N80 鋼在CO2、H2S 及其混合介質環境中的腐蝕行為研究

0 前 言

隨著油田開發的深入， 管道服役工況越來越復雜， 地層中的CO

和H

S 對油套管造成的腐蝕也日趨嚴重， 由此導致的失效會造成油田經濟損失甚至安全事故。 其失效形式主要為腐蝕導致壁厚減薄， 或由點蝕造成管道穿孔、 刺穿等

。 油套管是維持油氣井運行的生命線， 其安全服役對油田的生產具有重大意義

。 當前，油井套管破損已經成為制約油田穩產的主要因素之一， 因此， 油套管腐蝕防護仍是油田開發的一項重大技術難關， 是急需解決的生產技術問題。

CO

和H

S 溶于水后， 對鋼鐵具有較強的腐蝕性， 因此， CO

和H

S 腐蝕是石油行業中最常見的腐蝕類型， 也是目前腐蝕與防護領域重點關注的內容

。 油套管在不同CO

/H

S 分壓下的腐蝕程度不同， 這主要與其表面生成的腐蝕產物有關， 表面成膜的狀況直接影響到腐蝕速率與腐蝕類型

。 某油田采用的油套管材質為N80， 其服役過程中在不同CO

/H

S 分壓環境中產生了不同程度的腐蝕。 為了探究管道的腐蝕原因， 本研究利用浸泡腐蝕試驗對該材質在模擬現場環境條件下進行試驗研究。 同時，對N80 鋼的電化學性能進行測試， 以期為油田現場防腐提供技術參考。

1 試驗方法

1.1 試驗材料

試驗材料選用現場的N80 套管鋼， 其化學成分見表1。

如果外國公民想在俄羅斯登記結婚，則必須遵守俄羅斯法律的有關規定，同時也要遵守其本國法律規定。［6］(P20)這就意味著，雙方當事人要符合中俄所有結婚條件，必須避免符合二者瑕疵婚姻的情形。我國的情形有所不同，相對寬松。《涉外民事關系法律適用法》第21條規定:“結婚條件，適用當事人共同經常居所地法律;沒有共同經常居所地的，適用共同國籍國法律;沒有共同國籍，在一方當事人經常居所地或者國籍國締結婚姻的，適用婚姻締結地法律。”第22條規定:“結婚手續，符合締結地法律、一方當事人經常居所地法律或者國籍國法律的，均為有效。”

1.2 試驗條件及方法

模擬試驗溫度為60 ℃， 試驗時間為168 h。浸泡腐蝕試驗前， 將試樣尺寸為50 mm×10 mm×3 mm 的掛片用320

、 600

及1 200

砂紙逐級打磨到表面粗糙度≤1.6 μm。 然后用丙酮清洗除油， 冷風吹干， 測量其尺寸并精確至0.01 mm，稱重并精確至0.1 mg； 之后將試樣相互絕緣安裝在特制的工裝上， 放入高溫高壓釜內的腐蝕介質中。 通入高純氮氣 （99.99%） 為腐蝕介質除氧，除氧時間為2 h， 并設定工作溫度。 除氧后通入試驗要求氣體， 試驗條件見表2， 溶液組成見表3。試驗結束后， 用蒸餾水清洗去除試樣表面的腐蝕介質， 再采用無水乙醇脫水， 之后烘干待用。

試驗采用了4 個平行試樣， 其中3 個用于計算平均腐蝕速率， 1 個試樣用于觀察表面腐蝕特征。 試驗結束后， 將試樣表面沖洗干凈后放入無水乙醇中脫水， 用冷風機吹干， 將3 個平行試樣泡入配制的酸洗液中， 超聲波清洗5 min 后用蒸餾水沖洗表面殘酸， 利用無水乙醇脫水， 干燥后稱重（精確到0.1 mg）， 計算其失重及腐蝕速率，腐蝕速率按公式（1） 計算。

式中： W——金屬掛片的失重， W=m

-m

， g；

S ——金屬掛片的表面積， mm

；

ρ ——試樣材料密度， g/mm

。

T ——試驗時間， h；

溫度傳感器為LM75A，它擁有高速I2C接口，不僅溫度的感知范圍廣，而且感知的精度高，而且還支持多個不同的工作模式，通過設置不同的工作模式可以更好地對溫度進行監控，對于降低功耗具有很大的幫助。

對試樣表面及截面的腐蝕產物形貌進行觀察， N80 鋼在三種試驗條件下的表面SEM 形貌如圖1 所示， N80 試樣的截面形貌如圖2 所示。由圖1 及圖2 可以看出， 不同條件下， 試樣表面的腐蝕產物不同。

2 結果與分析

2.1 浸泡腐蝕試驗

試驗結束后， 計算N80 在表2 所示的三種試驗條件下的均勻腐蝕速率， 結果見表4。 由表4 可見， P

為1 MPa 時， N80 鋼的腐蝕速率為0.212 3 mm/a； P

為0.3 MPa 時， N80 鋼的腐蝕速率為0.086 4 mm/a； 在CO

與H

S 共存條件下， N80 鋼的腐蝕速率為0.092 7 mm/a。 由此可見， CO

對N80 的腐蝕速率最大， H

S 對N80鋼的腐蝕速率最小， N80 鋼的均勻腐蝕速率在H

S 和CO

共存的環境比在單獨CO

環境下小，說明H

S 的加入使得N80 的腐蝕規律發生了改變。 通過對CO

/H

S 共存系統的腐蝕機理進行研究

， 結果發現， H

S 的溶解度是CO

的3 倍，硫化物的穩定性高于FeCO

， 在CO

腐蝕系統中加入少量的H

S 可大幅度降低N80 鋼的腐蝕速率， 并且腐蝕產物膜的物理性質也發生明顯變化。

電化學測試裝置由電化學工作站和1 L 容積的五口玻璃電解池組成三電極體系， 輔助電極為石墨電極， 參比電極選用飽和甘汞電極（SCE）。 電化學試樣尺寸為Φ12 mm×4 mm，與專用銅導線連接， 采用環氧樹脂封存。 試驗前將試樣浸入電解質中， 升溫后用高純N

除氧， 除氧時間為1 h， 然后通入試驗所需氣體，通氣時間為1 h。 先進行開路電位測量， 待自腐蝕電位穩定后， 進行動電位極化掃描。 動電位極化曲線測試電位范圍為-500～+500 mV， 掃描速率為0.333 3 mV/s。

在N80 鋼試樣表面附著FeCO

的區域與基體存在電位差， 基體作為陽極發生電化學反應，產生點蝕。 除此之外， 點蝕的產生與腐蝕介質中的活性陰離子 （Cl

） 也有很大關系， Cl

被稱為孔蝕的 “激發劑”， 且具有極強的穿透性， 介質中的Cl

可以穿過FeCO

腐蝕產物到達界面處，使基體表面產生點蝕

。

由圖1 （b） 可看出， 在H

S 環境中， N80鋼表面生成的產物膜較連續， 由圖2 （b） 可看出該膜為雙層， 與基體接觸的內膜均勻且致密。膜的保護性與膜的厚度并無直接關系， 只有連續致密且附著力強的膜才能夠起到緩蝕和保護作用。 該層腐蝕產物可對基體金屬產生較好的保護作用， 這與表4 中N80 鋼在H

S 環境中的腐蝕速率較小相呼應。

由圖1 （c） 可看出， 在CO

/H

S 共存環境中， N80 鋼表面的腐蝕產物膜均勻致密， 但是部分膜層發生剝落， 試樣表面有較多鼓泡產生。 由圖2 （c） 可以看出， 試樣表面的膜較均勻， 但是部分脫落， 腐蝕產物膜與金屬基體的結合程度比試樣在純H

S 環境中的結合程度差。 隨著腐蝕反應的進行， 表面的鼓泡逐漸剝落， 從而形成局部腐蝕。

對N80 鋼試樣表面進行EDS 分析， 選取圖1 （c） 中紅色方框區域， EDS 分析結果見表5。 同時， 利用XRD 對腐蝕產物進行物相分析， 結果如圖3 所示。

由圖3 可知， 在CO

腐蝕條件中， N80 鋼表面未檢測到FeCO

， 而由表5 結果可知， 其表面存在C、 O 元素， 因此， 在60 ℃條件下， 試樣表面僅沉積了少量的FeCO

， 且厚度較薄， 利用X 射線衍射儀對試樣表面進行物相分析時， X 射線會穿透腐蝕產物層而照射至基體上， 獲取到的晶格參數即為α-Fe 的晶格參數， 衍射峰如圖3所示。 對比N80 鋼在不同氣體環境中的腐蝕產物衍射峰發現， H

S 環境下與CO

和H

S 共存環境下的衍射峰極為相似， 腐蝕產物均為FeS。 根據表5， 在CO

與H

S 共存壞境中， 腐蝕產物中含有C、 O 元素， 且Fe、 S 元素含量接近， 說明其表面產物膜的主要成分為FeS， 并且其阻礙了FeCO

的生成， 表明在CO

腐蝕環境中加入一定量的H

S， 腐蝕產物膜的成分就會發生變化。

在金屬表面形成點蝕坑后， 隨著腐蝕反應的進行， 點蝕坑內金屬陽離子不斷增加， 金屬陽離子發生水解反應， 增大了坑內溶液的pH 值。 為了使點蝕坑內溶液保持電中性， 點蝕坑外部的陰離子將向點蝕坑內遷移， 尤其是腐蝕介質中的Cl

將優先擴散到點蝕坑內部， 從而使坑內溶液的化學和電化學狀態與坑外溶液不同， 由于坑內pH 值較低， Cl

濃度較高， 從而使與之接觸的金屬電極電位低于外部溶液中金屬的電極電位， 加劇了點蝕坑內的腐蝕反應

。

廣西是一個多民族的以壯族為主體，地處我國西南邊陲的地區，在民族遷徙和千百年的融合中，廣西地區形成了具有自身特點的耳聾基因突變譜。因此對廣西地區耳聾高危人群、患病人群進行分子篩查，查找新致病突變、豐富耳聾突變分子譜，有助于本地區制定相應的耳聾基因篩查策略；指導人群篩查、遺傳咨詢和臨床診斷，并幫助高風險家庭進行產前診斷和醫學干預，才能達到提高出生人口素質的目標。

由圖1 （a） 和圖2 （a） 可看出， N80 在CO

腐蝕中， 表面基本未形成連續的腐蝕產物膜， 這就使得基體金屬暴露在腐蝕介質中， 源源不斷地發生腐蝕， 這與表4 中N80 鋼在CO

環境中的腐蝕速率較大相對應。 此外， 在該環境中， 試樣表面存在點蝕坑， 這同樣與CO

的強腐蝕性有關。

在P

=0.3 MPa 條件下， N80 鋼表面生成連續且較為致密的FeS 腐蝕產物膜， 對基體提供了良好的保護作用， 一定程度上抑制了腐蝕的進行， 金屬離子擴散速度的降低是反應速度下降的根本原因。 有研究表明

， H

S 對金屬腐蝕能起到緩蝕效果， 但隨著H

S 體積分數的變化， 緩蝕效果會發生變化， 這與腐蝕產物膜的生成及狀態轉化有關， 該研究與本試驗結果吻合。

一般來說， 干燥的CO

對鋼沒有腐蝕性，但溶于水后， 在濃度相同的條件下， 其酸性相較強酸更強， 對鋼鐵的腐蝕性更嚴重

。 在CO

腐蝕過程中， 當溶液中離子濃度超過鹽的溶解度時， 會發生FeCO

沉淀， FeCO

腐蝕產物膜的生長及其保護性主要取決于沉淀速率。本試驗溫度為60 ℃， 屬于CO

腐蝕的低溫區，在該溫度下， 沉淀過程非常緩慢， 即使在過飽和度下， 通常也只能得到無保護性的產物膜

。N80 鋼在P

=1 MPa 的條件下表面生成少量的腐蝕產物FeCO

， 腐蝕介質與基體不斷接觸，發生較嚴重的全面腐蝕。

在某公路工程勘查實例中，對原始地震記錄進行了面波提純、相速度頻散曲線提取和半波長解釋，依據半波長解釋結果對工區進行了分層，且分層結果與鉆孔地質資料吻合，取得了良好的應用效果。

繼電保護對電力系統的安全運行有重要的影響。在電力系統的運行過程中，繼電保護造成的事故是比較常見且無法避免的，只有不斷提高相關工作人員的整體操作水平及安全意識，才能從根本上減少人為事故的發生。人為因素造成的繼電保護事故原因主要表現為通電差錯問題、整定事故問題及接線出現差錯問題等方面。

Abas 等

認為， 在CO

和H

S 共存體系中，H

S 的作用為三種形式： ①在P

＜70 Pa 時，CO

為主要的腐蝕介質， 溫度高于60 ℃時， 腐蝕速率取決于FeCO

保護膜的性能， 基本與H

S 無關； ②當P

/P

＞200 時， 材料表面形成一層致密的FeCO

膜， 降低了腐蝕速率； ③當P

/P

＜200 時， H

S 為主要成分， 這種情況下， 通常會使鋼表面優先生成一層FeS 膜， 它會阻礙FeCO

膜的生成， 而最終的腐蝕性取決于FeS 和FeCO

膜的穩定性。 在P

/P

=1∶0.3 的條件中， N80的腐蝕以H

S 腐蝕為主導， 根據表5 和圖3 可知， 其表面腐蝕產物膜的主要成分為FeS， 僅有少量FeCO

存在。 部分產物膜在形成過程中由于自身缺陷、 內應力會出現鼓泡現象， 隨著反應的進行， 鼓泡破裂造成膜層脫落， 發生局部腐蝕。雖然其表面腐蝕產物膜較致密， 但由于局部腐蝕區域較多， 其腐蝕速率高于N80 在純H

S 條件下的腐蝕速率。

貴州若想大力發展自身農機技術，就必須做到因勢利導、因地制宜，根據不同區域的自然稟賦作出分類指導發展決策，創造新的耕作制度與經濟條件，堅持走技術化路線，用創新技術彌補地緣缺陷，率先鼓勵某些有條件的區域大力發展農機化，盡可能提升省內農機化平均水平。

2.2 電化學試驗

N80 鋼在三種條件下的動電位掃描極化曲線如圖4 所示， N80 鋼在三種條件下的腐蝕電位、 腐蝕電流以及陰、 陽極極化曲線斜率結果見表6。

通過圖4 可看出， N80 鋼在單純CO

環境中的自腐蝕電位最正， 從熱力學角度說明，N80 鋼在該條件中發生腐蝕的趨勢小， 但由表6可以看出， 其自腐蝕電流反而最大， 腐蝕速率最大。

在P

=1 MPa 與P

/P

=1∶0.3 條件下，b

＞b

， 即在這兩個條件下， N80 鋼的腐蝕過程是以陰極反應過程控制為主， 陰極反應由析氫過程控制

。 在CO

/H

S 共存的環境下， 陰極極化曲線斜率大于單獨CO

環境中的斜率， 說明在CO

環境中加入H

S 后， 會顯著影響陰極的反應速率， 使得腐蝕速率下降。

2018年5月中旬我初識劉崐六世孫女劉紅和她的弟弟劉忠,5月22日有幸應邀參加湖湘文化研究會和清風雜志社聯合主辦的劉崐首屆學術研討會,10月17日又應邀到周南學士實驗學校，參加劉崐銅像拜謁儀式,親身感受了人們對學識高深的清官楷模劉崐的景仰和懷念之情。作為一個對湖南人才和湖湘文化有過系統研究的社會科學專家,我深切地感到，應當把劉崐真實完整地書寫出來。

N80 鋼在H

S 環境中的自腐蝕電流最小， 腐蝕速率最小。 在該條件中， b

＞b

， 其腐蝕過程是以陽極反應過程控制為主。 利用CorShow 軟件擬合得出， 在I

=1.565 8×10

mA/cm

時， N80鋼的腐蝕電位正移， N80 鋼在H

S 條件下的陰、陽極極化曲線交點圖如圖5 所示， 由圖5 可以看出， 其交點A 處于活化溶解區， 說明N80 鋼在P

=0.3 MPa 的條件下并未發生鈍化。

2.3 分析對比

浸泡腐蝕試驗與高溫高壓電化學試驗表明，N80 鋼在P

=1 MPa 的條件下腐蝕速率最大， 加入0.3 MPa 的H

S 后， 腐蝕速率下降。 由電化學試驗可知， 在P

=1 MPa 與P

/P

=1∶0.3 的條件下， N80 鋼均由陰極反應過程控制， 且后者的陰極極化曲線的極化率顯著減小。 由浸泡腐蝕試驗可知， 在CO

/H

S 共存條件中， FeS 的產生抑制了FeCO

的生成， 兩種試驗結果均說明，在P

/P

=1∶0.3 條件下， H

S 腐蝕占主導作用，且H

S 是通過控制陰極反應來降低腐蝕速率。

和學生小王聊起目標這個話題，他告訴我，小學入學的時候，他制訂過目標，但是沒達到。自己不肯認輸，于是再次制訂目標，可不知道為什么還是沒有達到。后來請爸爸媽媽幫忙，并監督自己，但最后還是以失敗告終。一次次失敗之后，小王現在看到目標就“過敏”。所以，我們不是沒有目標，而是我們的目標隨著我們一次次的失敗被拋棄了。

在P

=0.3 MPa 條件下， N80 鋼的試樣表面未發生鈍化， 因此， 其腐蝕速率降低是由于N80鋼表面生成的FeS 產物膜在一定程度上阻隔了腐蝕介質與基體接觸， 從而抑制了腐蝕的進行。

3 結 論

（1） 腐蝕產物膜的轉變是降低腐蝕速率的重要原因， N80 鋼在P

=1 MPa 條件下， 表面未產生腐蝕產物膜， 腐蝕最嚴重； 在P

=0.3 MPa 與P

/P

=1∶0.3 條件下， 表面均生成FeS 腐蝕產物膜， 阻礙了腐蝕介質與基體接觸。 在純H

S 條件中， N80 鋼的腐蝕程度最小； 在CO

與H

S 混合的條件中， H

S 腐蝕占主導， 腐蝕速率介于純CO

與純H

S 條件之間。

（2） 在純CO

與CO

/H

S 混合條件中， N80鋼的腐蝕均以陰極過程為主， H

S 通過控制陰極反應而降低腐蝕速率； 在純H

S 條件中， N80 鋼的腐蝕是以陽極過程為主。

[1] 陳長風，路民旭，趙國仙，等. N80 油管鋼CO

腐蝕點蝕行為[J]. 中國腐蝕與防護學報，2003（1）:22-26.

[2] 劉然克，張德平，郝文魁，等. H

S 分壓對N80 油套管鋼CO

環境下應力腐蝕開裂的影響[J]. 四川大學學報（工程科學版），2013，45（6）:196-202.

[3] 孟玲. 油氣管材CO

腐蝕機理及其防護措施[J]. 熱噴涂技術，2017，9（2）：63-68.

[4] 謝濤，張曉誠，林海，等.CO

和微量H

S 共存環境中套管防腐優選研究[J]. 裝備環境工程，2021，18（1）：57-63.

[5] 陳卓元，張學元，王鳳平，等. 二氧化碳腐蝕機理及影響因素[J]. 材料開發與應用，1998（5）：36-42.

[6] 康永印，袁曦，黃金營，等. X52 鋼在H

S/CO

飽和5%NaCl 溶液中的腐蝕行為研究[J]. 材料保護，2008（5）：7-10，91.

[7] 何慶龍，孟惠民，俞宏英，等. N80 油套管鋼CO

腐蝕的研究進展[J]. 中國腐蝕與防護學報，2007（3）：186-192.

[8] 白海濤，楊敏，董小衛，等. CO

腐蝕產物膜的研究進展[J]. 中國腐蝕與防護學報，2020，40（4）：295-301.

[9] 李佳航，王丹，謝飛，等. 油氣管道的CO

腐蝕及防護研究進展[J]. 表面技術，2021，50（4）：172-183.

[10] 陳長風，路民旭，趙國仙，等. N80 油套管鋼CO

腐蝕產物膜特征[J]. 金屬學報，2002（4）：411-416.

[11] 孫嘯. N80 油套管鋼腐蝕規律的實驗研究及分析[J].天然氣與石油，2008（4）：27-29.

[12] 任呈強. N80 油管鋼在含CO

/H

S 高溫高壓兩相介質中的電化學腐蝕行為及緩蝕機理研究[D]. 西安：西北工業大學，2003.

[13] 韓燕，巨亞鋒，羅有剛，等. 某N80 新油管早期腐蝕穿孔失效分析[J]. 材料保護，2020，53（11）：160-165.

[14] 吳保玉，宋振云，陳平. N80/J55 油管鋼在超臨界CO

/H

O 體系中腐蝕行為研究[J]. 鉆采工藝，2021，44（2）：66-70.

[15] 呂祥鴻，趙國仙. 油套管材質與腐蝕防護[M]. 北京：石油工業出版社，2015：36-37.

[16] 魏亮，龐曉露，高克瑋. X65 鋼在含超臨界CO

的Na-Cl 溶液中腐蝕機制的討論[J]. 金屬學報，2015，51（6）：701-712.

[17] 趙國仙，呂祥鴻，韓勇. 某井油管腐蝕原因分析[J]. 材料工程，2010（3）：51-55.

[18] ABAS A Z，MOHAMMED N A，SUHOR M F，et al.The Effect of Elevated H

S on Corrosion Behaviour of API 5L X65 Carbon Steel in High Partial Pressure CO

Environments[C]//One Petro. SPE Middle East Oil and Gas Show and Conference，Bahrain：Manama，2019.

[19] 梁平，王瑩. 覆有短期腐蝕產物膜的X80 鋼的電化學行為[J]. 中國腐蝕與防護學報，2013，33（5）：371-376.