油田中低Cr鋼的抗腐蝕性能研究

江石媛+曾媛

摘 要：CO2腐蝕是石油天然氣開采過程中的主要腐蝕問題。文章在研究CO2腐蝕行為的基礎(chǔ)上，通過電化學(xué)測(cè)量技術(shù)，研究了低Cr鋼不同鉻含量材料的極化曲線，并進(jìn)行了分析說明。試驗(yàn)結(jié)果表明：3Cr鋼和5Cr鋼的自腐蝕電位較為相近，均高于P110鋼，從臨界鈍化電位和臨界鈍化電流角度分析，5Cr鋼的抗腐蝕性能優(yōu)于3Cr鋼。

關(guān)鍵詞：低Cr鋼；CO2腐蝕；極化曲線

油氣開發(fā)過程中，地層中的CO2會(huì)對(duì)油管、套管以及管線等設(shè)備造成嚴(yán)重腐蝕[1]。我國(guó)許多油田如四川氣田、勝利油田、吉林油田等存在嚴(yán)重的CO2腐蝕，國(guó)外的美國(guó)Panama油田、挪威的一些油氣田以及中東地區(qū)的一些油氣田等也存在CO2腐蝕問題[2-3]。目前，針對(duì)CO2腐蝕所采取的防護(hù)措施主要有：采用耐蝕材料、加注緩蝕劑和采用防腐涂覆層。但是，由于緩蝕劑長(zhǎng)期投資很高，涂覆層使用過程中存在破損造成局部腐蝕的隱患，耐蝕合金的價(jià)格昂貴，一次性投資成本較高，特別是對(duì)于產(chǎn)量較低的油井使用起來存在經(jīng)濟(jì)效益和投資比太低的問題。從20世紀(jì)90年代起，國(guó)內(nèi)外很多研究機(jī)構(gòu)都在進(jìn)行低Cr鋼的開發(fā)來代替耐蝕合金，這樣使得低Cr鋼的研究成為目前CO2腐蝕控制最熱門的課題[4-5]。

文章通過模擬油田現(xiàn)場(chǎng)工況環(huán)境，研究鋼管抗CO2腐蝕性能，并分析不同Cr含量對(duì)鋼管耐蝕性能的影響，為低Cr耐蝕材料在油田中的安全使用提供技術(shù)依據(jù)。

1 試驗(yàn)

試驗(yàn)所用低Cr合金鋼管在普通鋼管的基礎(chǔ)上分別添加了質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%和5%的Cr，并適當(dāng)降低了鋼中C和Mn的含量，以保證能夠獲得預(yù)期的抗CO2腐蝕性能，同時(shí)滿足鋼管的力學(xué)性能要求。試樣經(jīng)由管坯準(zhǔn)備→加熱→定心→穿孔→穿棒縮口→頂管→松棒→脫棒→切頭尾→再加熱→張力減徑→熱處理后，材料化學(xué)成分見表1。

電化學(xué)試驗(yàn)中，采用極化曲線法來研究金屬腐蝕。極化曲線法是通過對(duì)陽極極化曲線的測(cè)量及分析，獲得金屬在所給介質(zhì)中溶解腐蝕和純化的信息，為金屬的防護(hù)提供試驗(yàn)及理論依據(jù)。根據(jù)極化曲線實(shí)驗(yàn)的相關(guān)試樣要求，所取試樣均采用線切割方式被切割成表面為1cm2，厚度大于2mm的方形試塊，并用環(huán)氧樹脂進(jìn)行封裝。試驗(yàn)前，將試樣工作面分別用砂紙逐級(jí)打磨以消除機(jī)加工刀痕，并用丙酮進(jìn)行超聲清洗，除油，去離子水清洗，然后干燥。試驗(yàn)時(shí)在常溫常壓下進(jìn)行，腐蝕溶液選擇為10%的碳酸氫鈉溶液加5%的冰醋酸，溶液的體積為300ml。溶液配制完成后靜置3分鐘開始測(cè)試，測(cè)試過程中利用NaHCO3和CH3COOH不斷反應(yīng)生成大量CO2氣體創(chuàng)造出CO2腐蝕環(huán)境。參比電極為飽和甘汞電極（SCE），輔助電極為鉑電極。

2 結(jié)果與討論

如圖1為不同Cr含量的抗CO2腐蝕材質(zhì)（P110、3Cr、5Cr鋼管）的極化曲線圖，其極化曲線數(shù)據(jù)見表2。

由表2可以看出，3Cr和5Cr的自腐蝕電位相近，高于P110。3Cr和5Cr從自腐蝕電位、腐蝕速率和自腐蝕電流來分析其抗CO2腐蝕性，5Cr略優(yōu)于3Cr。若參考臨界鈍化電位和臨界鈍化電流，5Cr的抗腐蝕性應(yīng)好于3Cr。從極化曲線中陽極極化曲線可知，P110、3Cr、5Cr材料的臨界鈍化電位逐漸向負(fù)電位方向移動(dòng)，臨界鈍化電流密度逐漸向正方向移動(dòng)，表明按這個(gè)順序材料越來越容易鈍化，材料的抗CO2腐蝕性能越來越好。3Cr、5Cr極化曲線的走勢(shì)相似，并且在0.75～1.20V之間的出現(xiàn)電流峰，可能原因是在此區(qū)間發(fā)生晶間腐蝕。

3 結(jié)束語

通過對(duì)不同Cr含量的抗CO2腐蝕材質(zhì)的極化曲線進(jìn)行對(duì)比，表明3Cr和5Cr的自腐蝕電位較為相近，均高于P110。從臨界鈍化電位和臨界鈍化電流角度分析，5Cr的抗腐蝕性能應(yīng)好于3Cr。因此應(yīng)依據(jù)油氣田本身的特點(diǎn)，來綜合考慮選擇5Cr油套管。

參考文獻(xiàn)

[1]王獻(xiàn) ，董振江，梁擁軍，等.經(jīng)濟(jì)型低Cr抗CO2腐蝕合金石油管材鋼開發(fā)現(xiàn)狀[J].腐蝕科學(xué)與防護(hù)技術(shù)，2006，18（6）：436-439.

[2]萬里平，孟英峰，梁發(fā)書.油氣田開發(fā)中的二氧化碳腐蝕及影響因素[J].全面腐蝕控制，2003，17（2）：14-17.

[3]Hausler R h， Stegmann D E. CO2 corrosion and its prevention by chemical inhibition in oil and gas production[J]. Corrosion，1988，44（1）：5-9.

[4]呂祥鴻，趙國(guó)仙，張建兵，等.低Cr耐蝕管材的國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展[J].材料導(dǎo)報(bào)，2009，23（3）：72-76.

[5]江鍵，黃英，黃云，等.低Cr經(jīng)濟(jì)型抗腐蝕油套管的開發(fā)與腐蝕試驗(yàn)研究[J].剛管，2014，43（1）：11-17.