原油集輸管道在CO2和H2S環(huán)境下的腐蝕規(guī)律研究

丁杰

(江蘇中安科技服務(wù)有限公司，江蘇南京 210046)

隨著對(duì)石油與天然氣資源需求量的不斷增大，很多高含酸性氣體(CO2和H2S)的油氣田逐漸地被投入開發(fā)，導(dǎo)致采出原油及天然氣中會(huì)含有大量的CO2和H2S，這些伴生氣體隨著油田采出液流入到原油集輸管道中，對(duì)原油集輸管道造成嚴(yán)重的腐蝕，存在管道穿孔及原油)泄漏的風(fēng)險(xiǎn)，進(jìn)而給油田的正常生產(chǎn)帶來嚴(yán)重的安全威脅[1-4]。因此，需要對(duì)原油集輸管道在CO2和H2S環(huán)境下的腐蝕規(guī)律開展深入研究，提出相應(yīng)的防護(hù)措施，以降低管道的腐蝕速率，延長(zhǎng)使用壽命。

影響原油集輸管道腐蝕的因素較多，主要包括CO2分壓、H2S分壓、溫度、試驗(yàn)流體含水率、流速以及CO2和H2S的分壓比等[5-10]，其中針對(duì)原油集輸管道CO2腐蝕的研究及報(bào)道相對(duì)較多，而針對(duì)H2S與CO2共存時(shí)對(duì)原油集輸管道的腐蝕規(guī)律研究則相對(duì)較少，同時(shí)CO2和H2S的分壓比也會(huì)對(duì)原油集輸管道的腐蝕產(chǎn)生一定的影響[11-14]。因此，針對(duì)陸上M油田原油采出液中同時(shí)含有CO2和H2S的情況，開展了原油集輸管道在CO2和H2S環(huán)境下的腐蝕規(guī)律研究，并在此基礎(chǔ)上，評(píng)價(jià)了不銹鋼316L在CO2和H2S環(huán)境下的腐蝕情況，優(yōu)選了適合X65鋼的緩蝕劑，為M油田原油高效開采提供一定的技術(shù)支持。

1 試驗(yàn)部分

1.1 主要試驗(yàn)材料及儀器

試驗(yàn)流體為M油田采出液(含水率為65%)；試驗(yàn)用鋼片材質(zhì)分別為X65鋼和316L鋼，鋼片尺寸為25 mm×25 mm×3 mm；緩蝕劑S-11、S-12、S-13及S-14，有效質(zhì)量分?jǐn)?shù)均為85%，實(shí)驗(yàn)室自制；CO2(φ=99.999%)、H2S(φ=99.9%)、氧氣(φ=99.9%)：南京長(zhǎng)元工業(yè)氣體有限公司；石油醚、無水乙醇、六次甲基四胺、濃鹽酸：分析純，天津市津東天正精細(xì)化學(xué)試劑廠。

高溫高壓動(dòng)態(tài)腐蝕反應(yīng)釜(主要包括反應(yīng)釜體、溫度控制系統(tǒng)、壓力控制系統(tǒng)以及攪拌裝置等)，海安石油科研儀器有限公司。

1.2 試驗(yàn)方法

采用高溫高壓動(dòng)態(tài)腐蝕反應(yīng)釜評(píng)價(jià)鋼片在CO2，H2S存在條件下的腐蝕速率大小，具體試驗(yàn)方法為：①使用石油醚和無水乙醇充分浸泡鋼片后，將其放置于干燥皿中，4 h后取出，稱量鋼片的初始質(zhì)量；②將鋼片懸掛于高溫高壓動(dòng)態(tài)腐蝕反應(yīng)釜中，然后倒入M油田采出液，密封反應(yīng)釜，通入氮?dú)獬シ磻?yīng)釜中的氧氣；③升高反應(yīng)溫度至一定值，然后通入CO2或者H2S至試驗(yàn)壓力值，啟動(dòng)攪拌裝置，在一定的轉(zhuǎn)速(500 r/min)條件下開展動(dòng)態(tài)腐蝕試驗(yàn)；④試驗(yàn)時(shí)間為72 h，試驗(yàn)完畢后，取出鋼片，使用蒸餾水沖洗，然后再用六次甲基四胺和鹽酸的混合液浸泡除去表面腐蝕產(chǎn)物，最后將鋼片放置于干燥皿中，4 h后取出，稱量鋼片腐蝕后的質(zhì)量，計(jì)算腐蝕速率。

2 結(jié)果與討論

2.1 原油集輸管道腐蝕規(guī)律

2.1.1 CO2分壓對(duì)腐蝕的影響

按照1.2中的試驗(yàn)方法，試驗(yàn)用鋼片材質(zhì)為X65，試驗(yàn)溫度為40 ℃，評(píng)價(jià)了不同CO2分壓對(duì)腐蝕速率的影響，試驗(yàn)結(jié)果見圖1。

圖1 CO2分壓對(duì)腐蝕速率的影響

由圖1可見：隨著CO2分壓的逐漸升高，X65鋼片的腐蝕速率逐漸增大，當(dāng)CO2分壓為1.5 MPa時(shí)，腐蝕速率可以達(dá)到1.744 mm/a。這是由于CO2分壓越高，其在試驗(yàn)流體中的溶解度就越高，溶液中的碳酸含量就越高，進(jìn)而加速陰極反應(yīng)，加快腐蝕反應(yīng)的速率。

2.1.2 H2S分壓對(duì)腐蝕的影響

按照1.2中的試驗(yàn)方法，試驗(yàn)用鋼片材質(zhì)為X65，試驗(yàn)溫度為40 ℃，評(píng)價(jià)了不同H2S分壓對(duì)腐蝕速率的影響，試驗(yàn)結(jié)果見圖2。

圖2 H2S分壓對(duì)腐蝕速率的影響

由圖2可見：隨著H2S分壓的逐漸升高，X65鋼片的腐蝕速率逐漸增大，當(dāng)H2S分壓為1.2 MPa時(shí)，腐蝕速率可以達(dá)到0.513 mm/a。這是由于H2S的分壓越高，腐蝕產(chǎn)物膜的溶解程度就越高，從而加大了金屬表面的腐蝕速率；另一方面，H2S分壓的增大加劇了陰極析氫的反應(yīng)進(jìn)程，同樣加速了試驗(yàn)流體對(duì)金屬鋼片的腐蝕速率。

2.1.3 CO2與H2S分壓比對(duì)腐蝕的影響

按照1.2中的試驗(yàn)方法，試驗(yàn)用鋼片材質(zhì)為X65，試驗(yàn)溫度為40 ℃，固定CO2分壓為1.5 MPa，通過改變H2S分壓來調(diào)節(jié)CO2與H2S分壓比，評(píng)價(jià)了不同CO2與H2S分壓比對(duì)腐蝕速率的影響，試驗(yàn)結(jié)果見圖3。

圖3 CO2與H2S分壓比對(duì)腐蝕速率的影響

由圖3可見：在固定CO2分壓為1.5 MPa的條件下，隨著CO2與H2S分壓比的逐漸降低，即H2S分壓的逐漸增大，X65鋼片的腐蝕速率呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢(shì)，且在不同的分壓比條件下鋼片的腐蝕速率均比在單獨(dú)CO2環(huán)境下腐蝕速率小。這是由于在CO2存在的情況下，加入少量的H2S后，腐蝕產(chǎn)物沉積在鋼片表面，阻礙了腐蝕進(jìn)程的加劇，而繼續(xù)增大H2S的分壓，腐蝕產(chǎn)物層會(huì)變得較疏松，且容易剝落，進(jìn)而誘發(fā)金屬基體表面發(fā)生電偶腐蝕，減弱了腐蝕產(chǎn)物膜對(duì)鋼片的保護(hù)效果。綜合分析，在CO2存在的條件中，H2S的存在能夠明顯抑制X65鋼片的腐蝕。

2.1.4 溫度對(duì)腐蝕的影響

按照1.2中的試驗(yàn)方法，試驗(yàn)用鋼片材質(zhì)為X65，CO2分 壓 為1.5 MPa，H2S分 壓 為1.2 MPa，評(píng)價(jià)了不同試驗(yàn)溫度對(duì)腐蝕速率的影響，試驗(yàn)結(jié)果見圖4。

圖4 溫度對(duì)腐蝕速率的影響

由圖4可見：在CO2和H2S共同存在的情況下，隨著試驗(yàn)溫度的不斷升高，X65鋼片的腐蝕速率呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)。當(dāng)試驗(yàn)溫度為70 ℃時(shí)，腐蝕速率達(dá)到最大，為1.625 mm/a。這是由于當(dāng)試驗(yàn)溫度較低時(shí)，隨著溫度的升高，CO2和H2S在試驗(yàn)流體中的溶解度逐漸增大，并且鐵離子的溶解速度也逐漸加快，從而使腐蝕速率逐漸增大；而當(dāng)溫度升高至一定值時(shí)，腐蝕生成的鐵腐蝕產(chǎn)物膜的溶解度會(huì)有所下降，鐵腐蝕產(chǎn)物從試驗(yàn)流體中析出，形成一層比較致密的保護(hù)膜沉積在鋼片表面，對(duì)鋼片形成了保護(hù)，從而在一定程度上降低了腐蝕速率。

2.2 原油集輸管道防腐蝕措施

2.2.1 管道材質(zhì)的選擇

由于碳鋼X65鋼在CO2和H2S存在的情況下腐蝕較為嚴(yán)重，考慮將原油集輸管道鋼材材質(zhì)更換為不銹鋼316L。室內(nèi)采用不銹鋼316L鋼片，在CO2分壓為1.5 MPa，H2S分壓為1.2 MPa時(shí)，評(píng)價(jià)了不同試驗(yàn)溫度對(duì)腐蝕速率的影響，試驗(yàn)結(jié)見圖5。

圖5 316L鋼片在不同溫度下的腐蝕速率

由圖5可見：隨著試驗(yàn)溫度的不斷升高，316L鋼片的腐蝕速率同樣呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)，與X65鋼片的試驗(yàn)結(jié)果趨勢(shì)相似。當(dāng)試驗(yàn)溫度為70 ℃時(shí)，腐蝕速率達(dá)到最大，為0.092 mm/a，腐蝕速率較小，屬于輕度腐蝕，表明不銹鋼316L具有良好的耐腐蝕性能，在CO2和H2S存在時(shí)仍能保持較低的腐蝕速率，能夠滿足原油集輸管道在CO2和H2S環(huán)境下防腐的需要。

2.2.2 緩蝕劑優(yōu)選

目前M油田最常用的原油集輸管道材質(zhì)為X65鋼，考慮到更換不銹鋼材質(zhì)的管道會(huì)增大油田運(yùn)營(yíng)的成本，因此，室內(nèi)對(duì)X65鋼在添加緩蝕劑后的防腐蝕效果進(jìn)行了評(píng)價(jià)。在CO2分壓為1.5 MPa，H2S分壓為1.2 MPa，試驗(yàn)溫度為40 ℃，考察了4種不同類型緩蝕劑的加量對(duì)腐蝕速率的影響，試驗(yàn)結(jié)果見圖6。

由圖6可見：不同類型的緩蝕劑對(duì)X65鋼片的腐蝕均能起到一定的緩蝕效果，且隨著緩蝕劑加量的增大，鋼片的腐蝕速率逐漸降低，其中緩蝕劑S-12的防腐蝕效果最好，當(dāng)其加量(ρ)為250 mg/L時(shí)，鋼片的腐蝕速率可以降低至0.076 mm/a以下，起到了較好的緩蝕效果。該緩蝕劑能夠有效地減弱X65鋼在原油集輸過程中的腐蝕程度，延長(zhǎng)管道的使用壽命。

圖6 緩蝕劑優(yōu)選評(píng)價(jià)結(jié)果

3 結(jié)論

1)隨著CO2和H2S分壓的不斷增大，X65鋼片的腐蝕速率逐漸增大；在CO2存在的情況下，隨著H2S含量的逐漸增大，X65鋼片的腐蝕速率呈先減小后增大的趨勢(shì)；在CO2和H2S共存的情況下，隨著溫度的升高，X65鋼片的腐蝕速率呈先增大后減小的趨勢(shì)。

2)在CO2和H2S共存的情況下，不銹鋼316L的腐蝕速率明顯低于X65鋼，具有良好的耐腐蝕性能，能夠滿足原油集輸管道在CO2和H2S環(huán)境下防腐的需要。

3)緩蝕劑的加入可以有效減緩X65鋼片的腐蝕速率，其中緩蝕劑S-12的效果最好，當(dāng)其加量(ρ)為250 mg/L時(shí)，腐蝕速率可以降低至0.076 mm/a以下，可有效地降低原油集輸管道的腐蝕程度，延長(zhǎng)管道的使用壽命。