緩蝕劑對(duì)高氮鋼在油田采出液中耐蝕性的影響*

許東饒，張旭昀，王萬寶，宋 歡，任黎明，沈紅杰

(東北石油大學(xué) 機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163318)

緩蝕劑對(duì)高氮鋼在油田采出液中耐蝕性的影響*

許東饒，張旭昀，王萬寶，宋 歡，任黎明，沈紅杰

(東北石油大學(xué) 機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163318)

以Cr13鋼為對(duì)比分析了熔煉制備的高氮鋼金相組織，并通過動(dòng)電位極化曲線及阻抗譜對(duì)高氮鋼在油田含緩蝕劑介質(zhì)中的電化學(xué)行為進(jìn)行研究。結(jié)果表明，高氮鋼的組織由索氏體和萊氏體組成，無偏析現(xiàn)象，高氮鋼在油田采出液中的鈍化區(qū)間寬，擊穿電位高，鈍化膜比Cr13鋼更穩(wěn)定。隨著緩蝕劑濃度的增大，高氮鋼維鈍電流減小，電荷傳遞電阻增加，耐蝕性提高，但濃度增大到一定程度后，緩蝕效果增加不明顯。

緩蝕劑；高氮鋼；電化學(xué)

隨著油氣田的不斷開采，人們開始采用水驅(qū)、CO2驅(qū)等技術(shù)提高油氣田的產(chǎn)量，但同時(shí)也對(duì)鋼材的性能提出了更高的要求，普通碳鋼的性能已不能滿足油氣田生產(chǎn)的需要。不銹鋼的耐蝕性及力學(xué)性能都十分優(yōu)異，在油氣田生產(chǎn)中的應(yīng)用前景廣闊。

向鋼中加入氮不僅可以提高鋼材的耐蝕性能，而且可以提高鋼材的屈服強(qiáng)度等力學(xué)性能，因此高氮鋼是不銹鋼中極具應(yīng)用價(jià)值的鋼種，越來越多的科研人員對(duì)其進(jìn)行了研究及開發(fā)[1-5]，但目前對(duì)高氮鋼在油田環(huán)境中的耐蝕性能進(jìn)行的研究不多；因此本文將模擬油田中添加緩蝕劑的環(huán)境，以Cr13鋼作為對(duì)比對(duì)象，研究緩蝕劑對(duì)高氮鋼耐蝕性的影響規(guī)律，為其在油田中的應(yīng)用奠定一定的理論基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)

采用真空等離子電弧爐，制備含氮量超過0.4%的高氮鋼，利用線切割加工成為塊狀試樣。對(duì)試樣進(jìn)行逐級(jí)打磨、拋光，利用硫酸銅溶液(CuSO44g+鹽酸20 mL+H2O20 mL)對(duì)合金進(jìn)行腐蝕，利用德國ZEISS Axiovert 25 CA金相顯微鏡觀察金相組織。

采用美國Gamry PCI4/7500 電化學(xué)工作站對(duì)試樣進(jìn)行電化學(xué)測試，采用三電極系統(tǒng)(參比電極為飽和甘汞電極，輔助電極為鉑電極)。EIS掃描頻率為10 mHz～10 kHz，極化曲線掃描電位為-0.5～1.2 V，掃描速度為0.166 7 mV/s。試驗(yàn)介質(zhì)為大慶油田某油井采出液，緩蝕劑為zk682，主要成分為咪唑啉，添加量分別為500、1 000、1 500 mg/L。

2 結(jié)果與討論

2.1 金相組織

Cr13鋼與高氮鋼的金相組織如圖1所示。從圖1a可以看出，Cr13鋼的組織主要馬氏體和殘余奧氏體組成，并且夾雜有一定的碳化物，高氮鋼試樣為熔煉后空冷，未進(jìn)行熱處理；從圖1b可以看出，黑色的組織為索氏體，其余部分為萊氏體，組織分布均勻，沒有偏析現(xiàn)象。

圖1 Cr13鋼與高氮鋼的金相組織

2.2 電化學(xué)測試結(jié)果

2.2.1 高氮鋼與Cr13鋼電化學(xué)測試結(jié)果

高氮鋼與Cr13鋼在油田采出液中的動(dòng)電位極化曲線如圖2所示。從圖2可以看出，2種不銹鋼均表現(xiàn)出明顯的鈍化行為，其中，與Cr13鋼相比，高氮鋼的鈍化區(qū)間大，擊穿電位高，說明其在腐蝕介質(zhì)中的鈍化更加穩(wěn)定，耐蝕性優(yōu)異。

圖2 高氮鋼與Cr13鋼在油田采出液中的極化曲線

2.2.2 不同緩蝕劑濃度高氮鋼電化學(xué)測試結(jié)果

高氮鋼在不同濃度的油田采出液中的極化曲線如圖3所示。從圖3可以看出，在不同緩蝕劑濃度的采出液中，高氮鋼都只有一個(gè)穩(wěn)定的腐蝕電位存在，腐蝕電位相差不大，且都表現(xiàn)出明顯的鈍化行為，鈍化區(qū)間范圍也基本一致，說明在不同溶液中高氮鋼表面均形成良好的鈍化膜。隨著緩蝕劑濃度的不斷增大，高氮鋼鈍化區(qū)間的維鈍電流也在逐漸增加，電流越大，其腐蝕速率越快，說明隨著緩蝕劑濃度的增大，高氮鋼的腐蝕速率逐漸減??；但當(dāng)緩蝕劑濃度>1 000 mg/L，其緩蝕效果不太明顯。

圖3 高氮鋼在不同濃度緩蝕劑油田采出液中的極化曲線

高氮鋼在不同濃度緩蝕劑油田采出液中的電化學(xué)阻抗譜如圖4所示。從圖4可以看出，在不同濃度緩蝕劑采出液中的阻抗譜均為單容抗弧，容抗弧的大小隨著溶液緩蝕劑濃度的升高而增大，這表明隨著緩蝕劑濃度的增高，高氮鋼表面生成的鈍化膜對(duì)高氮鋼的保護(hù)能力逐漸增大。濃度為1 000和1 500 mg/L時(shí)其容抗弧半徑相差不大，說明緩蝕劑濃度增大到一定程度，其緩蝕效果增加不明顯，與前面極化曲線分析結(jié)果一致。

圖4 高氮鋼在不同濃度緩蝕劑油田采出液中的電化學(xué)阻抗譜

使用ZView軟件對(duì)阻抗譜進(jìn)行擬合，其等效電路如圖5所示。其中，R1代表溶液電阻，Rct代表電荷傳遞電阻，CPEf代表與Rct并聯(lián)的雙電層電容。通過該等效電路得出的各項(xiàng)擬合數(shù)據(jù)見表1。從表1可以看出，Rct值隨著緩蝕劑濃度的增大而增加，說明隨著緩蝕劑濃度的增大，高氮鋼在油田采出液中的耐蝕性增強(qiáng)，與前面極化曲線分析結(jié)果一致。

圖5 腐蝕界面等效電路

表1等效電路擬合數(shù)據(jù)

緩蝕劑濃度/mg·L-1R1/Ω·cm2Rct/kΩ·cm2CPEf-T/10-4F·cm-2CPEf-P/F·cm-2041.883.97481.06450.8387850039.974.06831.30810.82302100041.765.34810.930680.82596150038.945.70521.07970.83857

3 結(jié)語

Cr13鋼的組織為馬氏體和殘余奧氏體，高氮鋼的組織由索氏體和萊氏體組成，且組織分布均勻。高氮鋼在油田采出液中的鈍化區(qū)間寬，擊穿電位高，鈍化膜穩(wěn)定性明顯優(yōu)于Cr13鋼，耐蝕性更好。

高氮鋼鈍化區(qū)間的維鈍電流隨著緩蝕劑濃度的增加而減小，電荷傳遞電阻不斷變大，耐蝕性不斷增強(qiáng)，但當(dāng)緩蝕劑濃度增大到一定程度后，緩蝕效果增加不明顯。

[1] 喬巖欣,劉飛華,任愛,等.高氮鋼和321不銹鋼的沖刷腐蝕行為[J].中國腐蝕與防護(hù)學(xué)報(bào),2012,32(2):141-145.

[2] 張峰,李光強(qiáng),朱誠意.高氮鋼制備及焊接過程中氮的溶解與釋放[J].材料與冶金學(xué)報(bào),2006,5(1):14-19.

[3] Jargelius-Pettersson R F A. Electrochemical investigation of the influence of nitrogen alloying on pitting corrosion of austenitic stainless steels[J]. Corros.Sci.,1999,41:1639.

[4] 劉百臣.海洋石油平臺(tái)設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)維修策略研究[J].新技術(shù)新工藝，2014,(1):66-68.

[5] 劉百臣.海洋石油鉆井平臺(tái)防爆設(shè)備管理研究[J].新技術(shù)新工藝，2014,(2):63-66.

*國家科技重大專項(xiàng)十二五規(guī)劃課題資助項(xiàng)目(2011ZX05016-003)大慶石油裝備高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)基地創(chuàng)新服務(wù)平臺(tái)資助項(xiàng)目(2013GH530190)

責(zé)任編輯李思文

EffectsofCorrosionInhibitoronCorrosionResistanceofHighNitrogenSteel

XU Dongrao, ZHANG Xuyun,WANG Wanbao, SONG Huan, REN Liming, SHEN Hongjie

(School of Mechanical Science and Engineering, Northeast Petroleum University, Daqing 163318, China)

The microstructure of high nitrogen steel (HNS) was analyzed comparing with Cr13 steel in the paper. The corrosion behavior of HNS in oilfield produced fluid containing corrosion inhibitor was evaluated by means of potentiodynamic polarization curves and electrochemical impendence spectrum. The results show that the microstructure of HNS is composed of sorbite and eutectic ledeburite. The passive film of HNS is more stable than Cr13 steel because of high breakdown potential and wide passive region. The addition of corrosion inhibitor enhances the corrosion resistance of HNS with the increase of charge transfer resistance and the decrease of passive current, The effect of corrosion inhibitor will not so obvious when it’s addition is high enough.

corrosion inhibitor, high nitrogen steel, electrochemistry

TG 174

：A

許東饒(1991-)，男，本科，主要從事腐蝕與防護(hù)等方面的研究。

2014-01-13