不同pH值的NaCl溶液對N80鋼腐蝕磨損的影響研究*

李學(xué)順，孫福洋，侯 斌

(西安特種設(shè)備檢驗檢測院，陜西 西安 710065)

在油氣開采過程中，井下采油液夾雜著固體顆粒與各類腐蝕性氣體，構(gòu)成一個復(fù)雜的多相流腐蝕介質(zhì)體系。該體系在油套管內(nèi)不斷流動，導(dǎo)致基體表面發(fā)生嚴(yán)重的腐蝕磨損，降低了材料的使用壽命，造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失[1-2]。腐蝕磨損不是單純腐蝕和磨損的簡單疊加，兩者存在較大的交互作用，其實質(zhì)是電化學(xué)因素和力學(xué)因素對材料的共同作用。腐蝕磨損受多種因素影響，包括材料因素、電化學(xué)因素、固體顆粒因素和力學(xué)因素等[3-4]。

目前關(guān)于油套管鋼的腐蝕磨損研究比較零散，其研究方法主要是質(zhì)量損失法,雖然可以直觀地反映腐蝕磨損程度，但在腐蝕磨損機(jī)理分析方面存在不足[5-6]。采用質(zhì)量損失法和電化學(xué)方法，研究了N80鋼在不同pH值的NaCl溶液中的腐蝕磨損行為，分析了腐蝕磨損規(guī)律，為N80鋼在油氣開采工程中的應(yīng)用提供理論參考。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

試驗材料為N80油套管鋼，規(guī)格為：φ177.80 mm×10.36 mm，其化學(xué)成分見表1。

表1 N80油套管鋼的化學(xué)成分 w,%

采用線切割機(jī)將N80油套管鋼加工成尺寸為20 mm×10 mm×5 mm的塊狀試樣。靜態(tài)腐蝕和動態(tài)腐蝕磨損試驗前塊狀試樣用金相砂紙逐級打磨，以消除機(jī)加工劃痕，再用無水乙醇沖洗，丙酮除油，冷風(fēng)吹干并稱質(zhì)量。電化學(xué)試樣背面點焊引出銅導(dǎo)線，非工作面采用環(huán)氧樹脂密封，工作面采用金相砂紙逐級打磨拋光，然后用無水乙醇沖洗，丙酮除油，冷風(fēng)吹干待用。

1.2 試驗方法

腐蝕介質(zhì)為中性去離子水配制的濃度為 1 mol/L 的NaCl溶液，分別采用1 mol/L的鹽酸和1 mol/L的NaOH溶液調(diào)節(jié)其pH值為3，7和11。

靜態(tài)腐蝕試驗：將其中一組塊狀試樣放入腐蝕介質(zhì)中進(jìn)行靜態(tài)腐蝕試驗，腐蝕時間為9 h。

動態(tài)腐蝕磨損試驗：先往腐蝕介質(zhì)中加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%的石英砂作為固體顆粒物，其粒徑為 0.4～0.6 mm，再將另一組塊狀試樣放入其中進(jìn)行動態(tài)腐蝕磨損試驗，攪拌器轉(zhuǎn)速為900 r/min，腐蝕磨損時間為9 h。對于動態(tài)腐蝕磨損后試樣，采用JSM-6390A型掃描電鏡(SEM)觀察其表面的腐蝕產(chǎn)物微觀形貌，并采用能譜分析儀(EDS)分析其元素組成。采用除銹液清除靜態(tài)腐蝕試樣和動態(tài)腐蝕磨損試樣表面的腐蝕產(chǎn)物，采用FR-300MKII型電子天平(精度1 mg)對清洗后的試樣進(jìn)行稱質(zhì)量，并計算其腐蝕速率。

采用德國Zennium E型電化學(xué)工作站進(jìn)行電化學(xué)試驗，試驗條件與動態(tài)腐蝕磨損試驗相同。試驗采用三電極測試體系，即以電化學(xué)試樣作為工作電極，飽和甘汞電極(SCE)為參比電極，鉑電極為輔助電極進(jìn)行動電位極化曲線測試，極化掃描速率為5.5 mV/s。

2 結(jié)果與討論

2.1 腐蝕磨損速率分析

圖1是試樣在不同pH值的NaCl溶液中的靜態(tài)腐蝕和動態(tài)腐蝕磨損速率。由圖1可見，試樣在pH值為3的NaCl溶液中的動態(tài)腐蝕磨損速率最大，為3.978 g/(m2·h)；而在pH值為7的NaCl溶液中的動態(tài)腐蝕磨損速率最小，為 2.766 g/(m2·h)。另外，在不同pH值的NaCl溶液中，試樣的動態(tài)腐蝕磨損速率均遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其靜態(tài)腐蝕速率，說明腐蝕與磨損存在較大的交互作用。

圖1 試樣靜態(tài)腐蝕和動態(tài)腐蝕磨損速率

2.2 SEM觀察及EDS分析

采用SEM觀察動態(tài)腐蝕磨損后試樣表面的腐蝕產(chǎn)物微觀形貌，其微觀形貌見圖2，并對指定區(qū)域進(jìn)行EDS分析，分析結(jié)果見表2。

圖2 腐蝕磨損后試樣表面微觀形貌

表2 能譜分析結(jié)果

從圖2和表2可以看出，試樣在pH值為3的NaCl溶液中腐蝕磨損后，其表面附著一層疏松的腐蝕產(chǎn)物膜，膜層較薄且面積較小，腐蝕產(chǎn)物中O與Fe的原子比為2.75，這說明當(dāng)pH值為3時，溶液中充足的氧會迅速地將Fe2+氧化為Fe3+，鐵發(fā)生析氫腐蝕；試樣在pH值為7的NaCl溶液中腐蝕磨損后，其表面覆蓋著大面積的腐蝕產(chǎn)物膜，膜層較厚且致密，呈塊狀分布，腐蝕產(chǎn)物中O與Fe的原子比為2.34，Cl的原子分?jǐn)?shù)較高，為 3.75%，這說明致密的腐蝕產(chǎn)物膜在一定程度上滯留了溶液中的腐蝕性氯離子，阻隔了氯離子的擴(kuò)散，起到了減緩腐蝕的作用；試樣在pH值為11的NaCl溶液中腐蝕磨損后，其表面出現(xiàn)較大且深的腐蝕沖擊坑，腐蝕產(chǎn)物中O與Fe的原子比為1.99，這說明隨著pH值的增大，溶液中的氧含量急劇降低，不足以將Fe2+氧化為Fe3+，鐵易發(fā)生吸氧腐蝕。

清除動態(tài)腐蝕磨損后試樣表面的腐蝕產(chǎn)物，繼續(xù)采用掃描電鏡觀察，其微觀形貌見圖3。

圖3 去除腐蝕產(chǎn)物后試樣表面微觀形貌

從圖3可以看出：試樣在pH值為3的NaCl溶液中動態(tài)腐蝕磨損后，其表面腐蝕沖擊坑分布密集、較小且淺，主要以腐蝕為主；試樣在pH值為7的NaCl溶液中動態(tài)腐蝕磨損后，其表面的腐蝕沖擊坑較小，且相互重疊和相連成大的沖擊坑，坑的底部和邊緣出現(xiàn)塑性變形，碎化現(xiàn)象不明顯；試樣在pH值為11的NaCl溶液中動態(tài)腐蝕磨損后，其表面的腐蝕沖擊坑較大且深，呈鵝卵石形，以沖擊磨損為主，腐蝕沖擊坑邊緣出現(xiàn)明顯的塑性變形，其中最大腐蝕沖擊坑直徑為26 μm，深度為12 μm。

在腐蝕磨損過程中，試樣承受液體和固體的雙重高速沖擊磨損，其表面發(fā)生塑性變形，產(chǎn)生較小的薄片。在pH值為3的NaCl溶液中，由于腐蝕作用較強(qiáng)導(dǎo)致薄片快速斷裂脫落，試樣表面的塑性變形程度較輕，腐蝕沖擊坑分布密集、較小且淺。在pH值為7和11的NaCl溶液中，由于腐蝕作用較弱，試樣表面的薄片被不斷地沖擊磨損，其塑性變形越來越嚴(yán)重，最終呈片狀脫落，使材料表面出現(xiàn)較大且深的腐蝕沖擊坑。

2.3 電化學(xué)分析

圖4是N80鋼試樣在不同pH值的NaCl溶液中動態(tài)腐蝕磨損后的動電位極化曲線，其擬合結(jié)果見表3。從圖4和表3可以看出，在不同pH值的NaCl溶液中，試樣動態(tài)腐蝕磨損后均未出現(xiàn)明顯的鈍化區(qū)。自腐蝕電位Ecorr隨著pH值的增大先正移后負(fù)移，說明腐蝕傾向隨著pH值的增大先減小后增大。自腐蝕電流icorr隨著pH值的增大先減小后增大，根據(jù)Faraday第二定律，腐蝕速率與腐蝕電流密度成正比,因此，隨著pH值的增大，試樣的腐蝕速率呈現(xiàn)先減小后增大的變化趨勢。

圖4 試樣動態(tài)腐蝕磨損后的極化曲線

表3 極化曲線擬合結(jié)果

3 結(jié) 論

(1)N80鋼在pH值為3的NaCl溶液中腐蝕磨損速率最大，在pH值為7的NaCl溶液中腐蝕磨損速率最小。

(2)在不同pH值的NaCl溶液中，由于腐蝕與磨損存在較大的交互作用，導(dǎo)致N80鋼試樣的動態(tài)腐蝕磨損速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其靜態(tài)腐蝕速率。

(3)N80鋼試樣在不同pH值的NaCl溶液中動態(tài)腐蝕磨損后均未出現(xiàn)明顯的鈍化區(qū)，隨著pH值的增大，其腐蝕傾向和腐蝕速率均呈現(xiàn)先減小后增大的變化趨勢。