黃先球 郎豐軍 程 鵬 龐 濤 馬 穎 劉建容

(武漢鋼鐵(集團(tuán))公司研究院 湖北 武漢：430080)

不同因素對Q235鋼在H2S介質(zhì)中腐蝕的影響研究

黃先球 郎豐軍 程 鵬 龐 濤 馬 穎 劉建容

(武漢鋼鐵(集團(tuán))公司研究院 湖北 武漢：430080)

采用失重法和電化學(xué)方法研究了不同因素對Q235鋼在H2S介質(zhì)中腐蝕的影響，結(jié)果表明：H2S飽和的3%NaCl溶液中，Q235鋼腐蝕速率隨時間延長逐漸變小而后趨向平穩(wěn)，隨溫度的升高出現(xiàn)先增大較快而后趨于平緩的變化規(guī)律；含3%NaCl的H2S溶液中，隨著H2S濃度的增大，Q235鋼的腐蝕速率出現(xiàn)先增大后減小的趨勢。

Q235鋼；H2S；腐蝕速率

0 引言

自上世紀(jì)60年代以來，國內(nèi)外相繼發(fā)現(xiàn)了一些高含量硫氣田，有的硫氣田H2S含量高達(dá)90%以上，因而開展了對高含量硫氣田的開發(fā)研究與試采工作[1-4]。國內(nèi)四川氣田大部分屬含硫氣田，這些含H2S、高礦化度鹽水的酸性氣田在開發(fā)生產(chǎn)過程中不同程度地受到H2S酸性氣體的腐蝕，特別是油氣井進(jìn)入生產(chǎn)開發(fā)后期，產(chǎn)水量增大，對生產(chǎn)井的液面以下部位和氣液面造成相當(dāng)嚴(yán)重的腐蝕。川中氣田表現(xiàn)得尤為突出，發(fā)生油管腐蝕斷裂，嚴(yán)重影響油氣生產(chǎn)。南海西部石油公司W(wǎng)103-C油田N3井于1991年8月投產(chǎn)，投產(chǎn)后油田水中含H2S最高達(dá)4000mg/L(一般為1600mg/L)，Cl-含量16600mg/L，腐蝕性物質(zhì)H2S、Cl-遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了API、NACE等有關(guān)規(guī)范的限定范圍，海底輸送原油的軟管中含水20%-40%，工作溫度60℃，工作壓力1.3-1.5MPa，易發(fā)生SSCC和電化學(xué)腐蝕[5]。在石油工業(yè)的發(fā)展過程中，隨著富含H2S氣田的開發(fā)，H2S引起的腐蝕造成了巨大經(jīng)濟(jì)損失、材料浪費，且越來越引起人們的重視[6-8]。

本文采用失重法研究了不同因素對Q235鋼在H2S介質(zhì)中腐蝕速率的影響，并用動電位掃描對Q235鋼在不同溫度下H2S飽和溶液中的電化學(xué)行為進(jìn)行了測試分析。

1 試驗條件及方法

試驗材質(zhì)為Q235鋼，試片尺寸為40.1 mm×21.0 mm×3.9mm，其化學(xué)成分見表1。

表1 試驗鋼的主要化學(xué)成分(wt%)

將試片依次用200目、400目、1000目砂紙打磨光亮，用無水乙醇、丙酮棉球擦試干凈，冷風(fēng)吹干后置于干燥器中備用。

在自制密封容器中加入一定體積的3%NaCl溶液，密封容器置于恒溫的水浴中，試片掛入前，預(yù)先通氮氣0.5h，然后將預(yù)處理好的試片掛入容器中密封，掛入試片后通H2S氣體，試驗過程中恒定溫度為55℃。

試驗完后試片用自來水沖洗，橡皮擦試，再用加入一定量緩蝕劑的15%HCl處理數(shù)分鐘，用水沖洗，無水乙醇、丙酮擦試，冷風(fēng)吹干后置于干燥器中備用。

材質(zhì)在腐蝕介質(zhì)中的腐蝕速度深度指標(biāo)用下式計算：

式中：R為以深度表示的腐蝕速度(mm/a)；w0為腐蝕前試樣的重量(g)；w1為腐蝕后試樣的重量(g)；s為試樣的表面積(m2)；t為試樣的腐蝕時間(h)；d為金屬的密度(g/cm3)。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 時間對Q235鋼在H2S介質(zhì)中腐蝕速率的影響

55℃含3% NaCl 的H2S水溶液中腐蝕速率與時間的關(guān)系見圖1。55℃常壓H2S飽和的3%NaCl溶液中，Q235鋼腐蝕速率隨時間延長逐漸變小而后趨向平穩(wěn)。在H2S水溶液環(huán)境中，腐蝕剛開始時，Q235鋼的腐蝕產(chǎn)物主要為疏松的FeS膜，與Q235鋼基體的吸附能力比較弱，隨著時間延長，腐蝕產(chǎn)物膜變得致密，腐蝕產(chǎn)物膜保護(hù)性增強，阻礙了陽極氧化過程，使得Q235鋼的腐蝕速率降低。

圖1 H2S水溶液中不同時間Q235鋼的腐蝕速率

圖2 H2S水溶液中不同濃度下Q235鋼的腐蝕速率

2.2 濃度對Q235鋼在H2S介質(zhì)中腐蝕速率的影響

濃度是H2S腐蝕問題的一個主要影響因素之一。55℃含3% NaCl的H2S水溶液中腐蝕速率與濃度的關(guān)系見圖2，試驗表明，H2S濃度從100mg/L增加到200mg/L，Q235鋼腐蝕速率迅速增大，在300mg/L左右最大，隨濃度增大，腐蝕速率下降，但直到400mg/L左右，腐蝕速率變化不大，400-800mg/L之間迅速下降，800mg/L以后，腐蝕速率基本保持不變。隨著H2S濃度的增大，Q235鋼的腐蝕速率出現(xiàn)先增大后減小的趨勢，腐蝕速率并不一定隨H2S濃度增大而增大。在H2S水溶液環(huán)境中，由于FeS膜的成膜速度快，Q235鋼的主要腐蝕產(chǎn)物膜為FeS膜。H2S濃度較低時，腐蝕產(chǎn)物主要為疏松的FeS膜，由于與Q235鋼基體的吸附能力比較弱，導(dǎo)致Q235鋼的腐蝕速率隨著H2S濃度增大而加快。隨著H2S濃度的增大，Q235鋼的腐蝕速率會出現(xiàn)一個最大值，由于當(dāng)溶液中H2S濃度達(dá)到一定程度后，腐蝕產(chǎn)物膜主要為致密的FeS，這層致密的FeS產(chǎn)物膜能夠很好的吸附在金屬表面，阻礙了陽極氧化過程，使得Q235鋼的腐蝕速率降低。

2.3 溫度對Q235鋼在H2S介質(zhì)中腐蝕速率的影響

不同溫度下，含3% NaCl的H2S飽和水溶液中，Q235鋼腐蝕速率與溫度的關(guān)系見圖3。由圖3可知，Q235鋼的腐蝕速率隨著溫度的升高出現(xiàn)先增大較快而后趨于平緩的變化規(guī)律。隨著溫度的升高，溶液中H2S的溶解度逐漸增大，氫擴散速度加快，腐蝕電化學(xué)反應(yīng)的陰極和陽極反應(yīng)速率加快，金屬離子的腐蝕溶解速率加快，而且在較低溫度時，腐蝕產(chǎn)物主要為疏松的FeS膜，與Q235鋼基體的吸附能力比較弱，Q235鋼的腐蝕速率呈增大趨勢。但是當(dāng)溫度繼續(xù)升高后，H2S氣體在溶液中的溶解度達(dá)到一定程度，抑制了電化學(xué)腐蝕反應(yīng)過程，而且在較高溫度時，腐蝕產(chǎn)物主要為致密的FeS膜，能夠很好地吸附在金屬表面，阻礙了陽極氧化過程，導(dǎo)致Q235鋼的腐蝕速率趨于平緩。因此，Q235鋼的腐蝕速率隨著介質(zhì)溫度的升高呈現(xiàn)先增大較快而后趨于平緩的變化規(guī)律。

圖3 H2S飽和水溶液中不同溫度下Q235鋼的腐蝕速率

圖4 H2S飽和水溶液中不同溫度下Q235鋼的極化曲線(0,0’為55℃下的曲線；1,1’為40℃下的曲線；2,2’為30℃下的曲線)

2.4 極化曲線測試

Q235鋼在30℃、40℃、55℃下H2S飽和溶液中的動電位極化曲線測試結(jié)果見圖4。由圖4可知，在30～55℃范圍內(nèi)，隨著溫度升高，Q235鋼的腐蝕電流密度增大，說明隨著溫度升高，Q235鋼的腐蝕速率增大。

3 結(jié)論

(1)常壓H2S飽和的3%NaCl溶液中，Q235鋼腐蝕速率隨時間延長逐漸變小而后趨向平穩(wěn)；

(2)含3%NaCl的H2S溶液中，隨著H2S濃度的增大，Q235鋼的腐蝕速率出現(xiàn)先增大后減小的趨勢；

(3)含3% NaCl的H2S飽和水溶液中，Q235鋼的腐蝕速率隨著溫度的升高出現(xiàn)先增大較快而后趨于平緩的變化規(guī)律。

[1] 余漢成，王?？?高含硫氣田的開發(fā)與臥63井先導(dǎo)試驗[J].天然氣工業(yè)，1996，16(3)：69-73.

[2] 呂建華，關(guān)小軍，徐洪慶，等.影響低合金鋼材抗H2S腐蝕的因素[J].腐蝕科學(xué)與防護(hù)技術(shù)，2006，18(2)：118-121.

[3] 李東霞，王克峰，蘇玉亮.油氣田開采過程中H2S腐蝕影響因素研究[J].石油鉆探技術(shù)，2010，38(1)：93-97.

[4] 程姍姍，王金剛，王治國.油氣田金屬設(shè)備硫化氫腐蝕行為研究[J].石油鉆探技術(shù)，2011，39(1)：32-35.

[5] 黃紅兵.CT2-4水溶性油氣井緩蝕劑的合成與應(yīng)用研究[J].石油與天然氣化工，1996，25(4)：231.

[6] 陳明，崔琦.硫化氫腐蝕機理和防護(hù)的研究現(xiàn)狀及進(jìn)展究[J].石油工程建設(shè)，2010，36(5)：1-5.

[7] 鄭舉，厲嘉濱，李敏，等.海上油田注水井套管腐蝕機理及腐蝕控制技術(shù)研究[J].全面腐蝕控制，2013，27(9)：61-66.

[8] 黃輝，馬紅蓮，何仁祥，等.硫化氫對天然氣管線內(nèi)腐蝕的影響分析[J].管道技術(shù)與設(shè)備，2014，3(3)：34-38.

(責(zé)任編輯：李文英)

Effects of Different factors on Corrosion of Q235 Steel in H2S Solution

HUANG Xianqiu LANG Fengjun CHENG Peng PANG Tao MA Ying LIU Jianrong

(Research and Development Center of WISCO，Wuhan 430080，Hubei)

Effects of different factors on corrosion of Q235 steel in H2S solution were studied by loss-weight test and electrochemical methods. The results showed that in H2S solution of 3%NaCl the corrosion rate of Q235 steel decreased and became steady with time, increased and became steady with increase of temperature, increased at first and decreased with increase of H2S concentration.

Q235 steel； H2S； corrosion rate

2015-03-18

黃先球(1971～)，男，教授級高級工程師.E-mail:hangxq@wisco.com.cn

TG172.3+3

A

1671-3524(2015)02-0031-03