油氣水系統中N80鋼CO2/H2S共存腐蝕規律研究

梅 平,邱小慶,艾俊哲 (長江大學化學與環境工程學院,湖北荊州434023)

油氣水共存的非均相介質中,油套管鋼的CO2/H2S腐蝕是石油天然氣開發中需要解決好的一個關鍵性的技術難題。該介質中,工礦條件復雜,碳鋼的腐蝕受環境影響較大。

筆者采用靜態掛片及動態條件下的動電位掃描等方法,研究了3%NaCl鹽水溶液中,CO2、H2S濃度對油套管鋼的腐蝕規律及其溫度對N80鋼腐蝕的影響。

1 試驗部分

1.1 儀器與材料

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

2)主要試劑 正辛烷、氯化鈉、氯化鉀、硫化鈉、磷酸、無水乙醇、丙酮 (試劑均為分析純)、二氧化碳氣瓶 (99.99%)。

1.2 試驗方法

1)靜態掛片試驗 試驗溶液為3%NaCl(1.944×104mg/L)溶液。CO2采用鋼瓶調節氣壓均勻通入,H2S采用Na2S與30%的H3PO4反應制取。通過控制反應速度來控制H2S的通入,使2種氣體在緩沖瓶中混合。試驗溶液先通入CO21h至溶液飽和,再進行試驗。

分別選取30、60、90℃的試驗溫度,且3種溫度下的試驗周期均為24h,按照國標GB/10124-88對N80碳鋼進行了腐蝕評價試驗。

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

2 結果與討論

2.1 靜態掛片試驗結果分析

測試了溫度為30℃到90℃時,不同PH2S/PCO2(H2S/CO2分壓比)時N80鋼的腐蝕速率,結果見圖1。由圖1可見,一定溫度下,N80鋼的腐蝕速率隨著的增大呈現先減小后增大的趨勢;相同時,隨著溫度的升高,N80鋼的腐蝕速率先增大后減小。說明少量的H2S對N80鋼的腐蝕有一定的抑制作用。當一定時,在60℃左右,N80鋼的腐蝕速率達到一個極大值。這是因為,隨著溫度的升高反應的活化能增大,N80鋼的腐蝕速率逐漸增大;同時溫度升高也影響了腐蝕產物的成膜機制,使得膜有可能抑制腐蝕,也可能促進腐蝕,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先增加后降低的變化規律。

圖1 N80鋼腐蝕速率與溫度及PH2S/PCO2的關系

2.2 PC O2/PH2S對N80鋼腐蝕電流密度的影響

1)PCO2/PH2S＜20 在轉速為200r/min,試驗介質為飽和CO2、通入不同量H2S的3%的NaCl溶液,油相為5%的正辛烷,試驗溫度選擇中溫,以50℃為研究對象 (以下試驗溫度均為50℃),采用動電位掃描方法。H2S的量用化學法進行標定,所得CO2/H2S分壓比與腐蝕電流密度之間的關系如圖2所示。

圖2 PCO2/PH2S(＜20)與N80鋼腐蝕電流密度的關系

由圖2(a)可見,飽和CO2的3%NaCl溶液中加入少量的H2S氣體對N80鋼的腐蝕有明顯的抑制作用;且在此分壓比的范圍內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,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,但在整個分壓比的范圍內仍呈逐漸減小的趨勢。這說明在試驗條件下,加入5%的正辛烷對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,N80鋼的腐蝕電流密度均呈現先增大后減小的趨勢,如圖3所示。但是在此分壓比范圍內,N80鋼在油氣水三相介質中的腐蝕電流密度明顯大于在二相介質中的腐蝕電流密度。研究表明,CO2/H2S分壓比在20與500之間時,腐蝕由H2S和CO2共同控制,且分壓比PCO2/PH2S在200左右時腐蝕速率達到最大值。

3)PCO2/PH2S＞500 PCO2/PH2S＞500時,N80鋼的腐蝕電流密度隨分壓比的增大有增大的趨勢。但當分壓比PCO2/PH2S達到一定的值后,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N80鋼的腐蝕加劇[1];另一方面,在動態試驗條件下,氣體在溶液中的溶解量有一飽和值,氣體量達到飽和之后,酸性不再增大,N80鋼的腐蝕速率不再增大[2]。當加入油相后 (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中的腐蝕電流密度的變化比在二相介質中的變化平緩。

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

圖4 PCO2/PH2S(＞500)與N80鋼腐蝕電流密度的關系

3 結 論

1)少量的H2S對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先減小后增大的趨勢;相同H2S濃度時,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鋼的腐蝕速率達到一個極大值。

2)油氣水共存的非均相介質中,CO2/H2S腐蝕受PCO2/PH2S的影響很大。CO2/H2S分壓比PCO2/PH2S＜20時,N80鋼的腐蝕速率由H2S控制;PCO2/PH2S＞500時,N80鋼的腐蝕速率由CO2控制;PCO2/PH2S大于20小于500時,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分壓對油管鋼CO2/H2S腐蝕的影響 [J].鋼鐵研究學報,2004,(4):72～74.

[2]周衛軍,嚴密林,王成達.N80抗硫油管鋼在含CO2、微量H2S及高濃度Cl-腐蝕介質中的腐蝕行為 [J].腐蝕科學與防護技術,2007,(3):192～195.