原油集輸管道在CO2和Cl-共同作用下的腐蝕規(guī)律研究

張喜慶

(勝利油田勝機(jī)石油裝備有限公司)

CO2和Cl-普遍存在于原油集輸管道中，并且由于CO2和Cl-的存在常會(huì)導(dǎo)致原油集輸管道出現(xiàn)腐蝕穿孔等現(xiàn)象，對(duì)管道的安全運(yùn)行造成嚴(yán)重的影響。目前，國(guó)內(nèi)外進(jìn)行油氣管道的內(nèi)腐蝕行為研究時(shí)，常以水相為腐蝕介質(zhì)，并且針對(duì)實(shí)驗(yàn)后的均勻腐蝕情況進(jìn)行分析研究[1-4]。然而，在原油集輸管道實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中腐蝕介質(zhì)常是油水混合物，同時(shí)管道泄漏穿孔事故的發(fā)生時(shí)由于點(diǎn)蝕和均勻腐蝕所共同引起的[5]。大量研究表明，材料在腐蝕介質(zhì)中的腐蝕機(jī)理和腐蝕速率大小受腐蝕產(chǎn)物膜的形態(tài)所影響，現(xiàn)階段對(duì)原油/水/CO2/Cl-多項(xiàng)介質(zhì)中的腐蝕產(chǎn)物膜形成過(guò)程已有較為深入的分析研究[6-8]，但主要針對(duì)原油集輸管道中的原油/水/CO2/Cl-腐蝕規(guī)律研究較為匱乏，尤其是原油集輸管道在原油/水/CO2/Cl-腐蝕環(huán)境中的點(diǎn)蝕形貌、點(diǎn)蝕速率等需要進(jìn)行進(jìn)一步的深入分析研究。本文通過(guò)高溫高壓反應(yīng)釜還原真實(shí)的原油集輸管道內(nèi)的原油/水/CO2/Cl-腐蝕環(huán)境，研究了含原油的腐蝕介質(zhì)中CO2分壓和流速變化對(duì)L245M原油集輸管道用鋼的腐蝕行為的影響，對(duì)腐蝕產(chǎn)物膜形貌和金屬基體表面的點(diǎn)蝕形貌進(jìn)行了檢測(cè)分析，深入研究了腐蝕產(chǎn)物膜的結(jié)構(gòu)對(duì)均勻腐蝕速率、點(diǎn)蝕速率和點(diǎn)蝕形貌的影響。

一、實(shí)驗(yàn)方案

原油/水/CO2/Cl-腐蝕環(huán)境高溫高壓反應(yīng)釜實(shí)驗(yàn)在美國(guó)Parr反應(yīng)釜中進(jìn)行。本文的腐蝕實(shí)驗(yàn)采用單因素變量法進(jìn)行，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)調(diào)研結(jié)果，研究在50℃、原油含水率為85%(腐蝕穿孔主要位于管道底部的積液位置)、總壓為3 MPa條件下，流速和CO2分壓大小變化對(duì)L245M碳鋼在原油/水/CO2/Cl-腐蝕介質(zhì)中的腐蝕速率和腐蝕過(guò)程的影響，具體實(shí)驗(yàn)條件如表1、表2所示。

表1 不同流速條件下的高溫高壓反應(yīng)釜實(shí)驗(yàn)

表2 不同CO2分壓條件下的高溫高壓反應(yīng)釜實(shí)驗(yàn)

二、結(jié)果討論

1. 流速變化對(duì)內(nèi)腐蝕的影響

1.1 腐蝕速率分析

圖1 腐蝕速率隨流速變化關(guān)系曲線(xiàn)

1.2 腐蝕產(chǎn)物膜分析

由圖2可以看出，當(dāng)流速范圍在0.1～0.75 m/s范圍內(nèi)變化時(shí)，腐蝕產(chǎn)物的晶粒結(jié)構(gòu)以及腐蝕產(chǎn)物膜表面的孔隙度并未發(fā)生明顯變化。但可以很明顯的觀察到當(dāng)流速?gòu)?.1 m/s增加至0.75 m/s時(shí)，腐蝕產(chǎn)物膜在金屬試樣表面出現(xiàn)了明顯的剝落現(xiàn)象。當(dāng)流速為0.1 m/s時(shí)，金屬試樣表面的腐蝕產(chǎn)物膜受到流體沖刷作用有限，表面腐蝕產(chǎn)物膜在較低的壁面切應(yīng)力的作用下，腐蝕產(chǎn)物膜覆蓋于整個(gè)金屬試樣表面，保持了較高的完整度。因此，此時(shí)的腐蝕產(chǎn)物膜對(duì)金屬基體有較好的保護(hù)性，腐蝕速率最低；當(dāng)流速增加至0.25 m/s時(shí)，隨著金屬表面腐蝕產(chǎn)物膜受到的壁面切應(yīng)力增加，腐蝕產(chǎn)物膜出現(xiàn)了剝落、破裂現(xiàn)象，隨著腐蝕產(chǎn)物膜的剝落，在剝落部位，由于流速的增加發(fā)生在金屬基體/腐蝕介質(zhì)界面處的物質(zhì)交換和電荷傳遞速率顯著增加，此時(shí)腐蝕速率出現(xiàn)了明顯的上升。而當(dāng)腐蝕介質(zhì)流速繼續(xù)增加至0.5 m/s和0.75 m/s時(shí)，由于腐蝕產(chǎn)物膜已全部剝落，此時(shí)流速對(duì)腐蝕速率的增加主要體現(xiàn)在加速腐蝕介質(zhì)交換，腐蝕速率的增加速率變緩[10]。

圖2 不同流速條件下腐蝕產(chǎn)物膜形貌

2.CO2分壓變化對(duì)內(nèi)腐蝕的影響

2.1 腐蝕速率分析

在給定CO2分壓條件下，均勻腐蝕速率范圍為0.72～3.44 mm/a；點(diǎn)蝕速率范圍為2.35～11.21 mm/a，均處于極嚴(yán)重的腐蝕程度。由亨利定律可知，在等溫等壓下某種揮發(fā)性溶質(zhì)(一般為氣體)在溶液中的溶解度與液面上該溶質(zhì)的平衡壓力成正比。因此，CO2分壓的變化對(duì)L245M碳鋼腐蝕的影響主要是影響CO2在腐蝕介質(zhì)中的溶解度，進(jìn)而影響L245M碳鋼的腐蝕過(guò)程，當(dāng)CO2分壓增加時(shí)CO2在原油內(nèi)的溶解度增加，金屬基體表面發(fā)生腐蝕幾率增加見(jiàn)圖3。

圖3 腐蝕速率隨CO2分壓變化關(guān)系曲線(xiàn)

2.2 腐蝕產(chǎn)物膜形貌分析

三、結(jié)論

(1)隨介質(zhì)流速的增加，腐蝕產(chǎn)物膜在金屬集體表明的完整性受到了破壞，腐蝕速率呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)。

(2)隨CO2分壓大小的增加，腐蝕性物質(zhì)在腐蝕介質(zhì)中的含量逐漸增多，溶液pH值不斷降低，腐蝕速率呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)。

(3)隨流速的增加腐蝕產(chǎn)物膜在壁面切應(yīng)力的作用下出現(xiàn)了部分脫落現(xiàn)象，此時(shí)腐蝕產(chǎn)物膜對(duì)金屬基體的保護(hù)性受到壁面切應(yīng)力的影響而降低，在腐蝕產(chǎn)物膜剝落處的金屬基體將會(huì)出現(xiàn)二次腐蝕現(xiàn)象，腐蝕速率由此上升。