含硫原油对X65钢的腐蚀行为研究*

2020-12-15李其抚黄薇薇王玉彬程磊徐靖岩王晓博

油气田地面工程 2020年12期

李其抚黄薇薇王玉彬程磊徐靖岩王晓博

1中国石油管道科技研究中心

2中国石油山东输油有限公司

海底管道是海上油气输送的主要通道，经济、安全、节能、快捷的优势使其在海上油气田开发及海上油气运输过程中发挥着重要的作用[1]。截至2018 年底，我国已建成超过4 000 km 的海底管道，海底管道的安全运行直接关系到世界油气的正常运转和国内经济发展[2-4]。海底管道在输送含硫原油的过程中由于原油含水量较高很容易造成管道腐蚀，腐蚀不仅会缩短管道的使用寿命，同时因为管道产生腐蚀也会降低管道的输送效率，增加管道的运行维护难度[5-7]。管道的腐蚀甚至可能造成原油泄漏，对周边水体和土壤环境造成严重污染，产生严重的社会危害。我国原油管道改输或者间歇性输送含硫原油（特别是含硫量较高）时，必须考虑各种腐蚀性含硫物质对管道的腐蚀影响，重新标定原有的管道管材在各种含硫原油中的腐蚀速率，合理地评估管道的使用寿命，做到防范于未然[8-11]。

1 实验

实验管材试样选用当前在役输油管道中常用的X65 钢，其化学组成成分（质量分数）如下：C 为0.18%，Si 为0.45%，Mn 为1.55%，P 为0.01%，S为0.01%，V 为0.11%，Nb 为0.05%，Ti 为0.02%，Cu 为0.15%。试样制作的尺寸为50 mm×10 mm×3 mm 的条形。先将其表面进行抛光，然后用无水乙醇清洗，丙酮除油，最后用冷风吹干备用。

实验采用的原油取自渤海湾的海上原油，物性参数见表1。

采用自行研制的原油腐蚀实验装置进行实验，设计最高压力为4.0 MPa，通过高压循环泵将原油从进油管输入实验箱体形成循环流动，最高流速可达5.0 m/s。腐蚀装置内箱箱体分为动态和静态两个实验区，动态实验区的试样架可放置两排，24 个试样，静态实验区的试样架可以放置一排，12 个试样，当进油流速为零时，动态实验区变成静态实验区，装置的结构示意图见图1。

表1 海上原油物性测试结果Tab.1 Physical property test results of marine crude oil

图1 原油腐蚀实验装置结构示意图Fig.1 Structure diagram of crude oil corrosion test device

采用腐蚀试件前后质量的变化来测定X65钢的腐蚀速率，即采用失重法测试腐蚀速率，计算公式为

式中：V为腐蚀速率，mm/a；m1为腐蚀前试样的质量，g；m2为腐蚀后试样的质量，g；ρ为密度，g/cm3；A为试样表面积，cm2；t为腐蚀时间，d。

2 实验结果

将X65钢试片放置于腐蚀实验箱中，充入海上原油，使试片浸泡腐蚀7天，然后取出试片，采用失重法测得腐蚀速率为0.013 mm/a，属于轻微腐蚀程度，采用扫描电镜得到其腐蚀产物分布及点蚀形貌图（图2）。从图2可以看出：腐蚀产物在试样表面分布不均匀，有点蚀坑出现，在点蚀坑位置出现较多腐蚀产物，在显微镜下呈现反白色显示。

将点蚀坑位置出现的腐蚀产物进行EDS 分析，可以看出腐蚀产物中含有较高的氧、氯、硫和金属基体元素，除金属基体元素以外，氧、硫、氯等元素主要来自于腐蚀介质中，由于实验前对腐蚀介质进行了除氧操作，因此腐蚀介质里面含氧量相对较低，所以导致X65管线钢腐蚀的主要原因可归为氧化性硫的作用。在X 射线的能谱可见显著的硫峰，因海水中氯盐含量高，不考虑氯元素的影响。

图2 X65钢在海上原油腐蚀环境中的腐蚀产物分布和点蚀形貌Fig.2 Corrosion product distribution and pitting topography of X65 steel in marine crude oil corrosion environment

为研究硫含量和含水率对X65 钢的腐蚀情况，将海上原油中的水和硫成分都分离出来，再按照一定比例加入活性硫和水，按照质量分数比进行配比，硫含量分别为0.35%、0.64%、1.54%、2.11%、2.92%，含水率分别为0%、0.2%、0.5%、0.7%、1%、2%、3%（其中硫含量和含水率都不高于3%），配置成不同比例的各种原油（按照国内当前长输管道输送脱水含硫原油的比例范围配置），然后对X65 钢试件在不同温度下（常温20 ℃和高温80 ℃，管道输送温度范围内）进行腐蚀试验，分别测试在对应温度下的腐蚀速率（图3、图4）。

从图3、图4 可以看出，在硫含量和含水率均低于3%时，腐蚀速率与硫含量、含水率基本都呈线性递增关系，管输温度范围内温度对腐蚀速率基本没有影响。