清管工艺对防腐蚀酸气管道效果的影响

2021-06-17高秋英耿方志曾文广孙海礁罗立辉

腐蚀与防护 2021年4期

高秋英,耿方志,刘强,曾文广,孙海礁,罗立辉,王赟

(1. 中石化西北油田分公司石油工程技术研究院，乌鲁木齐 830011； 2. 中国石化缝洞型油藏提高采收率重点实验室，乌鲁木齐 830011； 3. 重庆科技学院，重庆 401331； 4. 安科工程技术研究院(北京)有限公司，北京 102209；5. 北京科技大学，北京 100083)

腐蚀是影响全球许多行业经济、安全和环境的一个持久问题。在油气井开采过程中，由于CO2、H2S等腐蚀介质的存在，会对地面集输管线造成严重腐蚀，进而影响油气生产及运输过程中的结构完整性。然而，即使在几乎没有腐蚀产物的循环腐蚀介质中，管线内腐蚀沉积物也很常见。沉积物下腐蚀，通常有利于表面沉积物或腐蚀膜的形成，其在油气田中是普遍存在的。一旦集输管线因腐蚀发生穿孔、开裂等，不仅会影响气田的生产，还会导致环境污染[1-3]。因此，控制集输管线的腐蚀是非常重要的。

目前，抑制管线内腐蚀的常见方法是定期清管和添加缓蚀剂[4]。清管可清除管道中的积水、盐垢和其他固体[5]。清管是对管道内表面进行机械清洗，在使用配有钢刷的清管器条件下，可有效清除管壁上的油垢。然而，有关清管球类型对碳钢腐蚀影响的报道较少，垢下腐蚀是金属腐蚀发展过程中最主要的持续时间最长的腐蚀，且腐蚀产物是影响金属长期腐蚀行为的重要因素[6-7]。本工作通过腐蚀模拟试验及电化学方法研究了20号钢在3种工况下的腐蚀行为，讨论了清管球类型对碳钢防腐蚀性能的影响。

1 试验

1.1 试样及溶液

试验材料为现场使用的20号管线钢，尺寸见图1。试样表面用水磨砂纸(200～800 号)逐级打磨后，用去离子水冲洗，酒精脱水，冷风吹干，随后将其置于30 ℃油田采出水模拟液(成分见表1)中浸泡72 h，采用市售，与管道匹配的过盈量为3%的泡沫清管器和皮碗清管器对试样进行处理，分别记为1号试样(泡沫清管器处理试样)和2号试样(皮碗清管器处理试样)，未处理试样记为空白试样。电化学试验用试样为上述试样背面焊接铜导线。

图1 试样尺寸示意图Fig. 1 Schematic diagram of sample size

表1 油田采出水溶液的成分表Tab. 1 Composition of oilfield produced water solution mg/L

1.2 试验方法

电化学测试在Gamry Interface 600电化学测试系统上完成。采用三电极体系，工作电极为20号钢，辅助电极为铂电极，参比电极为饱和甘汞电极(SCE)。测试时先监控开路电位，待试样开路电位稳定后再进行测量。电化学阻抗谱(EIS)测试频率为0.01～100 kHz、激励信号为10 mV。线性极化电阻(Rp)测试电位为-10～10 mV(相对于开路电位)，扫描速率为0.125 mV/s。

试验结束后取出试样，采用S4800型扫描电子显微镜(SEM)观察试样表面形貌，利用能谱仪(EDS)分析试样表面元素分布，利用OLS4000型激光共聚焦显微镜观察试样表面三维形貌。

2 结果与讨论

2.1 线性极化电阻

由图2可见:当试样表面附着沉积物且未进行清管时，其线性极化电阻(Rp)为108.2 Ω·cm-2，这可能是由于试样表面被固体沉积物覆盖存在垢下腐蚀风险，而采用泡沫清管器和皮碗清管器分别对试样进行清管处理后，Rp值均增大，这说明清管有助于减少管线内部积液和沉积物，进一步阻碍碳钢腐蚀反应的发生。由图2还可见：采用3%泡沫清管器进行一次清管后(1号试样)，Rp值由空白组的108.2 Ω·cm-2增加到439.7 Ω·cm-2;采用过盈量为3%皮碗清管器清管后(2号试样)，Rp值增加到602 Ω·cm-2。该结果表明，在相同过盈量下，皮碗清管球的作用优于泡沫清管球的。

图2 经不同清管器处理后试样的Rp值Fig. 2 Rp of samples after treatment with different pigs

2.2 电化学阻抗谱

由图3(a)可见:3种试样的Nyquist曲线均只表现出了一个容抗弧，表明该体系的动力学过程是由电荷转移控制的[8-10]。另外，容抗弧的形状没有发生变化，说明清管处理对20号钢的腐蚀机理没有影响。在Nyquist图中容抗弧半径低于实际轴线，这可能与电极表面粗糙和不均匀性有关[11]。与空白试样相比，1号和2号试样的容抗弧半径明显更大，这表明清管处理会增加腐蚀反应的阻力，从而降低油气管线的腐蚀风险。

根据Bode图，|Z|0.01 Hz可用于评估碳钢电极的腐蚀速率[11]。由图3(b)可见：空白试样的|Z|0.01 Hz约为90.6 Ω·cm-2，对试样进行模拟清管处理后,|Z|0.01 Hz有所上升，且2号试样的|Z|0.01 Hz增加到629.5 Ω·cm-2。

电化学阻抗谱拟合参数见表2。其中，Rs为溶液电阻，Rct为电荷转移电阻，CPE为恒相角元件，代表双电层的电容特性。Cdl值可由式(1)计算得到[12-13]：

(1)

由表2可见:清管试样的Rs和Rct均大于空白试样的，而Cdl的变化趋势与Rct的相反，这说明清管后管线内残余的积液减少，阻碍了腐蚀性离子在管线内壁附近的电离，使得腐蚀反应发生的阻力增加。因此，清管有助于降低垢及积液对管线的腐蚀。

(a) Nyquist图

(b) Bode图图3 20号钢在不同工况下的EIS结果Fig. 3 EIS results of 20# steel under different conditions: (a) Nyquist plots; (b) Bode plots

表2 EIS的拟合参数Tab. 2 Fitting parameters of EIS

2.3 形貌表征

图4～6可见:空白试样表面附着大量的颗粒状固体，成分主要是盐垢CaCO3，酸洗后可见表面发生了严重的局部腐蚀，按式(2)计算腐蚀速率，此时腐蚀速率为4.3 mm/a。与空白试样相比，1号试样表面的沉积物明显减少，并且表面检测到的Ca元素含量也减少，腐蚀速率也降低,2号试样表面较为平整、划痕清晰可见。同时，沉积垢量较1号试样的明显减少，表面Fe元素含量升高，腐蚀速率为0.67 mm/a，较空白试样的降低了84.42 %。结果表明，相同过盈量下，皮碗清管球的防腐蚀性能低于泡沫清管球的，这也和电化学试验结果一致。