多相流動狀態(tài)下CO2分壓對X70鋼CO2腐蝕的影響

崔銘偉，封子艷，韓建紅，曹學文

(1. 陜西延長石油(集團)有限責任公司研究院，陜西西安 710075；2.中國石油大學(華東)儲運與建筑工程學院，山東青島 266580)

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多相流動狀態(tài)下CO2分壓對X70鋼CO2腐蝕的影響

崔銘偉1，封子艷1，韓建紅1，曹學文2

(1. 陜西延長石油(集團)有限責任公司研究院，陜西西安 710075；2.中國石油大學(華東)儲運與建筑工程學院，山東青島 266580)

X70鋼； 多相流； CO2腐蝕； CO2分壓； 溫度

隨著海上油氣田的開采規(guī)模不斷擴大，具有較大經(jīng)濟優(yōu)勢的多相流混輸工藝方案越來越多的被采用，多相流動以及CO2驅(qū)油技術(shù)的大規(guī)模應(yīng)用，導(dǎo)致管線內(nèi)腐蝕，尤其是CO2段塞流內(nèi)腐蝕非常嚴重，如圖1所示。但混輸管線輸送介質(zhì)成分十分復(fù)雜，加之影響腐蝕的因素和段塞流的復(fù)雜性，導(dǎo)致對管線段塞流內(nèi)腐蝕的分析評價十分困難。

圖1 塔里木油田某井管材的CO2腐蝕形貌

Fig.1 CO2corrosion morphology of a well pipe in Tarim oilfield

同時，美國俄亥俄大學的W.P.Jepson等[1-5]從1987年開始一直致力于管內(nèi)段塞流腐蝕的研究，2013年，W.P.Jepson總結(jié)之前20多年的研究成果，詳細分析了管內(nèi)多相流動狀態(tài)對腐蝕的影響，重點闡述了段塞流對腐蝕的影響，尤其是段塞流動狀態(tài)通過傳質(zhì)過程對腐蝕的影響，以及管內(nèi)壁腐蝕缺陷處段塞流的腐蝕情況。除了段塞流的影響，在CO2腐蝕環(huán)境中，腐蝕介質(zhì)礦化度、溫度、CO2分壓、pH、原油、緩蝕劑等參數(shù)對管線的腐蝕也起著重要的影響作用，這其中尤以CO2分壓對管線CO2腐蝕的影響最為重要[6-7]。

國外對管線CO2腐蝕的研究開展較早，最近這幾年也有較多的研究成果發(fā)布，但單獨針對CO2分壓的研究較少，國外較多的將CO2分壓與其它腐蝕因素協(xié)同研究。2010年，M. H.Nazari等[8]研究溫度和CO2分壓對腐蝕產(chǎn)物膜的協(xié)同作用，指出溫度和CO2分壓對腐蝕速率的影響不是孤立的。2012年，G. A. Zhang等[9]采用電化學方法，分析了H2S與CO2比例對腐蝕的影響，采用計算流體力學方法分析了流體流動與壁面剪切力等因素對腐蝕的影響。同年，Zhang Yucheng等[10]采用腐蝕試驗失重法分析了低CO2分壓條件下，X65鋼腐蝕速率情況。最近幾年，國內(nèi)對CO2分壓對油氣管線腐蝕速率的影響展開了大量研究。劉會[11]和崔鉞[12]分別結(jié)合管內(nèi)流動狀態(tài)研究了CO2分壓對油氣管線腐蝕狀態(tài)的影響，均認為管內(nèi)流動狀態(tài)對腐蝕有重要影響；高純良[13]、柳偉[14]、張清[15]和陳東[16]等均采用高溫高壓釜研究了CO2分壓對油氣管線腐蝕產(chǎn)物膜的影響，均認為CO2分壓對腐蝕產(chǎn)物膜性能有重要影響，隨著CO2分壓的變化腐蝕產(chǎn)物膜的完整性、致密性均發(fā)生變化，從而影響管線的腐蝕速率與腐蝕形態(tài)。因此，為理清CO2分壓與溫度、管內(nèi)多相流動狀態(tài)等腐蝕因素對X70鋼腐蝕的影響，建立高壓起伏管路腐蝕模擬實驗裝置進行研究。

1 實驗部分

1.1 實驗裝置

研究設(shè)計了如圖2所示的高壓起伏管路模擬腐蝕實驗裝置，它可以實現(xiàn)環(huán)道實驗?zāi)M管內(nèi)流動狀態(tài)，如流速、氣液比、流型、起伏傾角等，也可以實現(xiàn)高壓釜實驗?zāi)M工程管道運行壓力，CO2分壓，運行溫度以及精確模擬腐蝕介質(zhì)的優(yōu)點。另外，高壓起伏管路模擬實驗裝置加裝一套在線電感及線性極化的電化學腐蝕監(jiān)測系統(tǒng)，可以實時監(jiān)測管道的內(nèi)腐蝕狀態(tài)，包括腐蝕速率和點蝕發(fā)生趨勢。因此能更好地研究含CO2多相流管道內(nèi)腐蝕規(guī)律。

圖2 高壓起伏管路模擬實驗裝置

Fig.2 Cycle oscillation test device with high pressure

1.2 實驗基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

實驗采用的材料為管線鋼X70，由專業(yè)公司制作腐蝕掛片，化學成分如表1所示。

表1 X70管線鋼的化學成分

依據(jù)中海油工程管道相關(guān)運行參數(shù)調(diào)研情況，配置實驗用腐蝕介質(zhì)，腐蝕介質(zhì)主要由蒸餾水和表2所示鹽類組成。

2 結(jié)果與分析

圖3表示日立S4800型場發(fā)射掃描電子顯微鏡觀察得到的未腐蝕X70鋼掛片表面形貌，由圖3可以看出，未腐蝕掛片表面留有平滑的掛片切割痕跡，表面平整。聚焦顯微圖的觀測范圍為300 μm×300 μm，放大倍數(shù)為200倍。

表2 腐蝕介質(zhì)鹽含量

2.1 實驗結(jié)果分析

為驗證高壓起伏管路腐蝕模擬實驗裝置的模擬效果，在如圖4所示的真實環(huán)道起伏管路中設(shè)計了一組對比試驗，實驗中將環(huán)道角度調(diào)整為30°，在環(huán)道中上部安裝透明有機玻璃管觀察起伏管路中的段塞流狀態(tài)，并在與有機玻璃管相連的的管道上安裝實驗掛片。

圖3 未腐蝕掛片及表面形貌

Fig.3 The surface morphology of X70 on no corrosion coupon

圖5表示環(huán)道實驗、靜態(tài)實驗和高壓起伏管路模擬實驗中腐蝕掛片處理后的1 cm2表面形貌。從圖5中可以看出，高壓起伏管路腐蝕模擬實驗和環(huán)道實驗中處理后的腐蝕掛片形貌相似，而靜態(tài)實驗中處理后的腐蝕掛片與實驗前相比，變化不明顯，說明高壓起伏管路模擬實驗裝置不僅能夠模擬管內(nèi)流動對腐蝕掛片的影響，而且能夠模擬起伏管內(nèi)氣液相流動狀態(tài)對腐蝕掛片的影響。表3表示不同實驗方式腐蝕掛片失重腐蝕速率的影響。從表3中可以看出，高壓起伏管路模擬實驗和環(huán)道實驗中處理后的腐蝕掛片的失重速度大體相當，而靜態(tài)實驗中處理后的腐蝕掛片的失重速度僅是前者的1/30左右，差別明顯，再次說明高壓起伏管路腐蝕模擬實驗裝置能夠較好的模擬起伏管路內(nèi)氣液相流動狀態(tài)對掛片腐蝕的影響。

圖4 環(huán)道起伏管路

Fig.4 Ring road undulating lines

圖5 對比實驗中腐蝕掛片處理后表面形貌

Fig.5 Comparison experiments corrosion coupon surface morphology after treatment

表3 不同實驗方式腐蝕掛片失重腐蝕速率

2.2 腐蝕后掛片形貌分析

圖6表示實驗總壓為0.5 MPa條件下，不同CO2分壓掛片去除腐蝕產(chǎn)物膜前后腐蝕掛片表面形貌聚焦顯微圖。從圖6中可以看出，隨著CO2分壓的增大，掛片表面腐蝕產(chǎn)物膜的分布均勻，連結(jié)成塊的趨勢明顯，去除腐蝕產(chǎn)物膜后，掛片表面點蝕蝕坑顯現(xiàn)，最大點蝕坑深度分別為：8、14、8 μm，變化不明顯，因此很難看出其與CO2分壓的關(guān)系。

2.3 腐蝕速率分析

圖7分別表示CO2分壓由0.15、0.4、0.7 MPa之間順序變化(每個實驗點的實驗時間為24 h)時電感和線性極化腐蝕速率在線監(jiān)測數(shù)據(jù)，從圖7中可以看出，隨著CO2分壓的不斷升高，線性極化腐蝕速率監(jiān)測數(shù)據(jù)和電感腐蝕速率監(jiān)測數(shù)據(jù)的變化均不大，線性極化腐蝕速率監(jiān)測數(shù)據(jù)保持在0.8 mm/a左右，電感腐蝕速率監(jiān)測數(shù)據(jù)保持在1.2 mm/a左右。而線性極化點蝕趨勢監(jiān)測數(shù)據(jù)卻有明顯的變化，在低CO2分壓條件下，點蝕趨勢曲線由高到低，當CO2分壓達到0.7 MPa后，點蝕趨勢變化已經(jīng)不明顯。這樣的變化趨勢與S. M. Hesjevik等[17]的研究結(jié)果：“CO2分壓越大，介質(zhì)的pH越低，去極化反應(yīng)加快，從而能夠促進腐蝕過程”不一致，具體原因主要與如下腐蝕機理有關(guān)：

(1)

(2)

(3)

(4)

圖6 總壓0.5 MPa不同CO2分壓腐蝕掛片表面形貌聚焦顯微圖

Fig.6 Focus micrograph of corrosion coupon surface morphology at different CO2partial pressure

圖7 不同CO2分壓腐蝕速率在線監(jiān)測數(shù)據(jù)

Fig.7 Online monitoring data of corrosion rate at different CO2partial pressure

表4表示溫度為30、60、74、90 ℃時，不同CO2分壓條件下腐蝕掛片失重腐蝕速率。從表4中可以看出，30 ℃時，隨著CO2分壓從0逐漸增加到0.3 MPa，掛片腐蝕速度逐漸升高，此時CO2分壓的提高主要是加快了掛片電化學腐蝕中的陰極反應(yīng)，從而加快了掛片的腐蝕速度；當CO2分壓升高到0.3 MPa之后，繼續(xù)升高CO2分壓，CO2分壓增加產(chǎn)生的腐蝕產(chǎn)物膜對掛片的保護作用大過了陰極反應(yīng)加快的影響[18]，導(dǎo)致掛片腐蝕速度反而稍微降低；60 ℃與30 ℃時相比，掛片整體的腐蝕速度明顯升高，但掛片腐蝕速度隨CO2分壓的變化與30 ℃時大體一致；74 ℃與30、60 ℃時不同，掛片整體的腐蝕速度相比60 ℃時變化不大，但是CO2分壓導(dǎo)致的腐蝕產(chǎn)物膜大過陰極反應(yīng)的轉(zhuǎn)折點由0.3 MPa變?yōu)?.15 MPa，說明，隨著溫度的升高，腐蝕產(chǎn)物膜的影響大過陰極反應(yīng)時的CO2分壓越來越低；90 ℃與30、60、74 ℃時不同，掛片整體的腐蝕速度明顯降低，但從腐蝕速度看，不同CO2分壓對掛片腐蝕速度的影響不明顯，但是綜合74 ℃時的分析——腐蝕產(chǎn)物膜的影響大過陰極反應(yīng)時的CO2分壓越來越低，可以知道，當溫度達到90 ℃，甚至更高時，CO2分壓導(dǎo)致的腐蝕產(chǎn)物膜對掛片基體的保護作用明顯已經(jīng)大過陰極反應(yīng)提高的影響，所以，當溫度保持在90 ℃的較高水平時，掛片的腐蝕速度較小。

表4 溫度為30、60、74、90 ℃時不同CO2分壓腐蝕掛片失重腐蝕速率

續(xù)表4

圖8表示不同溫度下掛片腐蝕速度隨CO2分壓的變化。從圖8中可以看出，隨著溫度的升高，腐蝕速率達到最高值的CO2分壓越來越低，說明隨著溫度的升高，CO2分壓導(dǎo)致的腐蝕產(chǎn)物膜對掛片基體的保護作用大過陰極反應(yīng)對腐蝕掛片的腐蝕作用的CO2分壓越來越低。因此，不能說隨著CO2分壓的增大，管線腐蝕速率增大，這樣的說法需要限制在一定的CO2分壓和溫度范圍內(nèi)。

圖8 不同溫度下掛片腐蝕速度隨CO2分壓的變化

Fig.8 The corrosion rate variation with CO2partial pressures in different temperature

3 結(jié)論

(1) 高壓起伏管路腐蝕模擬實驗裝置可以實現(xiàn)起伏管路內(nèi)氣液兩相流動狀態(tài)，尤其是段塞流動狀態(tài)的模擬，實驗?zāi)M效果可靠。

(3) CO2分壓對X70鋼CO2腐蝕的影響不是獨立起作用的，它與溫度息息相關(guān)，隨著溫度的升高，腐蝕速率達到最高值的CO2分壓越來越低；溫度是影響CO2分壓對X70鋼CO2腐蝕正反兩方面因素的關(guān)鍵因素，隨著溫度的升高，CO2分壓對X70鋼基體的保護作用大過腐蝕作用的CO2分壓越來越低。

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(編輯 王亞新)

Effect of CO2Partial Pressure on CO2Corrosion of X70 Steel at Multiphase Flow

Cui Mingwei1, Feng Ziyan1, Han Jianhong1, Cao Xuewen2

(1.Research Institute of Shaanxi Yanchang Petroleum (Group) Company Limited, Xi’an Shaanxi 710075,China;2.CollegeofPipelineandCivilEngineering,ChinaUniversityofPetroleum,QingdaoShandong266580,China)

X70 steel; Multiphase flow; CO2corrosion; CO2partial pressure; Temperature

1006-396X(2015)02-0062-07

2014-10-09

2015-03-12

國家自然科學基金項目(51006123)。

崔銘偉(1983-)，男，博士研究生，工程師，從事油氣田地面集輸研究;E-mail:cuimingwei1@163.com。

TE980.43; TG172.3

A

10.3969/j.issn.1006-396X.2015.02.013