高溫高剪切力復雜濕氣工況下緩蝕劑的評價

熊榮雷 柳 鵬 劉英坤

（1.中海石油（中國）有限公司湛江分公司，海口 570105；2.安科工程技術研究院（北京）有限公司，北京 102209）

0 前言

緩蝕劑作為針對油氣管道內腐蝕的防腐手段之一，其往往可以用于復雜的工況環境。國內主要采用失重法、電化學法對緩蝕劑的性能進行檢測，隨著檢測手段的提高少數學者逐步關注緩蝕劑在金屬表面的成膜性能[1]，通過不同方法的聯合使用往往會達到解決實際問題的目的。周海暉等[2]采用恒電量法對緩蝕劑的性能進行評價，并把測定結果與失重法進行了比較。任帥等[3]以失重法、電化學與計算相結合的方式對一種咪唑啉類緩蝕劑進行了評價，分析了緩蝕劑的緩蝕機理。劉清云等[4]探討了天然氣緩蝕劑評價必須考慮的各種因素，例如溫度、濃度、揮發性、預膜工藝對緩蝕性能的影響。秦俊嶺等[5]采用掛片法對氣相緩蝕劑在氣相和液相中的緩蝕劑效果進行了評價，并提出該方法可供同類工況條件下的氣相緩蝕劑評價實驗參考。趙海燕等[6]則在研究中指出，先配伍性評價，再電化學評價進一步篩選，最后高溫高壓釜模擬工況，可以快速篩選出合適的緩蝕劑。

一種咪唑啉類緩蝕劑原應用于一條凝析油管線，現該管線計劃改輸約半年的濕天然氣，輸送壓力達8～11MPa、CO2含量3.2%、70萬方/天，即緩蝕劑將應用于高壁面剪切力的濕天然氣環境。另，該管線上游為溫度高達98℃的多相流管線，緩蝕劑加注點位于多相流管線的下海管位置。本文對該緩蝕劑在現場復雜工況環境下的應用效果進行實驗室評價，一方面需考慮緩蝕劑在經過98℃高溫環境后的穩定性，另一方面需考慮緩蝕劑在高剪切力環境下的成膜穩定性和緩蝕效果。

1 試驗材料和方法

1.1 緩蝕劑的高溫穩定性

實驗所用探針元件材質為X65碳鋼。實驗溶液介質為Cl-含量30343mg/L的NaCl溶液。實驗開始前先緩慢通入CO2進行除氧24h，實驗過程中不斷向溶液中緩慢通入CO2。實驗在玻璃電解池中進行，采用傳統三電極體系進行電化學測試。工作電極為表面積1cm2的X65試樣，參比電極為飽和甘汞電極，對電極為鉑電極。使用P4000電化學工作站進行測試。

緩蝕劑性能使用線性極化電阻測試（LPR）來表征。線性極化電阻測試參數為：掃描電位范圍為±10mmvs.OCP，掃描速率為0.1667mV/s。通過線性擬合，得出極化電阻值，再利用如下公式計算緩蝕效率：

其中，η為緩蝕效率，Rp0為不加緩蝕劑時的極化電阻，為所測緩蝕劑濃度下的極化電阻。

共開展5組實驗，分別為：空白、加注濃度100ppm與500ppm時高溫（98℃）以及低溫（30℃，濕天然氣管線溫度）環境下的緩蝕劑性能評價實驗，實驗參數如表1所示。

表1 電化學測試參數表

1.2 高壁面剪切力環境下緩蝕劑的成膜穩定性

模擬實驗在高壓高速濕氣環路中進行。整個環路的材質為不銹鋼，可耐高壓，試驗段管道內徑50mm。環路內部的高速氣體由循環風機驅動，溶液和緩蝕劑分別通過各自的計量柱塞泵進行加注。冷卻系統位于測試段上游，用來對整個系統進行控溫。實驗過程中，首先，將溶液和緩蝕劑加注至高速氣流中，然后，高速流動的氣體將會攜帶著液體高速通過測試段。測試段中，使用高分辨率電感探針對腐蝕速率進行實時監控。

實驗所用探針元件材質為X65碳鋼。實驗溶液介質為Cl-含量20343mg/L的NaCl溶液。水氣比為0.6方/萬方。實驗開始前先緩慢通入CO2進行除氧24h。實驗過程中需不斷向溶液中緩慢通入CO2以除氧。模擬CO2分壓為0.1184MPa（按照氣田CO2含量和壓力）。緩蝕劑加注濃度為0ppm、500ppm、1000ppm、2000ppm。模擬70萬方/天氣量以及降速后的35萬方/天氣量。已知上述現場工況下，利用軟件模擬的液相壁面剪切力分別為38.9Pa、20.5Pa。

2 結果與討論

2.1 緩蝕劑的高溫穩定性

圖2為線性極化電阻測試結果。由圖可知，不加緩蝕劑時，X65的Rp值在273Ω左右，且隨著時間該值變化很小，因此以此值作為計算緩蝕效率時的Rp0。添加100ppm緩蝕劑后，直接在30℃環境下進行測試，Rp值隨著時間迅速增大，緩蝕效率也逐漸增大，經過100min后，緩蝕效率達到了99.4%，說明該緩蝕劑在該工況下吸附成膜較快，緩蝕效果良好。

對照組為添加100ppm緩蝕劑后，先加熱至98℃保溫2h，隨后再冷卻回30℃進行測試，緩蝕劑性能并未降低，緩蝕劑吸附成膜情況未發生明顯變化，緩蝕效率在100min時同樣達到了99.4%。

將緩蝕劑濃度增加至500ppm后重復上述實驗，其結果與100ppm時類似，98℃下保溫2h對緩蝕劑性能并未造成顯著不良影響，其緩蝕效率依然可以維持99%以上。綜上，兩種加注濃度下緩蝕劑經過高溫環境考驗后再轉入低溫環境，緩蝕劑性能并未降低，說明緩蝕劑穩定性較好。

2.2 高壁面剪切力環境下緩蝕劑的成膜穩定性

由于軟件計算的某時刻的腐蝕速率是通過對該時刻前后1h的數據點進行線性回歸計算出來的，那么由其計算的腐蝕速率可能無法很真實的反應各個緩蝕劑濃度下的腐蝕速率。因此，通過計算金屬損失率曲線的斜率，可得到較為真實的腐蝕速率。圖2為利用電感探針實時監測的不同緩蝕劑加注濃度情況下金屬損失量及利用探針軟件計算出的腐蝕速率隨時間變化圖。

根據圖2中各試驗條件下的曲線斜率計算，得出不同參數條件下的腐蝕速率，如圖3所示。70萬方/天的輸氣量（38.9Pa）下，不加注緩蝕劑的腐蝕速率13.04mm/a；加注500ppm緩蝕劑后的腐蝕速率為7.15mm/a；加注1000ppm緩蝕劑后的腐蝕速率為4.05mm/a；加注2000ppm緩蝕劑后的腐蝕速率為2.00mm/a，隨著緩蝕劑加注濃度的增加，腐蝕速率呈現下降趨勢。對應緩蝕效率依次為45%、69%、85%。當將輸氣量降低至35萬方/天（20.5Pa）時，加注2000ppm條件下的腐蝕速率為1.07mm/a，同比腐蝕速率降低明顯。

上述結果說明，緩蝕劑的添加能夠有效降低腐蝕速率，且通過增加緩蝕劑濃度，緩蝕劑緩蝕效率一直保持上升趨勢，但添加至2000ppm時仍維持在2.00mm/a的較高水平，這可能是因為高剪切力工況環境影響緩蝕劑在金屬表面的快速成膜，且加速腐蝕產物膜的剝離，導致緩蝕劑無法滿足實際要求。

3 結語

98℃的高溫并未影響緩蝕劑的緩蝕效果。緩蝕劑在高剪切力工況環境下，通過不斷提高緩蝕劑加注濃度的方式能夠逐步降低腐蝕速率，但降低工況環境的剪切力對腐蝕速率的影響最大。