、50%、75%和100%的无水乙醇中，脱水15 min;上述步骤完成后，等到钢片干燥后称取其重量，以供实验使用。

对于316L不锈钢来说，氯离子是诱发腐蚀的重要因素之一，因此选择相对腐蚀^[4]较轻的氯离子质量浓度10 g·L^-1条件和氯离子质量浓度最高的50 g·L^-1作为研究条件。

1.2 方法

1.2.1 电化学实验准备

采用电化学阻抗测量^[5]方法，该方法测量得到的阻抗和导纳为频率的函数，阻抗实体对虚部作图，能够得到阻抗复平面图^[6]。

电化学腐蚀试验采集式样为10 mm×10 mm正方形316L钢，实验时将试样上端与绝缘外皮的铜导线相连，利用环氧树脂^[7]包覆其他非工作面，只露出电极的工作面，再用离子水和酒精冲洗工作面，吹干等待实验，根据上述方法制成的工作电极用来化学实验。实验中，测量的频率范围^[8]为10⁵～10^-2Hz，并将测量试样放置在密封测量瓶中，确保测量过程中的溶液处于厌氧状态^[9]。主要应用到的实验仪器如表2所示。

在电化学测量中，测量316L不锈钢在浸泡不同时间的电化学阻抗谱，为了保证电化学测量中瓶内溶液始终处于厌氧状态，利用石蜡将测量瓶密封

1.2.2 显微分析

实验后的316L不锈钢形貌特征的观察使用电子显微镜观察，并利用X射线能谱仪^[10]分析316L不锈钢点蚀坑主要元素的变化。

2 结果讨论

点蚀是对油田集输管线危害较大的腐蚀形式，氯离子是导致输管线发生点蚀的重要因素之一。质量浓度为10 g·L^-1与50 g·L^-1氯离子侵蚀下的316L不锈钢微观形貌由扫描电镜和能谱分析得到。图2为氯离子质量浓度为10 g·L^-1时的316L不锈钢微观形貌。

分析图2可知，在腐蚀坑的位置旁氧、铝、铁等元素都发生了改变。图3为氯离子质量浓度为

50 g·L^-1时的316L不锈钢微观形貌。

分析图3可知，氯离子对316L不锈钢的影响非常大，为使实验结果更加直观，在下面步骤做详细分析。

图4为不同氯离子浓度条件下的316L不锈钢的电化学阻抗谱。

分析图4可知，两种氯离子浓度下的电化学阻抗普均为单容抗弧结构，相比之下，氯离子质量浓度为10 g·L^-1时不锈钢的容抗弧直径较大，说明质量浓度为10 g·L^-1时不锈钢的耐腐蚀性能较好。由于316L不锈钢的腐蚀产物膜为双层结构，因此对腐蚀性能进一步分析，分析结果如表3所示。

分析表3可知，随着氯离子浓度的增加，溶液电阻值Rs减小，说明溶液的导电性能提高，并且外层电阻均有减小，说明钝化膜因为氯离子金属离子形成溶盐或者络合物，从而使316L不锈钢发生破坏。综上所述，上述分析与不锈钢的电化学阻抗谱得到的结果一致，说明随着氯离子浓度的提高，会增加316L不锈钢的腐蚀情况。

3 油田集输管线电化学腐蚀防护措施

3.1 油田集输管线电化学腐蚀内部防护

在上述腐蚀现象分析完成的基础上，提出相应的防护措施。向油田集输管线中添加缓蚀剂，在管线中添加缓蚀剂可增强腐蚀反应需要的活化能，并在金属表面形成保护膜，减慢腐蚀速率，阻碍电

荷^[11]转移，同时降低穿孔数量。除此之外，在管道内使用内涂层技术，由于单独使用阴极保护时保护电流较大，保护费用高，应采用涂层对其防护。涂层选取应选取附着力^[12]好、抗渗透性强和机械性能高的涂料。但是由于涂层本身具有一定的缺陷，在长期使用中，涂层逐渐产生针孔^[13]，从而造成介质与金属表面的接触，使裸露部分的金属与涂层形成局部电池，造成局部严重腐蚀。所以将涂层与阴

极^[14]保护结合，以弥补涂层的缺陷，防止涂层发生劣化现象，减少单独使用时出现不利因素。

3.2 油田集输管线电化学腐蚀外部防护

电化学保护分为阴极保护和阳极保护，电化学保护适用于腐蚀严重的管道中，考虑到管线输送的实际情況，采用两种方法结合的方法进行保护。阴极防护，分为牺牲阳极的外阴保护法和外加强制电流的阴极保护法。牺牲阳极的阴极保护法，主要将电位低和活性强的金属或合金接在管道的外壁上，作为阴极，主要是接收电子，与电化学反应的阳极结合，从而对管道保护，主要的材料包括镁合金、铝合金和锌合金。外加强制电流的阴极保护法，将管道的金属端^[15]与外加直流电源连接，正极与辅助阳极相连接。连接后管道与阳极之间产生电位差，从而保护作为阴极的管道。该方法的保护距离相对较长，操作简单，受其他散电流的影响小。

排流保护，由于管道中存在杂散电流，因此采用排流的方式降低对管线的腐蚀性，主要包括直接排流法、极性排流法、强制排流法和接地排流法。直接排流主要利用导线连接管道和铁轨，不需要其他设备的帮助，适用于顺流情况;极性排流法与强制排流法需要借助不同的设备，以将管道与铁轨连接。

通过上述保护措施，防止和抑制管线腐蚀现象的发生。

4 结束语

此次研究重点分析了油田集输管线中的腐蚀成分以及影响因素，并在此基础上，提出有效的解决办法。基于此次研究的实验结果，经过综合对比可知，氯离子质量浓度为10 g·L^-1时不锈钢的容抗弧直径较大，说明质量浓度为10 g·L^-1时不锈钢的耐腐蚀性能较好。而随着氯离子质量浓度增加到50 g·L^-1时，对不锈钢的影响较大，增加了不锈钢的腐蚀情况。虽然此次研究取得了一定的研究成果，但是仍然存在一些问题需要改进，在后续的研究中重点研究以下两部分：第一，在涂层的选择上，没有详细选择，在后续选择中应先进行附着力测试、耐腐蚀浸泡等，以选择应用效果好的防护涂层;第二，实验材料的选择上具有一定的局限性，虽然接近了实际工况的使用条件，但是还存在一定的不足。因此，在后续的研究中做更加深入的研究，以完善对油田集输管线腐蚀性能评价方案。

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