呼倫貝爾油田注水系統(tǒng)腐蝕機(jī)理探討

劉 威 鄭潤芬 智春生 大慶油田工程有限公司

呼倫貝爾油田注水系統(tǒng)腐蝕機(jī)理探討

劉 威 鄭潤芬 智春生 大慶油田工程有限公司

為解決呼倫貝爾油田注水系統(tǒng)管線及設(shè)備腐蝕問題，指導(dǎo)相應(yīng)防腐措施的實(shí)施，針對(duì)典型作業(yè)區(qū)開展注水系統(tǒng)腐蝕機(jī)理研究。通過考察防膨劑主要組分和溶解氧對(duì)水質(zhì)腐蝕性的影響，并結(jié)合各腐蝕因素對(duì)腐蝕速率影響程度的分析，總結(jié)出呼倫貝爾油田注水系統(tǒng)的腐蝕機(jī)理為：防膨劑中的Cl-、NH4+的水解產(chǎn)物以及溶解氧共同作用，加大了水質(zhì)的腐蝕性?，F(xiàn)場作業(yè)區(qū)可依據(jù)以上腐蝕機(jī)理，控制注水系統(tǒng)中的溶解氧含量，有針對(duì)性地研究緩蝕劑配方或選擇防腐材質(zhì)和涂層，制定出經(jīng)濟(jì)有效的防腐措施。

呼倫貝爾油田；注水；腐蝕；防膨劑；溶解氧

呼倫貝爾油田自2001年開發(fā)以來，由于興安嶺地層水敏性強(qiáng)，注入水中需要投加防膨劑，以防止地層中的黏土膨脹。但防膨劑的加入使得部分區(qū)塊地面設(shè)施的腐蝕問題突出，特別是注入水系統(tǒng)，管道、閥門的腐蝕和穿孔頻繁[1]。開展呼倫貝爾油田注水系統(tǒng)內(nèi)腐蝕機(jī)理研究，可指導(dǎo)相應(yīng)防腐措施的實(shí)施，為降低設(shè)備更換和施工費(fèi)用，防止因腐蝕導(dǎo)致的事故提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)部分

試驗(yàn)地點(diǎn)選取呼倫貝爾油田腐蝕嚴(yán)重且最具代表性的某作業(yè)區(qū)，對(duì)該作業(yè)區(qū)聯(lián)合站注水系統(tǒng)水質(zhì)和腐蝕情況進(jìn)行調(diào)研，并對(duì)現(xiàn)場腐蝕穿孔的管道進(jìn)行分析。

1.1 防膨劑

對(duì)防膨劑主要成分進(jìn)行XRD分析，并進(jìn)行半定量計(jì)算，得出防膨劑主要由氯化銨、氯化鈉和鹽酸甲胺組成，氯化銨占防膨劑含量的88%。在室內(nèi)室溫下采用靜態(tài)掛片法研究防膨劑主要成分對(duì)腐蝕速率的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖1。由圖1可知，加入NaCl后，腐蝕速率僅增加7.4%。而NH4Cl的加入使水質(zhì)腐蝕速率增加到原來的2.5倍，NH4+的存在嚴(yán)重影響腐蝕速率。

圖1 防膨劑中不同成分對(duì)腐蝕速率的影響

表1 驗(yàn)證對(duì)腐蝕速率影響所用溶液離子濃度mg/L

表1 驗(yàn)證對(duì)腐蝕速率影響所用溶液離子濃度mg/L

離子含量Cl-NH4NaCl 9 847 Na2SO4-+ SO42---NH4Cl 9 847 4 993 -(NH4)2SO4-4 993 13 592 13 592

圖2 不同溶液組成對(duì)20#碳鋼腐蝕速率的影響

由于高濃度的Cl-對(duì)溶液腐蝕速率的影響僅依靠掛片法無法體現(xiàn)，因此采用電化學(xué)極化曲線法進(jìn)一步研究Cl-濃度對(duì)腐蝕速率的影響，實(shí)驗(yàn)過程中采用通氮除氧方式排除溶解氧的影響。結(jié)果表明，相同電極電位下，隨著Cl-濃度的升高，陰極極化電流密度幾乎沒有變化，而在鈍化區(qū)域內(nèi)，陽極極化電流密度逐步升高，點(diǎn)蝕趨勢增強(qiáng)。表明Cl-濃度的變化主要影響電化學(xué)反應(yīng)的陽極過程，隨著Cl-濃度升高，溶液腐蝕性增強(qiáng)。電極電位為-0.55 V時(shí)，Cl-濃度為10 000 mg/L，與含防膨劑注入水中Cl-濃度近似，與空白相比，相同電極電位下電流密度提高至原來的2.3倍。

1.2 溶解氧

采用靜態(tài)掛片法和電化學(xué)法考察溶解氧的存在對(duì)腐蝕速率的影響。溶解氧的去除采用先通氮除氧，再用氮?dú)鈱?duì)溶液進(jìn)行保護(hù)的方式，試驗(yàn)結(jié)果見圖3。由圖3可知，通氮除氧后，溶解氧含量由最初的8.74 mg/L降低至0.015 mg/L，腐蝕速率降至0.001 mm/a，溶解氧的去除可降低介質(zhì)腐蝕性。溶解氧影響電化學(xué)反應(yīng)的陰極過程，去除溶解氧后會(huì)降低陰極電流密度，增大反應(yīng)電阻，減緩腐蝕速率。

圖3 溶解氧對(duì)腐蝕速率的影響

2 分析討論

依據(jù)以上試驗(yàn)結(jié)果，結(jié)合Cl-腐蝕的酸化自催化理論，分析呼倫貝爾油田注水系統(tǒng)腐蝕機(jī)理。腐蝕的初始階段，金屬表面的氧化膜具有新陳代謝和自我修補(bǔ)的功能，如果膜吸附了活性陰離子（如氯離子），平衡受到破壞，溶解占優(yōu)勢。其原因是氯離子能優(yōu)先、有選擇地吸附在鈍化膜上，把氧原子排擠掉，形成競爭吸附；氧化膜中的陽離子結(jié)合成可溶性氯化物，在新露出的基體金屬表面生成腐蝕點(diǎn)，若金屬表面上存在硫化物，活性部位將優(yōu)先在氧化物夾雜、晶界碳化物析出或氧化膜的缺陷處形成。除此之外，溶解氧的存在促使活性部位作為腐蝕源并進(jìn)一步擴(kuò)大，溶解氧起到氧化劑的作用，促進(jìn)陰極過程的發(fā)生。

發(fā)生金屬的溶解時(shí)，金屬離子濃度升高并發(fā)生水解，生成氫離子，使附近溶液中的pH值下降，NH4+水解生成NH3·H2O，其與Fe2+絡(luò)合，加大Fe2+在水中的溶解度，促使反應(yīng)平衡向右發(fā)生，加速了金屬的溶解，使腐蝕加劇。同時(shí)，在鄰近位置發(fā)生氧的還原。這個(gè)過程是自身促進(jìn)和發(fā)展的，金屬在活性部位的迅速溶解會(huì)引起該部位產(chǎn)生過多的陽離子。為保持電中性，陰離子（Cl-等）向活性部位遷移，也造成Cl-濃度升高，隨著腐蝕深度的增加和腐蝕產(chǎn)物覆蓋坑口，溶解氧難以擴(kuò)散到活性部位，進(jìn)而形成閉塞電池。閉塞電池形成后，內(nèi)外物質(zhì)的遷移更為困難，活性部位的氯化物濃度更加濃縮，氯化物的水解使介質(zhì)酸度進(jìn)一步增加。pH值降低，更加促進(jìn)陽極溶解，稱為自催化酸化作用，腐蝕活性部位的酸性環(huán)境使得該位置處于活性狀態(tài)，為陽極；而其余金屬表面處于鈍態(tài)，為陰極，構(gòu)成活化-鈍化電池，加速局部腐蝕的發(fā)生。具體反應(yīng)過程如下：

（1）活性部位底部，F(xiàn)e發(fā)生溶解反應(yīng)：Fe→Fe2+＋2e。

（2）Fe2+發(fā)生水解反應(yīng)：Fe2+＋H2O→Fe(OH)+＋H+。

（4）NH3·H2O與Fe2+絡(luò)合，加大Fe2+水中溶解度，促使反應(yīng)平衡向右發(fā)生：NH3·H2O+Fe2+→Fe+H2O。

（5）孔口Fe2+和Fe(OH)+被溶解氧化：2Fe(OH)++ 1/2O2+2H+→2Fe(OH)2++H2O；2Fe2+＋1/2O2+2H+→2Fe3++H2O。

（6）反應(yīng)產(chǎn)物隨后發(fā)生水解：Fe(OH)2++H2O→Fe(O+H+；Fe3++H2O→Fe(OH)2++H+。

（7）形成腐蝕產(chǎn)物沉積：2Fe(OH)2++Fe2++ 2H2O→Fe3O4+6H+；Fe(OH)2++2OH-→FeOOH+H2O。

（8）活性部位以外，溶解氧的還原和鐵銹的還原：O2+2H2O+4e→4OH-；3FeOOH+e→Fe3O4+H2O+ OH-。

3 結(jié)論

呼倫貝爾油田注水系統(tǒng)的腐蝕機(jī)理為：溶解氧的陰極去極化作用、防膨劑中Cl-的自催化酸化效應(yīng)和NH4+水解產(chǎn)物的絡(luò)合作用，相互聯(lián)合，共同促進(jìn)，加大了水質(zhì)的腐蝕性?，F(xiàn)場作業(yè)區(qū)可依據(jù)以上腐蝕機(jī)理，控制注水系統(tǒng)中的溶解氧含量，有針對(duì)性地研究緩蝕劑配方或選擇防腐材質(zhì)和涂層，制定出經(jīng)濟(jì)有效的防腐措施。

[1]孫彥吉．海拉爾油田注水管道內(nèi)腐蝕原因分析及對(duì)策[J]．腐蝕與防護(hù)，2013（2）：180-182.

（欄目主持 楊軍）

10.3969/j.issn.1006-6896.2015.9.013

劉威：工學(xué)碩士，工程師，2012年畢業(yè)于吉林大學(xué)高分子化學(xué)與物理專業(yè)，從事油田化學(xué)劑研究和應(yīng)用工作。

2015-05-14

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