2205双相不锈钢在模拟油田采出液中的点蚀行为

2021-12-13张盈盈张彦军李玲杰郭继银赵玉飞

腐蚀与防护 2021年1期

张盈盈,张彦军,李玲杰,郭继银,赵玉飞,周冰

(1. 中国石油集团工程技术研究有限公司，天津 300451;2. CNPC石油管工程重点实验室涂层材料与保温结构研究室，天津 300451)

随着服役时间的延长，一些老油田的管线腐蚀情况日益严重。对近几年某采油区块的腐蚀穿孔情况进行统计发现，2016年管线腐蚀刺漏达345次，腐蚀穿孔现象非常严重。针对这种情况，该采油区块拟采用2205双相不锈钢(简称2205不锈钢)管线以减缓腐蚀。然而，目前的研究多集中于单相不锈钢或S32750超级双相不锈钢等[1-8]，尚缺乏2205不锈钢在该采油区块腐蚀环境中耐蚀性的相关研究。因此，需针对2205不锈钢在该油田采出液中的腐蚀行为进行评价。

本工作采用动电位扫描法和外加恒定电位下腐蚀电流-温度扫描等方法测试2205不锈钢在油田采出液中的点蚀行为，分析了温度、Cl-浓度以及极化电位对其点蚀行为的影响，确定了2205不锈钢的临界点蚀温度(CPT)，初步评估了其在油田采出液中的腐蚀性和适用性,以期为管线选材提供技术支撑。

1 试验

1.1 试样及溶液

试验材料为市售2205不锈钢，尺寸为φ11.29 mm×30 mm。试样经酒精和丙酮清洗，置于55 ℃浓HNO3溶液中钝化90 min后，一端焊接导线，除1 cm2工作面外，其余表面用环氧树脂密封，用砂纸(200～1 200号)逐级打磨试样工作面后，清洗备用。试验溶液为油田采出液，成分见表1。

表1 油田采出液的成分Tab. 1 Composition of oil production fluid g/L

1.2 试验方法

电化学试验在普林斯顿P2273电化学测试仪上完成。所有电化学测试采用三电极体系，工作电极为2205不锈钢试样，参比电极为带盐桥的饱和甘汞电极(SCE)，辅助电极为铂电极。

点蚀击穿电位采用动电位扫描方法进行测试，扫描范围为-0.15～+1.5 V(相对于开路电位)，试验温度为30,60,80,90 ℃，扫描速率为0.016 7 mV/s。

利用恒电位极化的方法研究了温度对不锈钢点蚀击穿电位的影响，在不同外加恒电位和温度条件下对试样进行扫描,记录腐蚀电流随温度的变化曲线，电流超过100 μA·cm-2时的温度即为2205不锈钢的(临界)点蚀温度,测试温度为30～92 ℃。

利用恒电位极化的方法研究了不同Cl-浓度条件下2205不锈钢的临界点蚀温度，记录腐蚀电流随温度的变化曲线。恒定外加电位为750 mV(相对于开路电位)，测试温度为30～92 ℃。

2 结果与讨论

2.1 不同温度下2205不锈钢的点蚀击穿电位

由图1和表2可见：随着试验温度的升高，2205不锈钢的极化曲线向右下方移动，钝化区间变窄，阳极分支电流密度大幅增大，特别是0.1～1 V极化范围内阳极分支电流密度增大5～6个数量级，表明在阳极极化电位下，材料的腐蚀速率增大。

表2 动电位极化曲线拟合结果Tab. 2 Fitting results of dynamic potential polarization curves

图1 试样在不同温度下的动电位极化曲线Fig. 1 Dynamic potential polarization curves of samples at different temperatures

将动电位极化曲线中阳极电流密度达到100 μA·cm-2时的电位作为点蚀击穿电位(Eb100)，当电位超过Eb100时电流将急剧增大，点蚀迅速萌生和发展。点蚀击穿电位Eb100与自腐蚀电位(Ecorr)的差值为点蚀形核阻力。一般来说，Eb100以及Eb100-Ecorr越大，抗点蚀能力越强。

由极化曲线可见，试样的点蚀击穿电位指标Eb100和Eb100-Ecorr随温度升高显著下降，即温度越高，试样越容易发生点蚀和均匀腐蚀。

2205不锈钢的主要成分为Cr、Ni和Mo，这些元素在不锈钢表面会形成一层致密的钝化膜，这层钝化膜在溶液中存在不断溶解和生成的动态平衡。一般认为Cl-吸附在金属表面并取代钝化膜中的氧[4]，会诱发钝化膜产生缺陷。温度升高，会加速不锈钢表面钝化膜的溶解与重新生成两个过程，由于钝化膜的溶解速度大于形成速度，所以温度升高会导致2205不锈钢表面钝化膜变薄，使点蚀击穿电位Eb100减小，钝化区间变窄。

2.2 不同极化电位下2205不锈钢的点蚀温度

在测试过程中，记录电流密度超过100 μA·cm-2时的温度，此温度为不锈钢的点蚀温度。从图2中可以看出，极化电位为0～300 mV时，温度升高到92 ℃，腐蚀电流仍较小。极化电位为300 mV时，电流密度超过100 μA·cm-2时的温度(点蚀温度)约为61 ℃。极化电位增加到500 mV时，点蚀温度约为58 ℃；极化电位增加到700 mV时，点蚀温度约为47 ℃；极化电位增加到900 mV时，点蚀温度约为45 ℃。

图2 不同极化电位条件下试样的电流-温度曲线Fig. 2 Current-temperature curves of samples at different polarization potentials

极化电位为0～300 mV时，随温度升高，2205不锈钢表面未出现点蚀，原因可能为外加的电流可以修复有缺陷的2205不锈钢表面钝化膜，使蚀点进入休眠状态。随着极化电位的增加，超过Eb100后，不锈钢表面生成了可溶性的高价铬离子，钝化膜产生与修复的平衡过程被破坏，引起钝化膜破坏，使金属发生快速的阳极溶解反应。

2.3 不同Cl-含量溶液中2205不锈钢的临界点蚀温度

改变采出水中的Cl-含量，使其质量分数分别为6%，12%，18%，24%,其余成分保持不变，配置模拟测试液，根据溶液中Cl-含量不同分别记为1Cl，2Cl，3Cl，4Cl溶液。

由图3可见：在一定温度范围内，材料的腐蚀电流稳定在一个极小的范围，表明在该温度范围内试样表面钝化膜完整且能较好地保护材料。随着Cl-含量的增大，材料的临界点蚀温度下降，Cl-有利于加速不锈钢材料发生点蚀。突破临界点蚀温度后，腐蚀电流均急剧增加，升温至约65 ℃时，腐蚀电流不再增加，而是在高位振荡。并且随着Cl-含量的增加，腐蚀速率增速变大。

图3 750 mV外加电位下试样在不同溶液中的腐蚀电流-温度曲线Fig. 3 Corrosion current-temperature curves of samples in different solutions at 750 mV applied potential

根据图3中的测试结果，表3列出了2205不锈钢在不同溶液中的临界点蚀温度。

由表3可见：虽然随着溶液中Cl-含量的增加，2205不锈钢的临界点蚀温度下降，但是下降幅度不大，当Cl-的质量分数由6%增加到24%，临界点蚀温度从55.6 ℃下降至46.0 ℃。出现这种现象的原因可能为当Cl-含量达到一定程度后，Cl-与钝化膜内氧的交换达到平衡，此时Cl-含量的增加，对临界点蚀温度的影响较小。从腐蚀电流密度看，Cl-含量增加，会显著提高2205不锈钢的腐蚀速率。介质中的Cl-吸附在金属表面后，取代钝化膜中的氧，使不锈钢表面钝化膜局部缺氧，阻碍了不锈钢表面新钝化膜的形成，导致不锈钢表面钝化膜的动态平衡被破坏，钝化膜缺陷的生成促进了不锈钢点蚀的发生。在诱发阶段，Cl-含量的增加，会显著增大点蚀萌生的可能，温度升高，也会加速点蚀的产生；当Cl-含量增加到一定程度后，对点蚀的产生影响较小，会显著增大不锈钢的腐蚀速率。