正交試驗法研究X80管線鋼在CO2環(huán)境中的腐蝕行為

王 佳,趙 偉,張 輝

齊魯工業(yè)大學(xué)(山東省科學(xué)院) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院,濟(jì)南 250353

現(xiàn)代油氣運(yùn)輸管道工程應(yīng)用日益平?；?運(yùn)輸管道鋼的腐蝕問題也引起了國家企業(yè)的重視,CO2腐蝕作為管道腐蝕的重要因素之一,不僅帶來了巨大經(jīng)濟(jì)損失,同時也造成了極大的安全隱患[1]。干燥的CO2是不會對鋼材發(fā)生腐蝕的,但只要接觸到H2O,CO2就很容易和H2O形成H2CO3,在pH同樣大的情況下,碳酸對碳鋼管道的腐蝕有時候比完全電離的鹽酸還要大[2]。

綜合國內(nèi)外對CO2油氣管道腐蝕問題的研究現(xiàn)狀,發(fā)現(xiàn)環(huán)境因素和材料因素對CO2腐蝕的影響較大[3],并且有很多CO2油氣管道鋼腐蝕問題的電化學(xué)腐蝕機(jī)理模型[4]。國內(nèi)外研究表明管線鋼CO2腐蝕是電化學(xué)反應(yīng)過程[5],因此采用電化學(xué)測試技術(shù)能更好的研究油氣管道鋼的CO2腐蝕行為規(guī)律,研究發(fā)現(xiàn)溫度對管道鋼的腐蝕速率有很大的影響,腐蝕速率在某一溫度時達(dá)到最大,腐蝕速率達(dá)到最大溫度也因腐蝕環(huán)境不同而不同[6]。CO2分壓對油氣管道鋼的腐蝕影響也非常大,它是通過改變?nèi)芤旱膒H值和溶解在溶液中的CO2系列化合物的濃度來影響腐蝕速率[7]。流速也能夠影響CO2的腐蝕,研究發(fā)現(xiàn)腐蝕電流的密度在海水中隨流速的增大而增大[8]。在材料方面合金元素和顯微組織也對碳鋼的腐蝕速率有很大的影響,通常在碳鋼中添加Cr、Ni等合金元素來提高抗CO2的腐蝕性能[9],不同的熱處理工藝也會改變鋼材組織的抗CO2的腐蝕性能[10]。

X80管線鋼在我國油氣管道運(yùn)輸工程上已得到普遍的應(yīng)用,為我國帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)效益,我國X80管線鋼的研發(fā)在國際上也趨于成熟,但還存在許多問題[11]。因此,X80管線鋼的CO2腐蝕問題值得深入研究。本文通過正交試驗研究了X80管線鋼在CO2環(huán)境中受溫度、壓力、流速影響的腐蝕行為和規(guī)律。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

試驗材料為X80管線鋼,其化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))如表1所示。

表1 X80管線鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) %

圖1為其母材組織,由圖1可以看出X80管線鋼母材主要由粒狀貝氏體與多邊形鐵素體構(gòu)成。試驗前將母材制為10 mm×10 mm×3 mm電化學(xué)試樣,暴露面積為1 cm2。將試樣表面經(jīng)80#,200#,400#,600#的金相砂紙逐級打磨至鏡面,用蒸餾水清洗,無水乙醇吹干備用,試驗溶液為純水。

圖1 X80管線鋼母材組織

1.2 試驗方法

采用三因素三水平L9(33)的正交試驗法研究溫度、壓力、流速對CO2環(huán)境中X80管線鋼腐蝕行為的影響,參數(shù)如表2所示。試驗過程中,轉(zhuǎn)速設(shè)置為0、200、400 r/min,對應(yīng)的流速分別為0.0、0.2、0.6 m/s。

表2 正交試驗因素水平表

采用YZEPCR-500高溫高壓反應(yīng)釜、Interface1000電化學(xué)工作站進(jìn)行試驗,參比電極為銀氯化銀參比電極(Ag/Agcl),輔助電極為鉑片電極。試驗開始前先向溶液中通入2 h CO2進(jìn)行除氧,在整個試驗過程中持續(xù)通入CO2至試驗結(jié)束。先測量1 h的開路電位,開路電位穩(wěn)定后進(jìn)行極化曲線的測量,極化曲線測量時掃描速率為0.5 mV/s,掃描范圍相對開路電位為-0.5～0.5 V。采用塔菲爾斜率外推法對極化曲線進(jìn)行擬合,采用極差分析法對正交試驗結(jié)果分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 開路電位分析

各因素水平下的開路電位正交試驗結(jié)果如表3所示,開路電位曲線如圖2所示,開路電位的大小代表著腐蝕傾向的大小,開路電位數(shù)值越偏向正值,腐蝕傾向越小,數(shù)值越偏向負(fù)值,腐蝕傾向越大。

表3 開路電位正交表

其中k1,k2,k3分別代表各列中對應(yīng)水平試驗結(jié)果的代數(shù)和除以各水平重復(fù)次數(shù)(試驗中為3次)的平均值,R為數(shù)據(jù)極差,即式1所示。

R=max{k1,k2,k3}-min{k1,k2,k3}

(1)

極差R反映各因素水平對試驗結(jié)果的影響,極差越大表明該因素水平對試驗結(jié)果的影響越大。由表3可得,流速的極差R最大,其次是壓力和溫度,表明流速對開路電位的影響最大,即對腐蝕傾向的影響最大,隨后是壓力和溫度。

通過分析表3中正交試驗各水平的k值(開路電位的平均值)可得：隨著溫度的升高k值先減小后增大,表明腐蝕傾向先減小后增大,分析這是由于腐蝕產(chǎn)物FeCO3具有負(fù)的溫度效應(yīng)和分解效應(yīng)造成的;隨著壓力的升高k值逐漸減小,表明腐蝕傾向逐漸減小,這是由于壓力越高越容易產(chǎn)生致密的腐蝕產(chǎn)物膜,而腐蝕產(chǎn)物膜一定程度上可以起到減小腐蝕傾向的作用;隨著流速的升高k值逐漸減小,表明腐蝕傾向逐漸變小,這可能是由于過多的腐蝕產(chǎn)物附著在X80管線鋼表面所導(dǎo)致的。

注：a)20 ℃時開路電位;b)40 ℃時開路電位;c)60 ℃時開路電位。圖2 各因素水平下的開路電位曲線

2.2 極化曲線分析

各因素水平下的自腐蝕電位正交試驗結(jié)果如表4所示,極化曲線如圖3所示,自腐蝕電位的大小代表著耐蝕性的大小,自腐蝕電位數(shù)值越偏向正值,耐蝕性越大,數(shù)值越偏向負(fù)值,耐蝕性越小。

表4 自腐蝕電位正交表

由表4正交試驗結(jié)果可見,流速的極差最大,隨后是壓力和溫度,表明流速對自腐蝕電位的影響較大,對耐蝕性影響較大,其次是壓力和溫度。對正交試驗各水平的k值(自腐蝕電位的平均值)進(jìn)行分析可得：隨著溫度的升高k值先減小后增大;隨著壓力的升高k值逐漸減小;隨著流速的升高k值逐漸減小。這與開路電位各因素影響規(guī)律是相一致的。

注：a)20 ℃時極化曲線;b)40 ℃時極化曲線;c)60 ℃時極化曲線。圖3 各因素水平下的極化曲線

各因素水平下的腐蝕電流密度正交試驗結(jié)果如表5所示,腐蝕電流密度的大小代表著腐蝕速率的大小,腐蝕電流密度越大腐蝕速率越大,腐蝕電流密度越小腐蝕速率越小。

表5 腐蝕電流密度正交表

基于正交試驗的基礎(chǔ)上,通過表5中各因素水平的k值(腐蝕電流密度的平均值)對單個因素進(jìn)行分析,探究X80管線鋼在飽和的CO2水溶液中的腐蝕規(guī)律。發(fā)現(xiàn)溫度升高,k值增大,說明平均腐蝕電流密度增大,腐蝕速率隨著溫度上升而增大。研究表明溫度升高,反應(yīng)消除電極極化的能力增強(qiáng),反應(yīng)劇烈,反應(yīng)物和生成物傳輸速度加快,腐蝕速率增大。

壓力升高k值先減小后增大,說明平均腐蝕電流密度先減小后增大,腐蝕速率先減小后增大。研究表明CO2分壓升高,溶液溶解CO2的能力增強(qiáng),CO2腐蝕過程是一個氫去極化的過程,腐蝕速率增大的同時,腐蝕產(chǎn)物膜逐漸沉積從而抑制腐蝕反應(yīng)的進(jìn)行,故在2 MPa時腐蝕速率下降,當(dāng)4 MPa時由于各因素交互作用導(dǎo)致腐蝕產(chǎn)物膜附著性減弱,存在脫落現(xiàn)象致使腐蝕速率增大。

流速升高k值先增大后減小,說明平均腐蝕電流密度先增大后減小,腐蝕速率先增大后減小。研究表明隨著流速的增大,腐蝕產(chǎn)物受拉拽作用的剪應(yīng)力增大,腐蝕產(chǎn)物脫落,腐蝕速率增大,故腐蝕速率隨著流速增大而減小。

同時可以看出極差R的數(shù)值溫度>壓力>流速,故腐蝕速率受溫度的影響最大,其次是壓力和流速,腐蝕速率最大的組合是溫度60 ℃、壓力4 MPa、流速0 m/s時。

3 結(jié) 論

1)通過正交試驗的結(jié)果可得在CO2水溶液中流速對X80管線鋼的腐蝕傾向影響最大,隨后是壓力和溫度。腐蝕傾向隨著流速、壓力的升高而減小,隨著溫度的升高先減小后增大。

2)各因素對X80管線鋼自腐蝕電位的影響規(guī)律與對開路電位的影響規(guī)律相同。對腐蝕速率的影響大小順序為溫度、壓力、流速。溫度的升高,腐蝕速率增大,流速、壓力升高,腐蝕速率先減小后增大。

3)溫度是通過影響消除電極極化的能力和反應(yīng)物生成物在溶液中傳輸速率來影響腐蝕速率,壓力主要是通過影響腐蝕產(chǎn)物膜厚度來影響腐蝕速率,流速主要是通過影響拉拽腐蝕產(chǎn)物的剪應(yīng)力來影響腐蝕速率。