溫度對N80管CO2腐蝕的影響研究

摘要：利用FCZ10-22/250三電極腐蝕試驗磁力驅動反應釜、X射線衍射儀和JXA-8230電子探針顯微分析儀等設備和失重方法，研究了溫度對N80鋼在試驗介質中CO2腐蝕的影響。研究結果表明：在不同的CO2分壓條件下，腐蝕速率與溫度的變化曲線形狀基本相同，但溫度對N80鋼的CO2腐蝕速率有著不同的影響；CO2分壓為2MPa時，腐蝕速率在溫度等于50℃時最大；CO2分壓為4MPa時，腐蝕速率在溫度等于80℃時最大；CO2分壓為6MPa時，腐蝕速率在溫度等于65℃時最大。

關鍵詞：CO2腐蝕 二氧化碳腐蝕 N80鋼 油套管

0 引言

CO2是石油天然氣鉆采過程中的伴生氣，以及注高溫高壓CO2驅油作業技術的應用，使得油套管及油氣集輸設施遭受CO2的腐蝕破壞而失效[1，2]。N80套管是目前用量最大的石油套管專用管材，其用量約占套管總量的50%。研究CO2對N80鋼的腐蝕規律對于正確選用緩蝕劑、延長套管的使用壽命具有重要的經濟意義。本文以N80鋼為研究對象，以油田產液為腐蝕介質，對N80鋼在不同溫度、不同CO2分壓下的腐蝕介質中的腐蝕進行了試驗，分析了腐蝕速率隨溫度的變化規律。

1 試驗方法

試驗材料為N80鋼管，成分見表1，試驗用試樣為35mmx15mmx3mm的板狀試樣。試驗用腐蝕介質成分見表2。腐蝕試驗設備為FCZ10-22/250三電極腐蝕試驗磁力驅動反應釜和FCZ-3L-9.8MPa/180℃高溫高壓雙體反應釜，腐蝕試驗時間為144h，流速為0.75m/s，對比參數為0.2。稱重采用BS224S電子天平，腐蝕產物成分分析采用的XpertPRO MPD X射線衍射儀，顯微組織分析采用DM2500M共聚焦顯微鏡和JXA-8230電子探針顯微分析儀。

2 試驗結果與分析

圖1是N80鋼在CO2分壓為2MPa、4MPa和6MPa的試驗介質中不同溫度下的腐蝕速率。由圖1可以看出，在不同的CO2分壓（PCO2）試驗條件下，試驗溫度（T）對N80鋼在試驗腐蝕介質中的腐蝕速率有著很大的影響，三條腐蝕曲線都存在兩個腐蝕速率極大值點。在PCO2=2MPa情況下，腐蝕速率兩個極大值點為T=50℃和T=80℃，T=

50℃時腐蝕速率最大為5.686mm

/a，T=120℃時腐蝕速率最低為0.344

mm/a。在PCO2=

4MPa情況下，腐蝕速率兩個極大值點為T=35℃和T=80℃，T=80℃時腐蝕速率最大

為6.785mm/a，T=

20℃時腐蝕速率為1.068，與T=120℃時的腐蝕速率1.097mm/a相近。在PCO2=6MPa情況下，腐蝕速率兩個極大值點為T=35℃和T=65℃，T=65℃時腐蝕速率最大為7.548mm/a，在試驗溫度超過T=65℃后，腐蝕速率降低，在T=100℃時腐蝕速率降到1.871mm/a，然后試驗溫度增加，腐蝕速率增加，在T=100℃時腐蝕速率為3.398 mm/a。

圖2和圖3是N80鋼在CO2分壓為2MPa和4MPa情況下，在不同溫度下腐蝕后的腐蝕表面照片。由圖2 可以看出，在CO2分壓為2MPa，20℃、35℃和120℃的試驗介質腐蝕后表面形貌比較均勻平整，N80鋼的腐蝕為均勻腐蝕；50℃的試驗介質腐蝕后表面存在面積較大、深度不同的腐蝕花斑，腐蝕主要是癬狀腐蝕；65℃和80℃的試驗介質腐蝕后出現局部腐蝕坑洞，屬典型的局部腐蝕。圖3所示，在CO2分壓為4MPa，20℃、50℃、100℃和120℃的試驗介質腐蝕后表面形貌均勻平整，試件腐蝕屬均勻腐蝕；35℃的試驗介質腐蝕后腐蝕坑較深且存在腐蝕臺階，呈臺地腐蝕；65℃和80℃的試驗介質腐蝕后出現較深的腐蝕坑洞，且腐蝕坑洞有明顯的集聚現象。N80鋼在CO2分壓為2MPa、試驗介質溫度分別為50℃、65℃和80℃的試驗介質中腐蝕后的腐蝕膜SEM分析見圖4，N80鋼在50℃介質中為輪廯狀腐蝕，在65℃和80℃介質中為局部腐蝕。

試驗的腐蝕產物X射線衍射分析結果見圖5。由圖5可知，當CO2分壓分壓為2MPa、溫度為50℃時的腐蝕產物為FeCO3，當CO2分壓為4MPa、溫度為80℃時的腐蝕產物為FeCO3和FeO。

試驗結果表明，溫度和CO2分壓對N80鋼在腐蝕介質中的腐蝕有著復雜的影響[3，4]。在一定的分壓條件下，存在腐蝕速率轉變上、下溫度點，在溫度低于下轉變溫度時，腐蝕速率隨著溫度的升高而增大，腐蝕會在鐵表面生成松軟的FeCO3，軟且無附著力，不具備保護性，金屬表面光滑，主要發生的是均勻腐蝕；在溫度高于上轉變溫度時，腐蝕速率隨著溫度的升高而減小，原因與碳酸亞鐵（FeCO3）在試驗介質中的溶解度具有負的溫度系數有關，溶解度隨溫度和分壓的升高而降低[5-9]。在腐蝕速率轉變上、下溫度區間，存在一個腐蝕速率極小值溫度點，該區間腐蝕速率的變化應與腐蝕膜的致密度隨溫度的變化有關。

Fig.5 試樣腐蝕產物的X射線衍射分析

a）50℃ 2MPa b）80℃ 4MPa

3 結論

①溫度對N80鋼在試驗腐蝕介質中的腐蝕速率有著很大的影響，在不同的CO2分壓條件下，腐蝕速率與溫度的變化曲線形狀基本相同，但溫度對N80鋼的CO2腐蝕速率有著不同的影響；CO2分壓為2MPa時，腐蝕速率在溫度等于50℃時最大；CO2分壓為4MPa時，腐蝕速率在溫度等于80℃時最大；CO2分壓為6MPa時，腐蝕速率在溫度等于65℃時最大。②在一定的分壓條件下，N80鋼在試驗腐蝕介質中存在腐蝕速率轉變上、下溫度點，試驗溫度低于下轉變溫度點時，腐蝕速率隨溫度的升高而增大，試驗溫度高于上轉變溫度點時，腐蝕速率隨溫度的升高而減小。在腐蝕速率轉變上、下溫度區間，由于腐蝕膜的致密度與溫度的變化有關，存在一個腐蝕速率極小值溫度點。

參考文獻：

[1]陳長風，路民旭，趙國仙，等.N80油套管鋼CO2腐蝕產物膜特征[J].金屬學報，2002，38（4）：411-416.

[2]趙景茂，顧明廣，左禹.碳鋼在二氧化碳溶液中腐蝕影響因素的研究[J].北京化工大學學報，2005，32（5）：71-74.

[3]艾俊哲，賈紅霞，舒福昌，等.油氣田二氧化碳腐蝕及防護技術[J].湖北化工，2002（3）：3-5.

[4]黃天杰，王峰，殷安會，等.N80鋼在二氧化碳飽和的模擬油田液中的高溫高壓腐蝕行為研究[J].腐蝕科學與防護技術，2009，21（5）：486-488.

[5]周琦，徐鴻麟，周毅，等.二氧化碳腐蝕研究進展[J].蘭州理工大學學報，2004，30（6）：30-34.

[6]VIDEM K，KVAREKAVAAL J，PEREZ T，eta1.Surface effects on the electrochemistry of Iron and carbon steel electrodes in aqueous CO2 solutions[A].NACE.Corrosion[c].Houston：NACE In-

ternational，1998：1-13.

[7]Nesic S，Crolet N T J，Drazic D.Electrochemical prope-

rties of iron dissolution in the presence of CO2-basics revisited[J].Corrosion/96.Paper No.3.1996.

[8]張學元，邸超，雷良才.二氧化碳腐蝕與控制[M].北京：化學工業出版社，2000.24.

[9]梅平，艾俊哲，陳武，等.二氧化碳對N80鋼腐蝕行為的影響研究[J].腐蝕與防護，2004，25（9）：379-382.