316L不銹鋼在液態(tài)CO2下的腐蝕行為研究

商永濱，李 剛，高 飛，王瑞英，趙大慶，毛涇生

(西安長慶科技工程有限責任公司，陜西 西安 710018)

316L不銹鋼是典型的鉻鎳奧氏體不銹鋼,具有良好的力學性能和工藝性能[1],也是一種廣泛應用的耐腐蝕不銹鋼，含有的Cr、Ni、Mo等成分使其擁有良好的耐腐蝕性能，廣泛應用于石油石化行業(yè)[2]。與其他型號的不銹鋼相比，316L不銹鋼中鉬元素的加入使其抗腐蝕性能得到提高，使其應用范圍更廣泛[3]。隨著CO2驅油項目的開展，注入介質對材料的腐蝕性能、力學性能提出了更高要求。為了適應注入的液態(tài)CO2低溫高壓的特性，利用電化學工作站、低溫高壓釜對所選用的316L不銹鋼開展腐蝕行為模擬實驗，研究其在液態(tài)CO2中不同條件下的腐蝕與力學性能變化規(guī)律。

1 實驗部分

1.1 實驗材料

實驗用液態(tài)CO2含量99.5%，北京京誠千禧氣體公司；試樣為316L不銹鋼，規(guī)格為Φ10mm×5mm。

1.2 實驗儀器

SI 1287+SI 1260型電化學工作站，阿美泰克公司；最低耐溫-40℃、最高工作壓力40MPa的低溫高壓反應釜，寧波新芝科技有限公司；SSX-550型掃描電子顯微鏡，日本島津儀器公司；Instron1280型拉伸機，英斯特朗公司。

1.3 實驗方法

將試樣用水磨砂紙逐級打磨至7000號，酒精清洗工作面，而后裝入低溫高壓釜裝置。在一定溫度和一定壓力的實驗條件下反應168h，反應結束后將非工作面用一銅導線引出，次面及側面用環(huán)氧樹脂密封，露出工作面開展相關測試。

2 結果與討論

2.1 壓力對316L不銹鋼的腐蝕影響

在-25℃工作狀態(tài)下，利用電化學工作站、低溫高壓釜開展不同壓力條件下液態(tài)CO2對316L不銹鋼腐蝕行為實驗，研究結果如下：

(1)圖1為不同壓力條件下316L不銹鋼在液態(tài)CO2中浸泡168h后測得的Tafel曲線，表1為測得的Tafel曲線進行擬合后的數據結果?？梢钥闯鲭S著壓力升高，Tafel曲線中陰陽極Tafel常數呈現減小的趨勢，腐蝕電流Icorr呈現增加趨勢，腐蝕速率逐漸增大，表明隨著壓力升高316L不銹鋼腐蝕程度增加。

圖1 -25℃時不同壓力下316L不銹鋼在液態(tài)CO2中浸泡168h后測得的Tafel曲線

表1 -25℃時不同壓力下316L不銹鋼在液態(tài)CO2中浸泡168h后測得的腐蝕數據

圖2 -25℃時不同壓力下316L不銹鋼在CO2中浸泡168h后的交流阻抗譜圖

(2)圖2為不同壓力條件下316L不銹鋼在液態(tài)CO2中浸泡168h后測得的Nyquist圖，可以看出三種壓力條件下的Nyquist圖均是由單一容抗弧組成，說明316L不銹鋼表面會形成比較致密的鈍化膜，起到保護基體的作用隨著壓力的上升，容抗弧半徑減小，說明壓力升高鈍化膜不易形成，對基體的保護作用減弱。表2為Nyquist圖的擬合數據，結果表明隨著壓力的升高，雙電層電容Qcdl和膜電容Qf隨壓力的升高而增大，而傳遞電阻Rct和膜電阻Rf則呈現減小的趨勢，這說明壓力升高316L不銹鋼表面鈍化膜對基體的保護作用減弱，基體的腐蝕趨勢增加，這與Tafel曲線分析結果相一致。

表2 -25℃時不同壓力下316L不銹鋼在CO2中浸泡168h后阻抗譜的擬合數據

(3)圖3顯示了不同壓力下試件表面的腐蝕情況，在三種壓力下都產生了少許腐蝕的現象。2.5MPa時出現了比較多的點蝕坑， 4.5MPa時沒有出現過多的點蝕現象，而在25MPa時發(fā)現大面積的腐蝕現象，說明隨著壓力的升高，腐蝕呈現加重趨勢，這與Tafel和交流阻抗譜得到了相同的結論。

圖3 -25℃時不同壓力下316L不銹鋼在CO2中浸泡168h后的的掃描電鏡圖

(4)圖4為不同壓力條件下316L不銹鋼在液態(tài)CO2中浸泡168h后拉伸實驗結果，測試數據見3?？梢钥闯鲭S著壓力的增加，拉伸應力和最大載荷增加，說明壓力增大會導致316L不銹鋼的力學性能增大。

表3 -25℃時不同壓力下316L不銹鋼在CO2中浸泡168h后的拉伸實驗結果

圖4 -5℃時不同壓力下316L不銹鋼在CO2中浸泡168h后的拉伸實驗結果圖

2.2 溫度對316L不銹鋼的腐蝕影響

在25MPa工作狀態(tài)下，利用電化學工作站、低溫高壓釜開展不同溫度條件下液態(tài)CO2對316L不銹鋼腐蝕行為實驗，研究結果如下：

(1)圖5 顯示的是25MPa時不同溫度條件下316L鋼的腐蝕的Tafel曲線，表4為Tafel曲線的擬合數據?？梢钥闯鰷囟壬撸愿g電位正向移動，腐蝕電流減小，這表明316L不銹鋼腐蝕程度隨溫度增加而減小。

表4 25MPa時不同溫度下316L不銹鋼在液態(tài)CO2中浸泡168h后測得的腐蝕數據

(2)圖6為25MPa時不同溫度條件下的交流阻抗譜圖，可以看出，容抗弧半徑隨著溫度升高而增加，表明316L不銹鋼表面鈍化膜對基體的保護作用增加。利用等效電路圖對測得的阻抗譜進行擬合，其擬合結果見表5所示，溫度升高雙電層電容Qcdl和膜電容Qf隨溫度升高而減小，而傳遞電阻Rct和膜電阻Rf則隨溫度升高而增大，這說明溫度升高膜對基體的保護作用增強。

圖6 25MPa時不同溫度下316L不銹鋼在CO2中浸泡168h后的交流阻抗譜圖

(3)為了進一步研究316L不銹鋼鈍化膜在相同壓力下不同溫度的能帶和電子情況，利用Matt- Schottky曲線進行研究結果如7顯示，結果顯示曲線由兩個峰組成符合雙層膜的特征。表6顯示的是通過計算得到的平帶電位和載流子濃度的數據，結果顯示載流子濃度隨著溫度的降低而增大，說明在25MPa時，溫度越低，其鈍化膜越疏松，越容易被腐蝕。

圖7 25MPa時不同溫度下316L不銹鋼在CO2中浸泡的Matt-Schottky圖

表6 25MPa時不同溫度下316L不銹鋼在CO2中浸泡的Matt-Schottky計算數據

2.3 雜質對316L不銹鋼的腐蝕影響

為了了解雜質對316L不銹鋼在液態(tài)二氧化碳中腐蝕行為的影響，利用Tafel曲線、阻抗譜和SEM等研究氮氣、氧氣、硫化氫對316L不銹鋼在液態(tài)二氧化碳中腐蝕行為的影響。

(1)圖8是316L不銹鋼在分別含有1%的N2、O2和H2S的液態(tài)CO2中，在-5℃和4.5MPa的條件下浸泡168小時后測得的316L不銹鋼Tafel曲線。表7為Tafel曲線的擬合數據，可以看出，在含有O2的液態(tài)CO2中316L不銹鋼表面所成鈍化膜對基體的保護作用呈增強趨勢。

圖8 -5℃、4.5MPa時不同雜質條件下316L不銹鋼在CO2中浸泡168h后測得的tafel曲線

表7 -5℃、4.5MPa時不同雜質條件下316L不銹鋼在CO2浸泡168h測得的腐蝕數據

(2)圖9是-5℃、4.5MPa時316L不銹鋼分別在含有1%的N2、O2和H2S的液態(tài)CO2中浸泡168小時后測得的Nyquist曲線，可以看出，在含有O2的情況下Nyquist容抗弧的半徑最大，而在含有N2和H2S情況下的Nyquist容抗弧的半徑最小，表明O2有助于鈍化膜對基體的保護，而N2和H2S對基體的保護作用減小。表8為Nyquist圖擬合結果，可以看到，在O2存在的情況下，形成的鈍化膜比較致密。在N2和H2S存在的情況下，容抗弧半徑較小，說明在含有N2和H2S的液態(tài)CO2中316L不銹鋼表面所成鈍化膜對基體的保護作用變差，而在含有O2的液態(tài)CO2中316L不銹鋼表面所成鈍化膜對基體的保護作用呈增強趨勢，這與Tafel曲線測試結果相一致。

圖9 -5℃、 4.5MPa時不同雜質條件下316L不銹鋼在CO2中浸泡168h后測得的交流阻抗譜圖

表8 -5℃、4.5MPa時不同雜質條件下316L不銹鋼在CO2中浸泡168h測得的腐蝕數據

(3)圖10為不同雜質條件下試件掃描電鏡圖，可以看到，無論在何種情況都存在輕微腐蝕。在H2S和N2雜質存在的情況下，試件表面被腐蝕，形成了大面積的腐蝕，與Tafel和交流阻抗譜的結論一致；在O2雜質的環(huán)境中，其表面沒有僅出現了少許點蝕現象，說明其抗腐蝕能力比較強。

圖10 -5℃、4.5MPa時不同雜質條件下316L不銹鋼在CO2中腐蝕的掃描電鏡圖

(4)圖11為-5℃、4.5MPa條件下，不同種類雜質中316L不銹鋼在液態(tài)CO2中的力學測試結果，表10為力學實驗的數據結果。結果顯示在沒有任何雜質存在的情況下拉伸應力最小，而在氧氣環(huán)境下，拉伸應力最大。

圖11 -5℃、4.5MPa時不同雜質條件下316L不銹鋼在CO2中的拉伸實驗圖

表10 -5℃、4.5MPa時不同雜質條件下316L不銹鋼在CO2中的拉伸實驗數據

3 結論

實驗結果表明，316L不銹鋼在液態(tài)CO2下浸泡168h后出現了一定腐蝕現象，腐蝕速率較為輕微，均小于0.076mm/a。通過浸泡實驗證實316L不銹鋼在不同的壓力、不同溫度、不同雜質條件下的液態(tài)CO2腐蝕呈現一定規(guī)律：

(1)在相同的溫度條件下，隨著壓力升高，腐蝕程度呈現加重趨勢。

(2)在相同的壓力條件下，隨著溫度降低，腐蝕程度呈現加重趨勢。

(3)在不同的雜質存在情況下，腐蝕程度均不同；有O2的存在條件下，O2可以與316L不銹鋼中含有的Cr元素反應形成一層致密的鈍化膜，可以有效保護基體不被腐蝕。