油田集輸管線電化學(xué)腐蝕及防護(hù)研究

摘????? 要：油田集輸管線電化學(xué)腐蝕問題嚴(yán)重影響管線系統(tǒng)的使用壽命，為解決這一問題，對油田集輸管線電化學(xué)腐蝕現(xiàn)象進(jìn)行了評價(jià)。采用油田集輸管線中常應(yīng)用的316L不銹鋼作為實(shí)驗(yàn)對象，利用不同質(zhì)量濃度的氯離子對316L不銹鋼腐蝕，通過掃描電鏡和能譜分析得到質(zhì)量濃度為10 g·L^-1與50 g·L^-1氯離子侵蝕下的316L不銹鋼微觀形貌，具體分析得知，10 g·L^-1氯離子對316L不銹鋼侵蝕較輕，然而隨著氯離子濃度的增加，氯離子對316L不銹鋼侵蝕隨之增加，在氯離子質(zhì)量濃度為50 g·L^-1時(shí)，316L不銹鋼腐蝕現(xiàn)象嚴(yán)重。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)油田集輸管線電化學(xué)腐蝕情況提出了相應(yīng)的防護(hù)措施。

關(guān)? 鍵? 詞：集輸管線;電化學(xué);腐蝕;防護(hù);氯離子;微觀形貌

中圖分類號：TE988?????? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A?????? 文章編號： 1671-0460（2020）07-1309-04

Research on Electrochemical Corrosion and Protection

of Oilfield Gathering Pipelines

WANG Jian-guo

（Daqing Oilfield Co.， Ltd.， Fourth Oil Production Plant Infrastructure Project Management Center，

Daqing Heilongjiang 163511， China）

Abstract： The electrochemical corrosion problem of oilfield gathering and transportation pipelines seriously affects the service life of pipeline systems. To solve this problem， the electrochemical corrosion phenomenon of oilfield gathering and transportation pipelines was evaluated. The 316L stainless steel commonly used in oilfield gathering and transportation pipelines was used as the experimental object. The 316L stainless steel was corroded with different concentrations of chloride ions， and the morphology of 316L stainless steel corroded by 10 g·L-1and 50 g·L-1 chloride ions was obtained by scanning electron microscope and energy spectrum analysis. Specific analysis results showed that 10 g·L-1 chloride ion lightly corroded 316L stainless steel. However， as the chloride ion concentration increased， the corrosion of 316L stainless steel by chloride ion increased. When the chloride ion concentration was? 50 g·L-1， 316L stainless steel was seriously corroded. At last， corresponding protective measures were proposed based on the electrochemical corrosion conditions of oilfield gathering and transportation pipelines.

Key words： Gathering and transportation pipeline; Electrochemistry; Eorrosion; Protection; Chloride ion; Micro-morphology

隨著石油需求量的增加，石油開采量增長迅速，管道輸送具有安全、運(yùn)行成本低等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用到流體輸送中。在石油運(yùn)輸中，管道腐蝕是現(xiàn)階段重點(diǎn)的研究內(nèi)容，主要分為內(nèi)部腐蝕和外部腐蝕，其中內(nèi)部腐蝕是因?yàn)槟壳按蠖鄶?shù)油田都處于開采后期，油田進(jìn)入高采出比、高含水階段，油田中的油水分離難度較大，含水、含鹽增加，酸值升高，增加了原油的腐蝕性。外部腐蝕是指油田集輸管線大部分被埋在地下，長期運(yùn)輸過程中，會受到管輸介質(zhì)、土壤以及雜散電流等的影響，腐蝕管線，造成管壁變薄，甚至引發(fā)穿孔泄漏事故的發(fā)生，導(dǎo)致管道失效。若油田輸管線發(fā)生問題，不僅會引起嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失，還會對環(huán)境造成嚴(yán)重的影響，從而危害人們的身體健康。據(jù)了解，很多油田輸送管道僅僅使用2～3年就會因?yàn)楦g而不能繼續(xù)使用，大大降低了設(shè)備的使用壽命，并增加設(shè)備的運(yùn)行費(fèi)用，對油田的正常開采工作造成影響。因此，對油田集輸管線的腐蝕研究非常重要，此次重點(diǎn)研究油田集輸管線電化學(xué)腐蝕現(xiàn)象。電化學(xué)腐蝕就是金屬與電解質(zhì)組成兩個(gè)電極，組成腐蝕原電池，不純的金屬與電解質(zhì)溶液相接觸時(shí)，比較活潑的金屬失去電子而被氧化，即為電化學(xué)腐蝕。此次試驗(yàn)重點(diǎn)研究了質(zhì)量濃度為10 g·L^-1和50 g·L^-1的氯離子對316L不銹鋼腐蝕情況，并通過研究結(jié)果提出了相應(yīng)的防護(hù)措施，從而為油田管線保護(hù)提供參考。

1?? 實(shí)驗(yàn)

1.1? 材料

實(shí)驗(yàn)選取某油田的原油，其集輸式樣分析數(shù)據(jù)如表1所示。

分析表1可知，除了試樣1以外，其他樣品的陰離子含量均較高，其中含量最多的是Cl^-，是腐蝕管道的重要因素之一，另外SO₄^2-離子^[1]的質(zhì)量濃度也較高，因此選用試樣1對不銹鋼內(nèi)侵蝕。

此次研究的重點(diǎn)研究對象為管線中的不銹鋼內(nèi)襯部分，實(shí)驗(yàn)材料為316L不銹鋼^[2]，該材料取自某油田現(xiàn)場。316L不銹鋼屬于奧氏體不銹鋼，耐蝕性能較為優(yōu)越，已經(jīng)廣泛應(yīng)用到油田地面集輸管線^[3]的鋪設(shè)。316L不銹鋼顯微組織金相圖如圖1所示。

分析圖1可知，該不銹鋼的奧氏體組織較為均勻，無明顯缺陷，由于該試樣原材料為軋制而成的板材，因而組織有輕微的曲線變化。

在實(shí)驗(yàn)前，對實(shí)驗(yàn)鋼做如下處理：

將316L不銹鋼進(jìn)行切割，并用砂紙逐級打磨，利用卡尺測量鋼片的長寬高;用丙酮溶液浸泡316L不銹鋼，去除316L不銹鋼表面的油污;將316L不銹鋼浸泡在質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為25%、50%、75%和100%的無水乙醇中，脫水15 min;上述步驟完成后，等到鋼片干燥后稱取其重量，以供實(shí)驗(yàn)使用。

對于316L不銹鋼來說，氯離子是誘發(fā)腐蝕的重要因素之一，因此選擇相對腐蝕^[4]較輕的氯離子質(zhì)量濃度10 g·L^-1條件和氯離子質(zhì)量濃度最高的50 g·L^-1作為研究條件。

1.2? 方法

1.2.1 ?電化學(xué)實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

采用電化學(xué)阻抗測量^[5]方法，該方法測量得到的阻抗和導(dǎo)納為頻率的函數(shù)，阻抗實(shí)體對虛部作圖，能夠得到阻抗復(fù)平面圖^[6]。

電化學(xué)腐蝕試驗(yàn)采集式樣為10 mm×10 mm正方形316L鋼，實(shí)驗(yàn)時(shí)將試樣上端與絕緣外皮的銅導(dǎo)線相連，利用環(huán)氧樹脂^[7]包覆其他非工作面，只露出電極的工作面，再用離子水和酒精沖洗工作面，吹干等待實(shí)驗(yàn)，根據(jù)上述方法制成的工作電極用來化學(xué)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中，測量的頻率范圍^[8]為10⁵～10^-2Hz，并將測量試樣放置在密封測量瓶中，確保測量過程中的溶液處于厭氧狀態(tài)^[9]。主要應(yīng)用到的實(shí)驗(yàn)儀器如表2所示。

在電化學(xué)測量中，測量316L不銹鋼在浸泡不同時(shí)間的電化學(xué)阻抗譜，為了保證電化學(xué)測量中瓶內(nèi)溶液始終處于厭氧狀態(tài)，利用石蠟將測量瓶密封

1.2.2 ?顯微分析

實(shí)驗(yàn)后的316L不銹鋼形貌特征的觀察使用電子顯微鏡觀察，并利用X射線能譜儀^[10]分析316L不銹鋼點(diǎn)蝕坑主要元素的變化。

2? 結(jié)果討論

點(diǎn)蝕是對油田集輸管線危害較大的腐蝕形式，氯離子是導(dǎo)致輸管線發(fā)生點(diǎn)蝕的重要因素之一。? 質(zhì)量濃度為10 g·L^-1與50 g·L^-1氯離子侵蝕下的316L不銹鋼微觀形貌由掃描電鏡和能譜分析得到。圖2為氯離子質(zhì)量濃度為10 g·L^-1時(shí)的316L不銹鋼微觀形貌。

分析圖2可知，在腐蝕坑的位置旁氧、鋁、鐵等元素都發(fā)生了改變。圖3為氯離子質(zhì)量濃度為

50 g·L^-1時(shí)的316L不銹鋼微觀形貌。

分析圖3可知，氯離子對316L不銹鋼的影響非常大，為使實(shí)驗(yàn)結(jié)果更加直觀，在下面步驟做詳細(xì)分析。

圖4為不同氯離子濃度條件下的316L不銹鋼的電化學(xué)阻抗譜。

分析圖4可知，兩種氯離子濃度下的電化學(xué)阻抗普均為單容抗弧結(jié)構(gòu)，相比之下，氯離子質(zhì)量濃度為10 g·L^-1時(shí)不銹鋼的容抗弧直徑較大，說明質(zhì)量濃度為10 g·L^-1時(shí)不銹鋼的耐腐蝕性能較好。由于316L不銹鋼的腐蝕產(chǎn)物膜為雙層結(jié)構(gòu)，因此對腐蝕性能進(jìn)一步分析，分析結(jié)果如表3所示。

分析表3可知，隨著氯離子濃度的增加，溶液電阻值Rs減小，說明溶液的導(dǎo)電性能提高，并且外層電阻均有減小，說明鈍化膜因?yàn)槁入x子金屬離子形成溶鹽或者絡(luò)合物，從而使316L不銹鋼發(fā)生破壞。綜上所述，上述分析與不銹鋼的電化學(xué)阻抗譜得到的結(jié)果一致，說明隨著氯離子濃度的提高，會增加316L不銹鋼的腐蝕情況。

3? 油田集輸管線電化學(xué)腐蝕防護(hù)措施

3.1? 油田集輸管線電化學(xué)腐蝕內(nèi)部防護(hù)

在上述腐蝕現(xiàn)象分析完成的基礎(chǔ)上，提出相應(yīng)的防護(hù)措施。向油田集輸管線中添加緩蝕劑，在管線中添加緩蝕劑可增強(qiáng)腐蝕反應(yīng)需要的活化能，并在金屬表面形成保護(hù)膜，減慢腐蝕速率，阻礙電

荷^[11]轉(zhuǎn)移，同時(shí)降低穿孔數(shù)量。除此之外，在管道內(nèi)使用內(nèi)涂層技術(shù)，由于單獨(dú)使用陰極保護(hù)時(shí)保護(hù)電流較大，保護(hù)費(fèi)用高，應(yīng)采用涂層對其防護(hù)。涂層選取應(yīng)選取附著力^[12]好、抗?jié)B透性強(qiáng)和機(jī)械性能高的涂料。但是由于涂層本身具有一定的缺陷，在長期使用中，涂層逐漸產(chǎn)生針孔^[13]，從而造成介質(zhì)與金屬表面的接觸，使裸露部分的金屬與涂層形成局部電池，造成局部嚴(yán)重腐蝕。所以將涂層與陰

極^[14]保護(hù)結(jié)合，以彌補(bǔ)涂層的缺陷，防止涂層發(fā)生劣化現(xiàn)象，減少單獨(dú)使用時(shí)出現(xiàn)不利因素。

3.2? 油田集輸管線電化學(xué)腐蝕外部防護(hù)

電化學(xué)保護(hù)分為陰極保護(hù)和陽極保護(hù)，電化學(xué)保護(hù)適用于腐蝕嚴(yán)重的管道中，考慮到管線輸送的實(shí)際情況，采用兩種方法結(jié)合的方法進(jìn)行保護(hù)。陰極防護(hù)，分為犧牲陽極的外陰保護(hù)法和外加強(qiáng)制電流的陰極保護(hù)法。犧牲陽極的陰極保護(hù)法，主要將電位低和活性強(qiáng)的金屬或合金接在管道的外壁上，作為陰極，主要是接收電子，與電化學(xué)反應(yīng)的陽極結(jié)合，從而對管道保護(hù)，主要的材料包括鎂合金、鋁合金和鋅合金。外加強(qiáng)制電流的陰極保護(hù)法，將管道的金屬端^[15]與外加直流電源連接，正極與輔助陽極相連接。連接后管道與陽極之間產(chǎn)生電位差，從而保護(hù)作為陰極的管道。該方法的保護(hù)距離相對較長，操作簡單，受其他散電流的影響小。

排流保護(hù)，由于管道中存在雜散電流，因此采用排流的方式降低對管線的腐蝕性，主要包括直接排流法、極性排流法、強(qiáng)制排流法和接地排流法。直接排流主要利用導(dǎo)線連接管道和鐵軌，不需要其他設(shè)備的幫助，適用于順流情況;極性排流法與強(qiáng)制排流法需要借助不同的設(shè)備，以將管道與鐵軌連接。

通過上述保護(hù)措施，防止和抑制管線腐蝕現(xiàn)象的發(fā)生。

4? 結(jié)束語

此次研究重點(diǎn)分析了油田集輸管線中的腐蝕成分以及影響因素，并在此基礎(chǔ)上，提出有效的解決辦法。基于此次研究的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，經(jīng)過綜合對比可知，氯離子質(zhì)量濃度為10 g·L^-1時(shí)不銹鋼的容抗弧直徑較大，說明質(zhì)量濃度為10 g·L^-1時(shí)不銹鋼的耐腐蝕性能較好。而隨著氯離子質(zhì)量濃度增加到50 g·L^-1時(shí)，對不銹鋼的影響較大，增加了不銹鋼的腐蝕情況。雖然此次研究取得了一定的研究成果，但是仍然存在一些問題需要改進(jìn)，在后續(xù)的研究中重點(diǎn)研究以下兩部分：第一，在涂層的選擇上，沒有詳細(xì)選擇，在后續(xù)選擇中應(yīng)先進(jìn)行附著力測試、耐腐蝕浸泡等，以選擇應(yīng)用效果好的防護(hù)涂層;第二，實(shí)驗(yàn)材料的選擇上具有一定的局限性，雖然接近了實(shí)際工況的使用條件，但是還存在一定的不足。因此，在后續(xù)的研究中做更加深入的研究，以完善對油田集輸管線腐蝕性能評價(jià)方案。

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基金項(xiàng)目：國家科技重大專項(xiàng)課題，大型油氣田及煤層氣開發(fā)（項(xiàng)目編號：2015E-400801）。

收稿日期： 2020-02-23

作者簡介：王建國（1969-），男，黑龍江大慶市人，工程師，2004年畢業(yè)于大慶石油學(xué)院石油工程專業(yè)，研究方向：油田基建地面工程。

E-mail：dqwangjianguo@petrochina.com.cn。