一种席夫碱对碳钢缓蚀作用的电化学评价*

2022-10-08苏铁军邓仕英

广州化工 2022年17期

苏铁军，邓仕英，习伟

(长江大学工程技术学院，湖北荆州 434020)

酸化压裂技术利用酸液对岩石胶结物或地层孔隙内堵塞物等的溶解和溶蚀作用，来恢复或提高地层孔隙和裂缝渗透性，达到油气井增产、注水井增注的目的[1]。但酸化过程中，酸液会对地面管路和井筒管壁产生严重的腐蚀[2]。为了减缓酸液对施工设备的腐蚀，需要在酸化工作液中加入缓蚀剂。通常认为含有N、P、S等杂原子的有机物能吸附于金属管材的表面，起到对管材的缓蚀作用[3]。席夫碱是一类含有C=N双键结构的有机分子，能提供π电子和空轨道，能通过配位作用吸附于碳钢表面[4]，被认为是一种具有较大潜力的油田酸化类缓蚀剂[5]。本工作以N-萘乙二胺和肉桂醛为原料，制备了一种席夫碱产物 (简称NEC)，采用极化曲线和电化学阻抗方法考察了NEC在盐酸中对N80钢的缓蚀作用。

1 实验部分

电化学试验采用三电极体系，其中工作电极为环氧树脂包裹的N80钢挂片，辅助电极为铂电极，参比电极为饱和甘汞电极。极化曲线测量的电位扫描范围为-0.8～-0.2 V，扫描速度为0.5 mV·s-1；电化学阻抗测试频率范围为0.01～100 kHz，交流激励信号幅值为5 mV。

2 结果与讨论

2.1 极化曲线测试结果

在NEC的浓度为0～0.50 mmol·L-1范围内所做的极化曲线见图1所示，自腐蚀电位、腐蚀电流密度和Tafel斜率的拟合结果见表1所示。随着NEC浓度的升高，极化曲线显著向低电流方向移动：空白体系中的腐蚀电流密度为811.8 μA·cm-2，当NEC浓度达到0.25 mmol·L-1时，腐蚀电流密度为78.8 μA·cm-2，继续将NEC浓度增大到0.5 mmol·L-1时，腐蚀电流密度可进一步降至57.0 μA·cm-2，但下降幅度已明显减缓。这表明当NEC浓度达到0.25 mmol·L-1时，NEC的N80钢表面的吸附已趋于饱和。空白酸液中，阴极Tafel斜率(bc)为117.2 mV·dec-1，阳极Tafel斜率(ba)为89.4 mV·dec-1；当加入NEC后，阴极Tafel斜率(bc)在123.0～125.1 mV·dec-1之间变化，阳极Tafel斜率(ba)在93.0～123.6 mV·dec-1之间变化。可见加入NEC后，阴极和阳极的Tafel斜率均有不同程度的上升，这表明加入NEC的体系对阴极反应和阳极反应均有极化作用[5]。从表1中还可看出，与空白酸液中的自腐蚀电位相比，加入NEC后自腐蚀电位略向低电势方向移动。因此，可以认为NEC是一种以阴极控制为主的混合型缓蚀剂。

图1 不同浓度NEC的极化曲线

表1 不同浓度NEC下的极化曲线参数

2.2 电化学阻抗测试结果

电化学阻抗测试所得的Nyquist散点图见图2所示。从图2可以直观看出，Nyquist图由一个处于高频区的较大容抗弧和一段处于低频区的阻抗线构成，其中高频区的容抗弧与电荷转移电阻，低频区的阻抗线与扩散阻抗有关。据此设计了如图3所示的等效电路，其中Rs为溶液电阻， CPE为常相位角元件，Rct为电荷转移电阻，WR为扩散阻抗。据此拟合所得的各项参数见表2所示。

图2 不同浓度NEC的Nyquist 图

图3 等效电路

从表2可见，与空白酸液相比，随着NEC浓度的增大，双电层电容(CPE-P)、电荷转移电阻(RCT)和扩散阻抗(WR)的变化情况如下：(1) 当NEC为0.25 mmol·L-1，双电层电容由21906 μF·cm-2下降到41.9 μF·cm-2，这反映了NEC能通过取代水分子的方式吸附于N80钢的表面。这是由于NEC的介电常数较大，当NEC取代水分子后，引起了双电层电容的下降[6]。但继续将NEC的浓度增大到0.5 mmol·L-1时，双电层电容值基本保持不变，可见当NEC为0.25 mmol·L-1，NEC在N80钢的表面已趋于饱和吸附，这与极化曲线法的实验结果所反映的变化规律是相符的。(2)当NEC浓度达到0.5 mmol·L-1时，电荷转移电阻由97.9 Ω·cm2增大到1509.0 Ω·cm2，表明NEC吸附于N80钢的腐蚀反应活性位点后，极大地抑制了电荷转移过程，减缓了N80钢的腐蚀；同时扩散阻抗由18.4 Ω·cm2上升到255.3 Ω·cm2，这可能是因为在酸液中NEC以质子化形式存在而带上正电荷[6]，质子化的NEC将与带同种电荷的氢离子之间存在静电排斥作用，从而对作为腐蚀粒子的氢离子向N80钢表面的扩散产生了阻止作用，这同样有利于减缓N80钢的腐蚀。