咪唑/甲基丁炔醇復配緩蝕劑對油氣輸送管道的緩蝕性能研究*

強 娟,吳紅梅,高曉明,付 峰,高樓軍

[1.延安大學化學與化工學院 陜西省化學反應工程重點實驗室，陜西 延安 716000；2.陜西延長石油(集團)有限責任公司 永坪煉油廠，陜西 延安 716000]

管道已成為石油天然氣理想的運輸工具，是比較經濟、安全、有效的運輸手段。從油氣供應點到油氣場所，管道會經過各種各樣復雜的地形，因此管道所處的環(huán)境是千變萬化的，其輸送介質中含有腐蝕性的氣體和水就會對輸氣管道造成嚴重的腐蝕危害[1]。尤其是金屬管道在石油、天然氣的開采和輸送過程中腐蝕問題日益嚴重，已成為制約石油化工安全生產和環(huán)境保護的重大安全隱患[2]。多年來，緩蝕劑的研究一直是管道防腐研究的重點。炔醇類具有良好的緩蝕性，可以有效地防止金屬的氫脆，是高效酸化緩蝕劑的基礎組分；它的特點是性能穩(wěn)定，有很好的加和作用效果，可以防止碳鋼在強酸介質中的腐蝕和氫滲透，而且原料便宜，生產成本低，是油氣田常用的重要緩蝕劑[3-4]。研究人員發(fā)現[5-6]，單獨一種緩蝕劑緩蝕效果，遠不如2種或多種緩蝕劑混合的緩蝕效果，而且這種效果不是單純的加合，而是相互促進的結果。因此，緩蝕劑復配逐漸成為腐蝕防護領域研究的熱點問題[6-10]。對咪唑啉或咪唑啉衍生物緩蝕劑的復配協同效應，已進行了較多的研究[11]，但是炔醇類與咪唑的復配還沒有研究。作者通過咪唑與甲基丁炔醇的復配，充分發(fā)揮各種緩蝕組分的作用，解決單組分難以克服的困難，以及研究該復配緩蝕劑在延安地區(qū)油氣管道腐蝕溶液中的緩蝕效果，延安地區(qū)油氣管道普遍是N80鋼。

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

咪唑：純度≥99%，天津市福晨化學試劑廠；甲基丁炔醇：AR，阿拉丁化學試劑有限公司；碳酸鈉：純度≥98%，西安化學試劑廠；氯化鈣：純度≥96%，西安化學試劑廠。

恒溫水?。簢AKW-1000DC，河北潤聯機械設備有限公司；電子天平：精確到小數點后4位，北京賽多利斯科學儀器有限公司；掃描電鏡：TM3000型，日本日立公司。

實驗用的試片為N80、A3鋼，規(guī)格分別為：50 mm×10 mm×3 mm、76 mm×13 mm×1.5 mm。N80、A3鋼的成分見表1。

表1 鋼片化學成分 w/%

1.2 實驗方法

1.2.2 緩蝕劑的制備

將質量分數0.8%的咪唑和甲基丁炔醇以體積比為100∶10、100∶15、100∶20、100∶25進行復配，依次記為緩蝕劑(1)、緩蝕劑(2)、緩蝕劑(3)、緩蝕劑(4)。

1.2.3 緩蝕劑的緩蝕性能評價

采用靜態(tài)掛片對緩蝕劑的緩蝕性能進行評價。將一定量的緩蝕劑加入模擬溶液中。將鋼片依次用400#、600#金相砂紙打磨光潔，在丙酮中清除油污，用無水乙醇清洗干凈后，干燥稱重待用。將鋼片懸掛于模擬內積水溶液中，在常溫條件下腐蝕72h。取出鋼片，依次用水、丙酮、無水乙醇反復清洗，除去腐蝕產物，干燥稱量，計算腐蝕速率、緩蝕率。用掃描電鏡觀察鋼片在腐蝕實驗前后的表面形貌。

鋼片腐蝕速率采用式(1)計算[12]。

(1)

式中：vi為試片的腐蝕速度；Ai為試片暴露在腐蝕介質中的表面積；Δt為腐蝕時間；Δmi為試片腐蝕量。

采用緩蝕保護，其保護效率常用緩蝕率來表示：

(2)

式中：η為緩蝕率；v0為未加緩蝕劑時金屬的腐蝕速度；v為加緩蝕劑時金屬的腐蝕速度。

2 結果與討論

2.1 不同對N80鋼腐蝕行為

圖1 不同對N80鋼的腐蝕行為

2.2 失重法評價緩蝕劑

2.2.1 緩蝕劑對N80鋼的評價結果

表2 復配緩蝕劑對N80鋼的緩蝕效果

由表2可以看出，空白組實驗時，模擬溶液對N80鋼的腐蝕速率為0.059 2 g/m2·h；當在模擬溶液中加入質量分數0.8%的咪唑緩蝕劑時，N80鋼的腐蝕速率為0.035 7 g/m2·h，腐蝕速率減少了0.023 5 g/m2·h。當在模擬溶液中分別加入緩蝕劑(1)、緩蝕劑(2)、緩蝕劑(3)和緩蝕劑(4)時，N80鋼的腐蝕速率分別為0.007 1、0.010 2、0.015 3、0.015 3 g/m2·h，腐蝕速率都明顯減少了?？梢姡c單一咪唑緩蝕劑相比，腐蝕速率明顯減少，咪唑與甲基丁炔醇在抑制腐蝕過程中表現出了協同作用，充分發(fā)揮了每種緩蝕組分的作用，提高了緩蝕效果。甲基丁炔醇中三鍵與金屬有較強的結合力使得三鍵易斷裂，然后發(fā)生聚合，產生多層聚合膜。含氮化合物咪唑中的極性基團以鎓離子的形式再次吸附在金屬的表面。鎓離子帶1個單位的正電荷，由于靜電引力，鎓離子吸附在金屬表面的陰極區(qū)，使金屬表面帶正電荷，于是去極化劑 H+就難接近金屬，也可以大大減緩了腐蝕速度。所以將甲基丁炔醇和咪唑配合使用緩蝕效果更佳。

2.2.2 緩蝕劑對A3鋼的評價結果

由表3可以看出，空白組實驗時，模擬溶液對A3鋼的腐蝕速率為0.071 8 g/m2·h；當在模擬溶液中加入質量分數0.8%的咪唑緩蝕劑時，對A3鋼的腐蝕速率為0.051 4 g/m2·h,腐蝕速率減少了0.020 4 g/m2·h。當在模擬溶液中分別加入緩蝕劑(1)、緩蝕劑(2)、緩蝕劑(3)和緩蝕劑(4)時，A3鋼的腐蝕速率分別為0.004 3、0.006 2、0.006 8、0.009 3 g/m2·h，腐蝕速率都明顯減少了；通過表3，得出制備的復配緩蝕劑對A3鋼也有同樣的協同作用，表現出較好的緩蝕效果。

2.2.3 緩蝕劑對鋼片的緩蝕率的影響

為了進一步表達復配緩蝕劑對N80、A3鋼的緩蝕效果，分析了復配緩蝕劑對N80、A3鋼的緩蝕率，見圖2、圖3。

緩蝕劑圖2 緩蝕劑對N80鋼緩蝕率

緩蝕劑圖3 緩蝕劑對A3鋼緩蝕率

由圖2、圖3可以明顯的得出，復配緩蝕劑的緩蝕率對于N80、A3鋼是一致的，為緩蝕劑(1)>緩蝕劑(2)>緩蝕劑(3)>緩蝕劑(4)>w(咪唑)=0.8%緩蝕劑。對于N80鋼，復配緩蝕劑的緩蝕率都可以達到74%以上，其中以質量分數0.8%的咪唑和甲基丁炔醇的體積比為100∶10時復配的緩蝕劑緩蝕效果最好，緩蝕率可以達到88%。而對于A3鋼，復配緩蝕劑的緩蝕率都可以達到87%以上，同樣以質量分數0.8%的咪唑和甲基丁炔醇的體積比為100∶10時復配的緩蝕劑緩蝕效果最好，緩蝕率可以達到94%。

2.3 鋼片的表面形貌分析

2.3.1 N80鋼的表面形貌分析

a 未添加任何緩蝕劑

b 添加緩蝕劑(1)圖4 未添加任何緩蝕劑與添加復配緩蝕劑(1)的N80鋼表面SEM圖

從圖4可以看出，在未加入緩蝕劑的情況下，該鋼片表面腐蝕比較嚴重，表面有明顯的裂紋，而且裂紋又寬又深，局部地方呈現出明顯的蜂窩狀腐蝕點。在加入復配緩蝕劑(1)后，表面腐蝕情況有較大的改觀，N80鋼表面的粗糙度顯著降低，裂紋明顯減弱。

2.3.2 A3鋼的表面形貌分析

a 未添加任何緩蝕劑

b 添加緩蝕劑(1)圖5 未添加任何緩蝕劑與添加復配緩蝕劑(1)的A3鋼表面SEM圖

從圖5可以看出，在未加入緩蝕劑的情況下，A3鋼表面腐蝕嚴重，表面有明顯的裂紋，而且裂紋密集。在加入復配緩蝕劑(1)后，A3鋼表面粗糙度明顯降低，裂紋相對減弱，腐蝕減輕。

另外，從圖4a、圖5a可以看出，在未加入緩蝕劑的情況下，2種材質表面腐蝕都比較明顯，其中N80鋼的腐蝕更為嚴重，表面的裂紋寬、深。從圖4b、圖5b可以看出，在加入復配緩蝕劑(1)后，表面腐蝕情況有較大的改觀，2種試片表面的粗糙度明顯降低。

3 結 論

(2) 以咪唑為主劑，甲基丁炔醇為輔劑，制備了不同種類的復配緩蝕劑，利用失重法研究了復配緩蝕劑對N80鋼和A3鋼的緩蝕效果。以質量分數0.8%咪唑和甲基丁炔醇的體積比為100∶10時復配的緩蝕劑緩蝕效果最明顯，其對N80鋼的緩蝕率為88%，對A3鋼的緩蝕率都可達到94%。

(3) 在加入復配緩蝕劑質量分數0.8%咪唑和甲基丁炔醇的體積比為100∶10的情況下，N80鋼和A3鋼表面腐蝕情況有較大的改觀，粗糙度明顯降低。

[ 參 考 文 獻 ]

[1] 趙文德. 石油天然氣管道的腐蝕與防護[J].化學工程與裝備,2009(07)：100-101.

[2] 王智博.咪唑啉和醇胺兩種高效緩蝕劑的合成及其緩蝕機理研究[D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學,2013:101-183.

[3] 蔡明建，王光榮，魏金芳，等.叔炔醇合成方法的改進及緩蝕效果研究[J].唐山師范學院學報,2010(05)：8-10.

[4] 張娟濤，李謙定，趙俊.油氣井酸化緩蝕劑研究進展[J].腐蝕與防護,2014(06)：593-597.

[5] 王楷，孔小東，湯丹華，等.兩種緩蝕劑對10CrSiNiCu鋼的緩蝕效果研究[J].裝備環(huán)境工程,2013(05)：77-80.

[6] 劉福國，杜敏.復合緩蝕劑在31%NaCl溶液中的緩蝕性能[J].腐蝕與防護,2007(10)：523-525.

[7] 趙文娜，王宇賓，宋有勝，等.耐高溫酸化緩蝕劑GC-203L的開發(fā)及評價[J].科學技術與工程,2014(05)：201-203.

[8] 鞠玉琳，李焰.氣相緩蝕劑的研究進展[J].中國腐蝕與防護學報,2014(01)：27-36.

[9] 袁龍，朱繹樺，劉建周.緩蝕劑復合乙醇胺捕集CO2及緩蝕作用研究[J].化學通報,2014(03)：260-264.

[10] 侯偉，任曉光，謝超然，等.復配緩蝕劑在油水混合液中的緩蝕性能[J].北京化工大學學報(自然科學版),2014(04)：20-25.

[11] 李言濤，王路遙，史德青，等.油氣田用咪唑啉緩蝕劑的研究進展[J].材料保護,2011(12)：50-53.

[12] 左書瑞，劉瑞泉.雙苯并三唑Mannich堿在5% NaHCO3溶液中對Cu的緩蝕作用[J].中國腐蝕與防護學報,2011(02)：105-110.