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        3 Cr鋼在CO2環(huán)境中的腐蝕研究*

        2013-10-16 03:04:42張仁勇漆亞全施岱艷陳勇彬張金鐘
        石油與天然氣化工 2013年1期
        關(guān)鍵詞:環(huán)境

        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.

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