兩種新型石油管道防腐技術實驗

馬立華 新疆油田公司工程技術研究院

兩種新型石油管道防腐技術實驗

馬立華 新疆油田公司工程技術研究院

油氣田中采用的鉆采集輸設備材質(zhì)主要為鋼鐵，而鋼鐵材料抗H2S和Cl離子腐蝕的性能較差，這使油氣管道和設備暴露在H2S和Cl的介質(zhì)中而受到腐蝕，除發(fā)生全面腐蝕外，還會發(fā)生嚴重的局部腐蝕。介紹兩種新型的石油管道防腐技術，分別為添加咪唑啉緩蝕劑及QPQ技術。實驗結果表明：咪唑啉緩蝕劑在6%NaCl+0.6%CH3COOH飽和硫化氫溶液中最適宜的添加濃度應為0.31%～0.41%。經(jīng)QPQ技術處理的實驗樣本在特定的情況下其抗腐蝕能力是最好的，經(jīng)QPQ技術處理的管道設備可以長時間在空氣中放置，而且不會生銹、不會變色。

石油管道；防腐；咪唑啉緩蝕劑；QPQ技術

油田開發(fā)中使用注水技術以及采用鹽酸進行油井的酸化裂化使油氣中Cl離子的濃度急劇增加。目前，油氣田中采用的鉆采集輸設備材質(zhì)主要為鋼鐵，而鋼鐵材料抗H2S和Cl離子腐蝕的性能較差，這使管道和設備被暴露在H2S和Cl的介質(zhì)中而受到腐蝕，除發(fā)生全面腐蝕外，還會發(fā)生嚴重的局部腐蝕[1-2]。本文將介紹兩種新型的管道防腐技術。

1 添加咪唑啉緩蝕劑抑止腐蝕

針對H2S造成的腐蝕，運用添加緩蝕劑的方式進行管道和設備防腐是最為實用的管道保護手段之一。緩蝕劑可分為有機緩蝕劑和無機緩蝕劑，國內(nèi)外學者對有機緩蝕劑的作用機理進行了深入的研究，已基本掌握有機緩蝕劑與金屬表面產(chǎn)生化學反應的過程。在有機緩釋劑中咪唑啉衍生物具有低毒、無害、高效等優(yōu)點，它能夠利用自身的化學吸附作用穩(wěn)定地吸附到金屬的表面，從而有效抑制酸性條件下金屬設備的均勻腐蝕[3]。將咪唑啉緩蝕劑應用于N80專用管，進行咪唑啉緩蝕劑在H2S介質(zhì)中對油井專用管N80鋼的緩蝕效率測試實驗。

56℃溫度下在添加了1.07×10-3、2.15×10-3、4.42×10-3、5.5×10-3、6.58×10-3、8.54×10-3mol/L和沒有添加咪唑啉緩蝕劑的6%NaCl+0.6% CH3COOH飽和硫化氫溶液中分別對油井專用管N80鋼進行實驗測試，通過公式p=(y0-y1)/(m×t)與公式L=8.46 P/V計算出腐蝕速率。其中p為失重時的腐蝕速率（g·m-2·h-1），y0為金屬的初始重量（g）；y1為清除了腐蝕產(chǎn)物后金屬的重量（g）；m為金屬的表面積（m2）；t為腐蝕進行的時間（h）；L為腐蝕深度（mm·a-1），V為金屬的密度（g·cm-3）。再通過公式μ=(Sk-St)/Sk（μ為腐蝕率，St為不加緩蝕劑條件下碳鋼的腐蝕速率（g· m-2·h-1）；St為加入緩蝕劑條件下碳鋼的腐蝕速率（g·m-2·h-1）。計算出腐蝕率，如表1所示。

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從表1可以看出，在添加了合成的咪唑啉緩蝕劑后，N80鋼的腐蝕速率出現(xiàn)了明顯的降低，而且伴隨咪唑啉緩蝕劑濃度的加大，N80鋼的腐蝕速率又出現(xiàn)降低。當緩蝕劑添加量為8.54×10-3mol/L時，油井專用管道鋼的腐蝕速率由2.257 3 mm/a下降至0.012 6 mm/a，N80鋼腐蝕速率降低了約180倍，這時的鋼材基本變成了耐腐蝕性材料。當繼續(xù)添加緩蝕劑并達到一定的飽和濃度后，鋼材腐蝕速率減小的程度比剛開始緩慢，之所以出現(xiàn)這樣的情況是因為如果緩蝕劑濃度不斷的增大，緩蝕劑在被試樣本表面的吸附量就會增大，從而使腐蝕的速度減小。如果緩蝕劑已經(jīng)超過了準確用量時，緩蝕劑在鋼材的表面吸附程度變化不會太大，所以才出現(xiàn)緩蝕劑用量增大而腐蝕速率變化不大的情況。從表1還可以看出，在腐蝕介質(zhì)中添加6.58×10-3mol/L的咪唑啉緩蝕劑后，緩蝕效率達到98.75%，將咪唑啉緩蝕劑的濃度繼續(xù)增加，添加到8.54×10-3mol/L時緩蝕效率就變?yōu)榱?9.50%，這可以說明咪唑啉緩蝕劑在6%NaCl+0.6%CH3COOH飽和硫化氫溶液中的最適宜添加濃度應為6.58×10-3～8.54×10-3mol/L。

2 QPQ防腐技術

QPQ（Quench-Polish-Quench）技術其實質(zhì)是低溫鹽浴滲氮+鹽浴氧化或低溫鹽浴氮碳共滲+鹽浴氧化[4]過程，它具有高耐磨、高抗蝕、微畸變等優(yōu)點，是一種新的對金屬零件表面改性技術。QPQ技術處理的設備表面為四氧化三鐵氧化膜，它的抗腐蝕性能要遠高于鍍鎳與鍍鉻等防護技術，而且QPQ技術工藝還可以代替磷化和發(fā)黑與鍍鎳等比較傳統(tǒng)的抗腐蝕工藝。下面結合實驗來研究使用QPQ技術后油井專用管N80鋼的抗腐蝕性。

將未處理油井專用管N80鋼材試樣鍛造為31 mm ×14 mm×5 mm的矩形。

首先運用QPQ工藝將31 mm×14 mm×5 mm的矩形試樣進行清洗，然后將其放入空氣爐中，將空氣爐加熱直到溫度達到350℃，并保溫30 min左右；然后將其放入加熱到570℃的鹽浴滲氮爐中進行滲氮處理2 h；2 h后將其從鹽浴滲氮爐中取出，直接放入到溫度為345℃的鹽浴氧化爐中進行氧化，氧化時間為30 min；最后將其取出放入到溫度為80℃的熱水中進行清洗（試驗中所使用的鹽浴氧化用鹽為QPQ技術專用鹽，試驗過程中所使用的氰酸根其含量應為36.2%）。

準備3個試樣，分別為經(jīng)QPQ處理試樣、未做任何處理試樣、已經(jīng)過滲氮處理的試樣，將它們分別放在溫度為45℃的l1%NaCI+0.2%H2O2蒸餾水溶液中進行浸泡；然后使用精度為10-4g的電子天平進行測量，查看試樣浸泡前和浸泡后的質(zhì)量并進行對比，計算出腐蝕后質(zhì)量的變化，將每一個工藝的3～4個實驗樣本腐蝕后所產(chǎn)生的質(zhì)量損失平均值作為這一項工藝腐蝕產(chǎn)生的質(zhì)量損失。最后根據(jù)實驗樣本的鋼鐵密度（以7.8 g/cm3為準計算）、腐蝕表面積及產(chǎn)生的腐蝕質(zhì)量損失平均值，計算出腐蝕速率。

在l1%NaCI+0.2%H2O2蒸餾水溶液中進行實驗的樣本，經(jīng)QPQ處理后樣本腐蝕速率為10.20 mm/a，未經(jīng)處理的實驗樣本其腐蝕速率為31.20 mm/a，經(jīng)過滲氮處理的實驗樣本其腐蝕速率為17.70 mm/a。為更清晰表明實驗結果，將經(jīng)過腐蝕試驗后的實驗樣本的截面形貌分別進行了X射線的衍射分析和觀察，3個實驗樣本在蒸餾水溶液中經(jīng)過腐蝕后的截面形貌如圖1所示。

圖1 試驗樣本腐蝕后的截面形貌

從以上實驗結果可以看出，經(jīng)過滲氮處理的實驗樣本的腐蝕速率是未經(jīng)處理的實驗樣本的腐蝕速率的57%，經(jīng)QPQ技術處理的樣本腐蝕速率是未經(jīng)處理的實驗樣本的腐蝕速率的32%，是經(jīng)過滲氮處理實驗樣本腐蝕速率的58%。因此可以證明，經(jīng)QPQ技術處理的實驗樣本在特定的情況下其抗腐蝕能力是最好的，經(jīng)QPQ技術處理的管道設備可以長時間的在空氣中放置，而且不會生銹、不會變色。

在油氣田生產(chǎn)中，有很多石油管道下井之前就已經(jīng)產(chǎn)生化學反應，變得銹跡斑斑。經(jīng)過QPQ技術處理的石油管道在下井之前暴露在空氣中的這一段時間，其抗腐蝕性能要遠遠高于經(jīng)過滲氮處理的試樣和未經(jīng)過處理的原材料實驗樣本。要想降低油氣管道在下井之前的腐蝕速率可以使用QPQ技術。對于在井下的含氧性腐蝕介質(zhì)，經(jīng)QPQ技術處理的實驗樣本其抗蝕性也將遠遠高于未經(jīng)處理的實驗樣本和經(jīng)過滲氮處理的實驗樣本。

3 結語

石油管道防腐蝕已成為石油化工企業(yè)特別關注的問題，如何利用最佳技術實現(xiàn)效益最大化一直都是研究的熱點。本文結合實驗得出結論，添加緩蝕劑和運用QPQ技術對于管道防腐具有一定的應用價值。

[1]宋佳佳，裴峻峰，鄧學風，等．海洋油氣井的硫化氫腐蝕與防護進展[J]．腐蝕與防護，2012，33（8）：648-651．

[2]黃本生，盧曦，劉清友．石油鈷桿H2S腐蝕研究進展及其綜合防腐[J]．腐蝕科學與防護技術，2011，23（3）：205-208．

[3]劉瑕，鄭玉貴．流動條件下兩種不同親水基團咪唑啉型緩蝕劑的緩蝕性能[J]．物理化學學報，2009，25（4）：713-718．

[4]王亞昆．潛油電泵機組防硫化氫腐蝕方案探討[J]．油氣田地面工程，2009，28（10）：75-76.

（欄目主持楊軍）

10.3969/j.issn.1006-6896.2015.5.008