高温高剪切力复杂湿气工况下缓蚀剂的评价

熊荣雷 柳 鹏 刘英坤

（1.中海石油（中国）有限公司湛江分公司，海口 570105；2.安科工程技术研究院（北京）有限公司，北京 102209）

0 前言

缓蚀剂作为针对油气管道内腐蚀的防腐手段之一，其往往可以用于复杂的工况环境。国内主要采用失重法、电化学法对缓蚀剂的性能进行检测，随着检测手段的提高少数学者逐步关注缓蚀剂在金属表面的成膜性能[1]，通过不同方法的联合使用往往会达到解决实际问题的目的。周海晖等[2]采用恒电量法对缓蚀剂的性能进行评价，并把测定结果与失重法进行了比较。任帅等[3]以失重法、电化学与计算相结合的方式对一种咪唑啉类缓蚀剂进行了评价，分析了缓蚀剂的缓蚀机理。刘清云等[4]探讨了天然气缓蚀剂评价必须考虑的各种因素，例如温度、浓度、挥发性、预膜工艺对缓蚀性能的影响。秦俊岭等[5]采用挂片法对气相缓蚀剂在气相和液相中的缓蚀剂效果进行了评价，并提出该方法可供同类工况条件下的气相缓蚀剂评价实验参考。赵海燕等[6]则在研究中指出，先配伍性评价，再电化学评价进一步筛选，最后高温高压釜模拟工况，可以快速筛选出合适的缓蚀剂。

一种咪唑啉类缓蚀剂原应用于一条凝析油管线，现该管线计划改输约半年的湿天然气，输送压力达8～11MPa、CO2含量3.2%、70万方/天，即缓蚀剂将应用于高壁面剪切力的湿天然气环境。另，该管线上游为温度高达98℃的多相流管线，缓蚀剂加注点位于多相流管线的下海管位置。本文对该缓蚀剂在现场复杂工况环境下的应用效果进行实验室评价，一方面需考虑缓蚀剂在经过98℃高温环境后的稳定性，另一方面需考虑缓蚀剂在高剪切力环境下的成膜稳定性和缓蚀效果。

1 试验材料和方法

1.1 缓蚀剂的高温稳定性

实验所用探针元件材质为X65碳钢。实验溶液介质为Cl-含量30343mg/L的NaCl溶液。实验开始前先缓慢通入CO2进行除氧24h，实验过程中不断向溶液中缓慢通入CO2。实验在玻璃电解池中进行，采用传统三电极体系进行电化学测试。工作电极为表面积1cm2的X65试样，参比电极为饱和甘汞电极，对电极为铂电极。使用P4000电化学工作站进行测试。

缓蚀剂性能使用线性极化电阻测试（LPR）来表征。线性极化电阻测试参数为：扫描电位范围为±10mmvs.OCP，扫描速率为0.1667mV/s。通过线性拟合，得出极化电阻值，再利用如下公式计算缓蚀效率：

其中，η为缓蚀效率，Rp0为不加缓蚀剂时的极化电阻，为所测缓蚀剂浓度下的极化电阻。

共开展5组实验，分别为：空白、加注浓度100ppm与500ppm时高温（98℃）以及低温（30℃，湿天然气管线温度）环境下的缓蚀剂性能评价实验，实验参数如表1所示。

表1 电化学测试参数表

1.2 高壁面剪切力环境下缓蚀剂的成膜稳定性

模拟实验在高压高速湿气环路中进行。整个环路的材质为不锈钢，可耐高压，试验段管道内径50mm。环路内部的高速气体由循环风机驱动，溶液和缓蚀剂分别通过各自的计量柱塞泵进行加注。冷却系统位于测试段上游，用来对整个系统进行控温。实验过程中，首先，将溶液和缓蚀剂加注至高速气流中，然后，高速流动的气体将会携带着液体高速通过测试段。测试段中，使用高分辨率电感探针对腐蚀速率进行实时监控。

实验所用探针元件材质为X65碳钢。实验溶液介质为Cl-含量20343mg/L的NaCl溶液。水气比为0.6方/万方。实验开始前先缓慢通入CO2进行除氧24h。实验过程中需不断向溶液中缓慢通入CO2以除氧。模拟CO2分压为0.1184MPa（按照气田CO2含量和压力）。缓蚀剂加注浓度为0ppm、500ppm、1000ppm、2000ppm。模拟70万方/天气量以及降速后的35万方/天气量。已知上述现场工况下，利用软件模拟的液相壁面剪切力分别为38.9Pa、20.5Pa。

2 结果与讨论

2.1 缓蚀剂的高温稳定性

图2为线性极化电阻测试结果。由图可知，不加缓蚀剂时，X65的Rp值在273Ω左右，且随着时间该值变化很小，因此以此值作为计算缓蚀效率时的Rp0。添加100ppm缓蚀剂后，直接在30℃环境下进行测试，Rp值随着时间迅速增大，缓蚀效率也逐渐增大，经过100min后，缓蚀效率达到了99.4%，说明该缓蚀剂在该工况下吸附成膜较快，缓蚀效果良好。

对照组为添加100ppm缓蚀剂后，先加热至98℃保温2h，随后再冷却回30℃进行测试，缓蚀剂性能并未降低，缓蚀剂吸附成膜情况未发生明显变化，缓蚀效率在100min时同样达到了99.4%。

将缓蚀剂浓度增加至500ppm后重复上述实验，其结果与100ppm时类似，98℃下保温2h对缓蚀剂性能并未造成显著不良影响，其缓蚀效率依然可以维持99%以上。综上，两种加注浓度下缓蚀剂经过高温环境考验后再转入低温环境，缓蚀剂性能并未降低，说明缓蚀剂稳定性较好。

2.2 高壁面剪切力环境下缓蚀剂的成膜稳定性

由于软件计算的某时刻的腐蚀速率是通过对该时刻前后1h的数据点进行线性回归计算出来的，那么由其计算的腐蚀速率可能无法很真实的反应各个缓蚀剂浓度下的腐蚀速率。因此，通过计算金属损失率曲线的斜率，可得到较为真实的腐蚀速率。图2为利用电感探针实时监测的不同缓蚀剂加注浓度情况下金属损失量及利用探针软件计算出的腐蚀速率随时间变化图。

根据图2中各试验条件下的曲线斜率计算，得出不同参数条件下的腐蚀速率，如图3所示。70万方/天的输气量（38.9Pa）下，不加注缓蚀剂的腐蚀速率13.04mm/a；加注500ppm缓蚀剂后的腐蚀速率为7.15mm/a；加注1000ppm缓蚀剂后的腐蚀速率为4.05mm/a；加注2000ppm缓蚀剂后的腐蚀速率为2.00mm/a，随着缓蚀剂加注浓度的增加，腐蚀速率呈现下降趋势。对应缓蚀效率依次为45%、69%、85%。当将输气量降低至35万方/天（20.5Pa）时，加注2000ppm条件下的腐蚀速率为1.07mm/a，同比腐蚀速率降低明显。

上述结果说明，缓蚀剂的添加能够有效降低腐蚀速率，且通过增加缓蚀剂浓度，缓蚀剂缓蚀效率一直保持上升趋势，但添加至2000ppm时仍维持在2.00mm/a的较高水平，这可能是因为高剪切力工况环境影响缓蚀剂在金属表面的快速成膜，且加速腐蚀产物膜的剥离，导致缓蚀剂无法满足实际要求。

3 结语

98℃的高温并未影响缓蚀剂的缓蚀效果。缓蚀剂在高剪切力工况环境下，通过不断提高缓蚀剂加注浓度的方式能够逐步降低腐蚀速率，但降低工况环境的剪切力对腐蚀速率的影响最大。