油氣水系統(tǒng)中N80鋼CO2/H2S共存腐蝕規(guī)律研究

梅 平,邱小慶,艾俊哲 (長(zhǎng)江大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院,湖北荊州434023)

油氣水共存的非均相介質(zhì)中,油套管鋼的CO2/H2S腐蝕是石油天然氣開(kāi)發(fā)中需要解決好的一個(gè)關(guān)鍵性的技術(shù)難題。該介質(zhì)中,工礦條件復(fù)雜,碳鋼的腐蝕受環(huán)境影響較大。

筆者采用靜態(tài)掛片及動(dòng)態(tài)條件下的動(dòng)電位掃描等方法,研究了3%NaCl鹽水溶液中,CO2、H2S濃度對(duì)油套管鋼的腐蝕規(guī)律及其溫度對(duì)N80鋼腐蝕的影響。

1 試驗(yàn)部分

1.1 儀器與材料

1)主要儀器 CHI電化學(xué)工作站 (上海辰華),HJ-3數(shù)字恒溫磁力攪拌器 (國(guó)華電器有限公司),梅特勒-托利多AL204電子天平,HH-4數(shù)字恒溫水浴鍋 (國(guó)華電器有限公司)。

2)主要試劑 正辛烷、氯化鈉、氯化鉀、硫化鈉、磷酸、無(wú)水乙醇、丙酮 (試劑均為分析純)、二氧化碳?xì)馄?(99.99%)。

1.2 試驗(yàn)方法

1)靜態(tài)掛片試驗(yàn) 試驗(yàn)溶液為3%NaCl(1.944×104mg/L)溶液。CO2采用鋼瓶調(diào)節(jié)氣壓均勻通入,H2S采用Na2S與30%的H3PO4反應(yīng)制取。通過(guò)控制反應(yīng)速度來(lái)控制H2S的通入,使2種氣體在緩沖瓶中混合。試驗(yàn)溶液先通入CO21h至溶液飽和,再進(jìn)行試驗(yàn)。

分別選取30、60、90℃的試驗(yàn)溫度,且3種溫度下的試驗(yàn)周期均為24h,按照國(guó)標(biāo)GB/10124-88對(duì)N80碳鋼進(jìn)行了腐蝕評(píng)價(jià)試驗(yàn)。

2)動(dòng)電位掃描試驗(yàn) 動(dòng)電位掃描試驗(yàn)采用三電極體系,參比電極為飽和甘汞 (SCE)電極,輔助電極為鉑電極。工作電極為環(huán)氧樹(shù)脂封裝的工作面積為1cm2的圓柱體N80鋼電極,試驗(yàn)前用金相砂紙逐級(jí)打磨至1000#,再用無(wú)水乙醇、丙酮除油,干燥。

2 結(jié)果與討論

2.1 靜態(tài)掛片試驗(yàn)結(jié)果分析

測(cè)試了溫度為30℃到90℃時(shí),不同PH2S/PCO2(H2S/CO2分壓比)時(shí)N80鋼的腐蝕速率,結(jié)果見(jiàn)圖1。由圖1可見(jiàn),一定溫度下,N80鋼的腐蝕速率隨著的增大呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì);相同時(shí),隨著溫度的升高,N80鋼的腐蝕速率先增大后減小。說(shuō)明少量的H2S對(duì)N80鋼的腐蝕有一定的抑制作用。當(dāng)一定時(shí),在60℃左右,N80鋼的腐蝕速率達(dá)到一個(gè)極大值。這是因?yàn)?隨著溫度的升高反應(yīng)的活化能增大,N80鋼的腐蝕速率逐漸增大;同時(shí)溫度升高也影響了腐蝕產(chǎn)物的成膜機(jī)制,使得膜有可能抑制腐蝕,也可能促進(jìn)腐蝕,這幾種因素共同影響,造成了N80鋼在不同溫度下的腐蝕速率隨溫度的升高呈現(xiàn)先增加后降低的變化規(guī)律。

圖1 N80鋼腐蝕速率與溫度及PH2S/PCO2的關(guān)系

2.2 PC O2/PH2S對(duì)N80鋼腐蝕電流密度的影響

1)PCO2/PH2S＜20 在轉(zhuǎn)速為200r/min,試驗(yàn)介質(zhì)為飽和CO2、通入不同量H2S的3%的NaCl溶液,油相為5%的正辛烷,試驗(yàn)溫度選擇中溫,以50℃為研究對(duì)象 (以下試驗(yàn)溫度均為50℃),采用動(dòng)電位掃描方法。H2S的量用化學(xué)法進(jìn)行標(biāo)定,所得CO2/H2S分壓比與腐蝕電流密度之間的關(guān)系如圖2所示。

圖2 PCO2/PH2S(＜20)與N80鋼腐蝕電流密度的關(guān)系

由圖2(a)可見(jiàn),飽和CO2的3%NaCl溶液中加入少量的H2S氣體對(duì)N80鋼的腐蝕有明顯的抑制作用;且在此分壓比的范圍內(nèi)隨著硫化氫濃度的增大,N80鋼的腐蝕電流密度逐漸減小。由圖2(b)可見(jiàn),加入5%的正辛烷后,其他條件同前,N80鋼的腐蝕電流密度明顯減小,但在整個(gè)分壓比的范圍內(nèi)仍呈逐漸減小的趨勢(shì)。這說(shuō)明在試驗(yàn)條件下,加入5%的正辛烷對(duì)N80鋼的腐蝕有一定的抑制作用。

2)20＜PCO2/PH2S＜500 H2S的加入量逐漸增大,PCO2/PH2S介于20與500之間時(shí),N80鋼的腐蝕電流密度均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì),如圖3所示。但是在此分壓比范圍內(nèi),N80鋼在油氣水三相介質(zhì)中的腐蝕電流密度明顯大于在二相介質(zhì)中的腐蝕電流密度。研究表明,CO2/H2S分壓比在20與500之間時(shí),腐蝕由H2S和CO2共同控制,且分壓比PCO2/PH2S在200左右時(shí)腐蝕速率達(dá)到最大值。

3)PCO2/PH2S＞500 PCO2/PH2S＞500時(shí),N80鋼的腐蝕電流密度隨分壓比的增大有增大的趨勢(shì)。但當(dāng)分壓比PCO2/PH2S達(dá)到一定的值后,N80鋼的腐蝕電流密度變化趨于平緩 (圖4(a))。這可能是一方面,隨著分壓比PCO2/PH2S的增大,氣體在溶液中的溶解量也要隨之增大,溶液酸性增大對(duì)N80鋼的腐蝕加劇[1];另一方面,在動(dòng)態(tài)試驗(yàn)條件下,氣體在溶液中的溶解量有一飽和值,氣體量達(dá)到飽和之后,酸性不再增大,N80鋼的腐蝕速率不再增大[2]。當(dāng)加入油相后 (圖4(b)),由于CO2分子是直線型的,屬于非極性分子,可溶于油相,因此隨著分壓比PCO2/PH2S的增大,N80鋼在油水氣三相介質(zhì)中的腐蝕電流密度的變化比在二相介質(zhì)中的變化平緩。

圖3 PCO2/PH2S(大于 20小于500)與 N80鋼腐蝕電流密度的關(guān)系

圖4 PCO2/PH2S(＞500)與N80鋼腐蝕電流密度的關(guān)系

3 結(jié) 論

1)少量的H2S對(duì)N80鋼的腐蝕有一定的抑制作用。一定溫度下,N80鋼的腐蝕速率隨著硫化氫濃度的增大呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì);相同H2S濃度時(shí),隨著溫度的升高,N80鋼的腐蝕速率先增大后減小,在60℃左右,N80鋼的腐蝕速率達(dá)到一個(gè)極大值。

2)油氣水共存的非均相介質(zhì)中,CO2/H2S腐蝕受PCO2/PH2S的影響很大。CO2/H2S分壓比PCO2/PH2S＜20時(shí),N80鋼的腐蝕速率由H2S控制;PCO2/PH2S＞500時(shí),N80鋼的腐蝕速率由CO2控制;PCO2/PH2S大于20小于500時(shí),N80鋼的腐蝕速率由CO2和H2S共同控制。

[1]張清,李全安,文九巴,等.CO2分壓對(duì)油管鋼CO2/H2S腐蝕的影響 [J].鋼鐵研究學(xué)報(bào),2004,(4):72～74.

[2]周衛(wèi)軍,嚴(yán)密林,王成達(dá).N80抗硫油管鋼在含CO2、微量H2S及高濃度Cl-腐蝕介質(zhì)中的腐蝕行為 [J].腐蝕科學(xué)與防護(hù)技術(shù),2007,(3):192～195.