張仁勇 漆亞全 施岱艷 陳勇彬 張金鐘 鞠 嵐

（1．中國石油集團(tuán)工程設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司西南分公司）

（2．中國石油天然氣集團(tuán)公司石油管工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室酸性氣田管材腐蝕與防護(hù)研究室）

（3．中國石油塔里木油田分公司塔中項(xiàng)目經(jīng)理部）

一些學(xué)者［1－5］在研究3Cr管線鋼（w（Cr）為3%左右）的腐蝕方面已取得了成果，但對其耐蝕機(jī)理還尚未達(dá)到系統(tǒng)的認(rèn)識，也沒能明確規(guī)定其應(yīng)用領(lǐng)域。本試驗(yàn)?zāi)M中海油高溫高壓的CO2腐蝕環(huán)境，研究了3Cr鋼的腐蝕速率、產(chǎn)物形貌及成分，為3Cr鋼的現(xiàn)場應(yīng)用提供了理論支持。

1 試驗(yàn)材料和方法

選用來自不同爐號的a、b兩組3Cr鋼（金相組織見圖1）制作試樣，每組三個試樣分別編號1、2、3用于計(jì)算平均腐蝕速率，其尺寸均為80 mm×20 mm×2 mm，試樣表面用砂紙逐級打磨，最后用800＃砂紙打磨，用丙酮和酒精清洗后干燥待用。將兩組試樣分別放入兩臺容積為3 L的磁力驅(qū)動反應(yīng)釜中進(jìn)行高溫高壓腐蝕模擬試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度為60℃，p（CO2）分壓為1．5 MPa，用氮?dú)庠鰤褐?．1 MPa，介質(zhì)流速為1 m／s，試驗(yàn)時間為4天。模擬中海油某區(qū)腐蝕環(huán)境，腐蝕介質(zhì)的化學(xué)成分見表1。

表1 腐蝕介質(zhì)成分表Table 1 Corrosion medium composition （mg·L－1）

腐蝕試驗(yàn)完成以后，取出試片后先用自來水沖洗，然后放入丙酮中除油并用脫脂棉擦拭表面，接著放入無水乙醇中浸泡進(jìn)一步脫脂脫水。將經(jīng)過脫脂脫水的試片放入酸洗液中除膜，并用脫脂棉擦拭表面再放入干燥皿中，半小時后稱量。采用式（1）計(jì)算3Cr鋼的平均腐蝕速率：

式中：Rc為腐蝕速率，mm／a；W0、W1為腐蝕前、后掛片的質(zhì)量，g；S為掛片的面積，m2；ρ為試驗(yàn)材料的密度，g／c m3；t為腐蝕時間，h。

未除膜的兩片試樣用N2保護(hù)，干燥后進(jìn)行SEM和EDS分析。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2．1 腐蝕速率

模擬腐蝕試驗(yàn)結(jié)束后，取出試樣進(jìn)行分析，3Cr鋼在本次模擬的腐蝕環(huán)境中呈現(xiàn)的是均勻腐蝕。清洗、干燥腐蝕試樣，通過失重法計(jì)算試樣的腐蝕速率見表2，a、b兩組3Cr鋼試樣的平均腐蝕速率分別達(dá)到3．85、3．24 mm／a，這表明在此動態(tài)環(huán)境下，3Cr鋼易發(fā)生較嚴(yán)重的均勻腐蝕。選取腐蝕最嚴(yán)重的a組2號試樣進(jìn)行表面形貌分析，如圖2所示。

表2 a、b兩組3Cr鋼試樣的腐蝕速率 （mm·a－1）Table 2 Corrosion rate of 3Cr steel samples of group a，b

2．2 腐蝕產(chǎn)物分析

Pighacampo的研究［6］表明，Cr的加入能使腐蝕產(chǎn)物膜由晶態(tài)向非晶態(tài)轉(zhuǎn)變，主要成分包括非晶態(tài)的FeCO3、Cr（OH）3和 Cr2O3。在本次試驗(yàn)條件下，3Cr鋼表面的腐蝕產(chǎn)物膜出現(xiàn)了兩層（圖2），外層是形狀較規(guī)則的晶粒，內(nèi)層則比外層更致密。EDS結(jié)果（圖3和表3）表明，3Cr鋼的外層結(jié)構(gòu)主要是FeCO3晶粒，內(nèi)層為含Cr產(chǎn)物膜。FeCO3晶體形狀比較規(guī)則，但是堆垛疏松，分布不均，且存在空隙，附著力弱，在液體沖刷作用下，3Cr鋼表面難以形成完整致密且具有保護(hù)性的腐蝕產(chǎn)物膜。

Fe CO3晶體下面出現(xiàn)了大面積的含Cr產(chǎn)物，大量研究證明這些含Cr化合物在脫水后會發(fā)生龜裂，容易脫落。本次試驗(yàn)中，3Cr鋼的CO2腐蝕產(chǎn)物內(nèi)層膜w（Cr）約48%，遠(yuǎn)高于基體的Cr含量。在腐蝕的過程中，由于基體金屬被腐蝕溶解后，鐵離子與溶液中的HCO3－或者CO32－結(jié)合形成沉淀物附著在基體表面形成FeCO3晶體，基體中的Cr保留下來形成Cr的化合物，通常情況下會是Cr（OH）3。

FeCO3在弱酸中不穩(wěn)定，易水解，而Cr（OH）3的穩(wěn)定性較好，能長時間附著在基體上。本次試驗(yàn)條件下，可能由于富Cr層的不致密，所以3Cr鋼在整體上呈現(xiàn)較高的腐蝕速率。因此，在苛刻的CO2腐蝕環(huán)境下，可以采取適當(dāng)?shù)姆栏胧┡浜?Cr鋼的使用，如加注緩蝕劑。

表3 試驗(yàn)條件下3Cr鋼不同區(qū)域的成分組成Table 3 Compositions of 3Cr steel in different areas under test conditions （%）

3 結(jié)論

（1） 兩組3 Cr鋼試樣在60 ℃、p（CO2）1．5 MPa及介質(zhì)流速為1 m／s腐蝕環(huán)境中呈現(xiàn)嚴(yán)重的均勻腐蝕，其腐蝕速率分別達(dá)到3．85 mm／a和3．24 mm／a。在較苛刻的CO2腐蝕環(huán)境中，可以采取適當(dāng)?shù)姆栏胧┡浜?Cr鋼的使用。

（2） SEM 和EDS檢測結(jié)果表明，3 Cr鋼的CO2腐蝕產(chǎn)物外層結(jié)構(gòu)主要是堆垛疏松、分布不均的FeCO3晶粒，內(nèi)層為含Cr的產(chǎn)物膜。

［1］ Bijan Ker mani，Juan Carlos Gonzales，Gustavo Lopez Turconi，et al．Develop ment of superior corrosion resistance 3%Cr steels f or downhole applications［C］．Paper 03116 presented at CORROSION 2003，March，2003，San Diego，CA，USA：NACE 2003 Inter national．

［2］ 郭少強(qiáng)，許立寧，常煒，等．3Cr管線鋼CO2腐蝕實(shí)驗(yàn)研究［J］．金屬學(xué)報，2011，47（8）：1067－1074．

［3］ 鄭凱，麥迪娜·努爾買買提，張麗娜，等．油氣開采過程中CO2腐蝕控制措施探討［J］．石油與天然氣化工 ，2011，40（4）：381－384．

［4］ 賈志軍，杜翠薇，劉智勇，等．3Cr低合金鋼在含飽和CO2的Na Cl溶液中的腐蝕電化學(xué)行為［J］．材料研究學(xué)報，2011，25（1）：39－44．

［5］ 胡麗華，張雷，許立寧，等．3Cr低合金管線鋼及焊接接頭的CO2腐蝕行為［J］．北京科技大學(xué)學(xué)報，2010，32（3）：345－350．

［6］ Pigliaca mpo L，Gonzales J C，Turconi G L．61st NACE Annual Confer．Houston：NACE，2006：06133．