高礦化度環(huán)境介質(zhì)及溫度對P110鋼電化學(xué)腐蝕的影響

金 磊，唐 燦

（西安石油大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，陜西 西安 710065）

設(shè)備與自控

高礦化度環(huán)境介質(zhì)及溫度對P110鋼電化學(xué)腐蝕的影響

金 磊，唐 燦

（西安石油大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，陜西 西安 710065）

根據(jù)油氣田管道易腐蝕、影響因素較多且復(fù)雜的特點(diǎn)，本文模擬油氣田井下的水環(huán)境，利用電化學(xué)腐蝕法分別測試了在各種不同礦化度和溫度兩種條件結(jié)合下的P110試樣的腐蝕電位和極化曲線。結(jié)論顯示，在較低礦化度的時(shí)候，將溫度逐漸增加到最大，試樣的腐蝕受到了很大的影響；繼續(xù)加大礦化度，溫度也從最低提高到最大，P110試樣受到的腐蝕程度仍然在擴(kuò)大，但是腐蝕速率明顯沒有低礦化度時(shí)大。繼續(xù)加大礦化度，在把溫度逐漸增加到最大的過程中，發(fā)現(xiàn)這些溫度點(diǎn)使得P110鋼的腐蝕速率反而有了下降的趨勢；繼續(xù)再增加礦化度，溫度的變化已經(jīng)不會對其腐蝕速率產(chǎn)生較大的波動，甚至對腐蝕幾乎沒有影響。造成這種影響的主要原因是過高的溫度和礦化度使P110鋼表面產(chǎn)生了腐蝕鈍化膜，阻擋了腐蝕的進(jìn)一步擴(kuò)大。

P110鋼；環(huán)境介質(zhì) ；溫度；礦化度

油氣田下的環(huán)境是非常惡劣的，油氣田底下各個(gè)深度的介質(zhì)成分、pH值、溫度以及壓力都有很大的差異并且在不停地變化。據(jù)統(tǒng)計(jì)，油井井下的介質(zhì)隨深度每增加100m，介質(zhì)溫度升高約為2.5℃，使得碳鋼在油井下的腐蝕非常嚴(yán)重[1]。P110鋼在油氣田生產(chǎn)過程中有著很廣泛的應(yīng)用，但是P110鋼在生產(chǎn)中的腐蝕問題也非常普遍，所以研究P110鋼在油氣田生產(chǎn)過程中的腐蝕規(guī)律，對碳鋼的日常防腐以及降低油氣田生產(chǎn)過程中的經(jīng)濟(jì)損失有很大的必要性[2]。

碳鋼的腐蝕不僅有來自油氣田水環(huán)境中的高礦物質(zhì)的影響，還有來自溫度方面的影響。Schmitt等[3]認(rèn)為，碳鋼的腐蝕與Mg2+和Ca2+的增加有關(guān)，但是也有一些研究認(rèn)為[4]，增加Ca2+和Mg2+會使鋼的腐蝕程度先加快然后逐漸減慢，同時(shí)增加Cl-會造成點(diǎn)蝕并且加速腐蝕速率。在溫度影響腐蝕方面，Waard等[5]提出，溫度在小于60℃時(shí)，鋼在被腐蝕后的產(chǎn)物膜主要是FeCO3，而且FeCO3容易發(fā)生腐蝕；溫度達(dá)到110℃時(shí)，鋼的腐蝕表面會生成保護(hù)膜，但是在鋼局部還是會產(chǎn)生較大的腐蝕；溫度在110～150℃之間時(shí)，腐蝕產(chǎn)物膜比之前較為密實(shí)，同時(shí)總體腐蝕程度較快，局部較為突出；溫度高于150℃時(shí)，鋼的腐蝕速率逐漸減小，這時(shí)候的腐蝕產(chǎn)物膜主要是FeCO3和Fe3O4，并且腐蝕氧化膜更加致密，不易破壞。本文主要模擬油氣田水環(huán)境，利用電化學(xué)方法，測試不同礦化度和溫度對P110鋼的腐蝕速率的影響，以及造成這些影響的原因。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)介質(zhì)與試樣準(zhǔn)備

模擬某油氣田井下地層水的礦化度成分，配制了5種不同濃度的礦化度溶液，測試了P110鋼在這5組礦化度溶液中的腐蝕速率。這5種高礦化度溶液所含具體成分見表1。

表1 高礦化度溶液的成分Tab.1 compositions of high mineralized solution

實(shí)驗(yàn)前，將實(shí)驗(yàn)所用的P110套管鋼制成長12mm、寬9mm、高20mm的長方體小塊，用銅導(dǎo)線連接，再用環(huán)氧樹脂涂封其他部分，留下工作表面。接下來試樣的工作面依次使用200#～800#砂紙打磨，然后再用無水乙醇清洗表面，晾干后用電子天平稱重并記錄數(shù)據(jù)保存?zhèn)溆谩?/p>

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)采用的是三電極測試體系。工作電極處是P110鋼試樣，試樣工作面表面積大致為1cm2；以飽和甘汞電極作為參比電極（SCE），再以鉑電極作為輔助電極。電化學(xué)測試?yán)肅S310電化學(xué)工作站進(jìn)行，在常溫、40℃、50℃、60℃、70℃這5種溫度下，用恒電流法分別測定5種礦化度下的溶液中，P110鋼的開路電位曲線以及極化曲線。這5種溫度用恒溫水浴鍋進(jìn)行控制。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 溫度和礦化度對腐蝕速率的影響

選取表1中的5種溶液作為介質(zhì)，分別研究從常溫～70℃之間P110鋼的腐蝕速率，得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。為了方便起見，將5種礦化度溶液的礦化度進(jìn)行測量并編號，按礦化度由小到大排列為80.65礦化度、169.63礦化度、214.05礦化度、258.45礦化度和322.4礦化度。從圖1可以得到，礦化度為80.65時(shí)，在溫度增加的時(shí)候，鋼的腐蝕速率先增大后減??；礦化度為169.63時(shí)，隨著溫度升高，腐蝕速率會變大；礦化度繼續(xù)升高，隨著溫度的升高，腐蝕速率逐漸減小，甚至在礦化度高達(dá)322.4時(shí)，隨著溫度的升高，腐蝕速率基本維持在一個(gè)相對較低的程度，并且溫度對腐蝕速率影響波動不大。這也進(jìn)一步說明了溫度會對腐蝕產(chǎn)物膜的特性產(chǎn)生影響[5]。

圖1 在溫度變化下的腐蝕速率的變化

2.2 極化曲線

極化曲線通常表示極化電流密度或者極化電位與極化電流之間的關(guān)系，從極化曲線可以非常清楚地看出電極的極化程度[6]。以常溫和70℃時(shí)，P110鋼在不同礦化度溶液中的極化曲線來進(jìn)行分析，圖2和圖3分別是P110鋼在常溫和70℃時(shí)5種礦化度溶液中的極化曲線。由圖2和圖3的極化曲線可以看出，在常溫和70℃時(shí)，P110鋼的極化曲線存在很大的差異，比較而言，在高溫時(shí)腐蝕較大一些，但是也存在著抑制作用。礦化度溶液對極化曲線的影響主要是Cl-濃度的變化以及pH值的改變[7]。

圖2 P110鋼在不同礦化度溶液中的極化曲線

圖3 P110鋼在不同礦化度溶液中的極化曲線

由圖2和圖3也可以明顯看出，在礦化度為80.65和214.05時(shí)，自腐蝕電位向負(fù)極移動最明顯，同時(shí)腐蝕電流密度也在增加，這些變化都說明腐蝕速率在加快[8]，腐蝕最為嚴(yán)重。而礦化度為258.45時(shí)移動不明顯，說明溫度對此時(shí)礦化度下的材料腐蝕影響不大。在礦化度高達(dá)322.4時(shí)，極化曲線向正極移動，說明腐蝕被抑制了，高溫和高礦化度阻礙了腐蝕的進(jìn)行。

2.3 腐蝕產(chǎn)物膜分析

由圖1分析可知，在電化學(xué)腐蝕過程中，溫度會對腐蝕產(chǎn)物膜產(chǎn)生一定的影響，同時(shí)不同溫度條件下的腐蝕產(chǎn)物膜形態(tài)也不一樣[9]。這主要是因?yàn)樵跍囟容^低時(shí)，腐蝕產(chǎn)物膜非常不緊密，容易脫落，而在溫度較高時(shí)，腐蝕產(chǎn)物膜中形成了FeCO3，這使得膜更加緊密，所以腐蝕速率變得很小[10]。將圖1、2、3結(jié)合起來也可以看出，不光溫度對P110鋼的腐蝕速率有影響，同時(shí)也與礦物質(zhì)離子有關(guān)系，隨著礦化度的增加，腐蝕的速率相應(yīng)減小，這是由于Ca2+和Mg2+會參與形成致密的產(chǎn)物膜[12]，而Cl-只會影響極化曲線腐蝕電位的偏移[11]，不會參與成膜。腐蝕產(chǎn)物膜很大程度上影響了P110鋼的腐蝕速率。

3 結(jié)論

1）在高礦化度和高溫度的綜合影響下，P110鋼受到電化學(xué)腐蝕作用，隨著礦化度和溫度的增加，開始時(shí)腐蝕速率增大，然而礦化度加到最大，腐蝕速率卻減小甚至沒有了影響，說明促使形成產(chǎn)物膜的陽離子增加了，兩者的相互作用使得P110鋼試樣表面形成了腐蝕鈍化膜。

2）在礦物質(zhì)溶液中，腐蝕產(chǎn)物膜不是由溫度和礦化度其中一種因素決定的，兩者達(dá)到一定程度時(shí)，陽離子和溫度會參與形成一定的腐蝕產(chǎn)物膜，這些綜合原因是造成P110鋼腐蝕速率逐漸變低的因素。

[1] 張虎，杜忠澤，劉長瑞，等.環(huán)境介質(zhì)對P110套管鋼電化學(xué)性能的影響[J].材料熱處理技術(shù)，2012，8(1)：35-39.

[2] 王倩，馬云，屈撐囤，等.油氣田水系統(tǒng)鋼材腐蝕的電化學(xué)研究進(jìn)展[J].油田化學(xué)，2013，(3)：471-476.

[3] 劉長坤，李春福，趙海杰，等.高礦化度油氣田鹽鹵水對碳鋼的腐蝕行為研究[J].西南石油大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2010(2)：154-158.

[4] 李建平，趙國仙，王克松，等.高礦化度油田水中P110油管鋼高溫高壓CO2腐蝕膜特征[J].材料與冶金學(xué)報(bào)，2004(1)：54-57.

[5] 李春福，王斌，張穎，等.油氣田開發(fā)中CO2腐蝕研究進(jìn)展[J].西南石油學(xué)院學(xué)報(bào)，2004，26(2)：42-47.

[6] 閆康平，陳匡民.過程裝備腐蝕與防護(hù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2009.

[7] 姬永生，王志龍，徐從宇，等. 混凝土中鋼筋腐蝕過程的極化曲線分析[J].浙江大學(xué)學(xué)報(bào)（工業(yè)版），2012(8)：1458-1464.

[8] 張旭昀，朱闖，孫麗麗，等. 沙粒和氯離子對P110鋼沖刷與腐蝕性能的影響[J].化工機(jī)械，2012(4)：447-451.

[9] 朱世東，尹志福，白真權(quán)，等.溫度對P110鋼腐蝕行為的影響[J].中國腐蝕與防護(hù)學(xué)報(bào)，2009，12(6)：493-498.

[10] 朱世東，林冠發(fā)，白真權(quán)，等.油田套管P110鋼腐蝕的影響因素[J].材料保護(hù)，2009(1)：48-51.

[11] 呂祥鴻，樊治海，趙國仙，等. 陽離子對P110鋼高溫高壓CO2腐蝕反應(yīng)過程的影響[J].腐蝕科學(xué)與防護(hù)技術(shù)，2005(2)：69-74.

[12] 孫建波，柳偉，楊麗穎，等.高礦化度介質(zhì)中J55鋼的CO2腐蝕電化學(xué)行為[J].金屬學(xué)報(bào)，2008(8)：991-994.

Influence of High Temperature and Salinity on Electrochemical Corrosion of P110 Steel

JIN Lei, TANG Can
(College of Mechanical Engineering, Xi′an Shiyou University, Xi′an 710065, China)

According to the oil and gas f eld pipeline easier to appear corrosion, the inf uence factors were numerous and complex, the oil and gas f eld underground water environment was simulated, the corrosion potential and polari zation curve under different salinity and different temperatures were studied by method of P110 steel electrochemical corrosion. The results showed that under the low salinity, along with the increased of temperature, P110 s teel corrosion effect changed. With the continuous increase of salinity, under different temperature, the corrosion rates continued to increase. But if continued to increase in salinity , with the increase of temperature, the corrosion rate of P110 steel reduced gradually, and showed a trend of slow corrosion. Continued to increase in salinity, the change of temperature was not on the corrosion rate larger f uctuations, and even had little impact on corrosion. The main reason was the high temperature and salinity could make corrosion f lm formation on material surface.

P110 steel; environmental media; temperature; salinity

TE 983

A

1671-9905(2017)05-0055-03

金磊（1991-），男，西安石油大學(xué)在讀碩士研究生，電話：17792605368，E-mail: 312069375@qq.com

2017-03-10