吳鵬舉 石秀秀 胡岐川 馬曉宇 劉 帥 張體田 郭興建

（1. 中石化西北油田分公司采油一廠，新疆 輪臺 841600；2. 新疆敦華綠碳技術有限公司，新疆 克拉瑪依 834000，3. 中國石油大學（北京）克拉瑪依校區(qū)，新疆 克拉瑪依 834000）

0 引言

一般情況下，CO2氣體本身并不會對金屬設備及管道造成腐蝕，但如果該環(huán)境下存在水分，就會形成具有腐蝕性的介質(zhì)，導致金屬材料發(fā)生腐蝕，尤其是在油氣開采及輸送過程中油氣輸送管道內(nèi)部CO2腐蝕的影響更為嚴重?，F(xiàn)有的實驗研究通常采用CO2及水組成的介質(zhì)環(huán)境[1-10]，但現(xiàn)場實際中多為CO2、水、原油的混合物。原油的成分、性質(zhì)等因素會大大影響金屬材料的腐蝕行為。因此，本研究利用CO2、水、原油配置不同含水率的實驗介質(zhì)，模擬現(xiàn)場集輸管道環(huán)境，對316L材質(zhì)開展腐蝕速率分析實驗，確定腐蝕速率各影響因素的影響程度以及最大腐蝕速率時各影響因素參數(shù)。

1 試驗材料與方法

1.1 實驗材料及腐蝕介質(zhì)

實驗材料采用316L管材（成分如表1所示），將管材加工為長40mm、寬13mm、厚2mm的試樣。利用400～1200#金相砂紙逐級打磨試樣表面，依次用去離子水清洗、用無水乙醇脫水后，置于真空干燥箱中備用。

表1 實驗材料化學成分（wt，%）

根據(jù)某油田現(xiàn)場情況，配置采出水（如表2所示），原油物化性質(zhì)為：密度910.30kg/m3，硫含量1.82%，凝固點-20℃，鹽含量 2963.65mgNaCl/L，粘度237.52mm2/s（30℃）。

表2 采出水成分（mg/L）

1.2 模擬腐蝕實驗

根據(jù)現(xiàn)場及前期調(diào)研情況，確定實驗變量為溫度、CO2分壓、原油含水率、流速，每種變量選取3個不同參數(shù)，實驗參數(shù)如表3所示。

表3 實驗參數(shù)表

試驗設備為容積2L的美國CortestAC-201-M高溫高壓腐蝕測試釜，將實驗介質(zhì)按照表2中的原油含水率進行配置，將其和試樣裝入反應釜中封閉，充分除氧后通入CO2，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，開始實驗。試驗時間為72h。

試驗結(jié)束后，取出試樣，按照GB/T 16545-2015《金屬和合金的腐蝕 腐蝕試樣上腐蝕產(chǎn)物的清除》依次進行處理后，真空干燥箱中放置24h后，稱量腐蝕試片的重量，按下式計算腐蝕速率：

式中：

K為腐蝕速度，g/（m2.h）（K為負值時為增重腐蝕產(chǎn)物未清除）；

s為試樣面積，m2；

t為試驗時間，h；

W0為試驗前試片的重量，g；

W為試驗后試片的重量，g（清除腐蝕產(chǎn)物后）；

式中：

Kd為年腐蝕深度，mm/a；

ρ為試驗金屬的密度，g/m3。

2 結(jié)果與討論

2.1 正交試驗結(jié)果

通過正交實驗得到了各給定條件下316L不銹鋼的腐蝕速率（實驗結(jié)果如表4所示），不同因素對腐蝕速率影響的極差分析結(jié)果如表5所示。

表4 316L正交試驗結(jié)果

從表5可以看出，含CO2油水環(huán)境中，不同因素對于316L材質(zhì)腐蝕速率的影響程度不同。從實驗結(jié)果看，原油含水率對于316L的腐蝕速率的影響最大。原油含水率3個取值水平下（40%、70%、90%）平均腐蝕速率分別為0.021、0.022、0.037mm/a，可見隨著原油含水率的增加，平均腐蝕速率逐漸變大總體呈上升趨勢（如圖1所示），變化幅度很大。

圖1 原油含水率不同取值水平下316L鋼平均腐蝕速率的變化規(guī)律

表5 腐蝕速率正交實驗極差分析

CO2分壓對于316L材質(zhì)腐蝕速率的影響最小，當CO2分壓在0.5、1.5、2.5MPa取值水平時，對應的平均腐蝕速率分別為0.026、0.028、0.025mm/a，可見平均腐蝕速率隨著分壓的增加變化很?。ㄈ鐖D2所示）。

圖2 CO2分壓不同取值水平下316L鋼平均腐蝕速率的變化規(guī)律

由以上可知，本文實驗范圍內(nèi)，實驗溫度為40℃、CO2分壓為1.5MPa、原油含水率為90%、流速為1m/s時，316L材質(zhì)的腐蝕速率最大。在這一條件下，開展316L管線鋼的腐蝕速率分析，腐蝕速率為0.075mm/a，按NACE RP0775中的規(guī)定，屬于中度腐蝕，可見本文實驗條件下316L鋼有一定耐蝕性，但還是會受到一定程度的腐蝕。

2.2 分析與討論

金屬在CO2環(huán)境中的腐蝕過程受到溫度、流體性質(zhì)（CO2分壓、油/水比、速度等）、材料組織等因素的影響。本文中，對于316L不銹鋼在CO2油水環(huán)境中的腐蝕速率，含水率為最大影響因素，溫度次之、流速再次之，分壓影響最小，下面對含水率、溫度及流速這幾個主要因素的影響逐一進行分析討論。

（1）含水率

CO2腐蝕的發(fā)生基礎是金屬表面有游離態(tài)的水存在。油水二者經(jīng)過攪拌混合能夠形成油包水型乳狀液或水包油型乳狀液，在特定的條件下，水可以完全被包含在油中，形成“油包水”乳狀液。在這種情況下，金屬基體表面水潤濕受阻，水完全從金屬表面去除，不容易形成腐蝕環(huán)境，從而降低腐蝕速率。相反形成“水包油”時，金屬表面容易形成水膜，CO2等酸性氣體溶解于水中，提供了酸性溶液，有利于腐蝕的發(fā)生。當含水率較高時，水容易在金屬表面首先發(fā)生潤濕，形成了腐蝕環(huán)境，導致金屬的腐蝕速度隨流速增加而增大。當含水率較低時，油會優(yōu)先在金屬表面發(fā)生浸潤，將金屬基體與腐蝕介質(zhì)隔離，腐蝕速率較低。因此，本文中隨著原油含水率的增加，平均腐蝕速率逐漸變大總體呈上升趨勢（如圖1所示），增幅較大，含水率為90%時腐蝕速率最大；

（2）溫度的影響

溫度對于CO2腐蝕的影響主要取決于CO2在溶液中的溶解度以及腐蝕電化學反應速度、生成產(chǎn)物膜的穩(wěn)定性等。當溫度較高時，會導致腐蝕電化學反應速度加快，從而使316L材質(zhì)的腐蝕速率增加。而溫度較低時，無穩(wěn)定的腐蝕產(chǎn)物膜生成，溫度在60℃～150℃之間時形成腐蝕產(chǎn)物FeCO3，該產(chǎn)物疏松、附著力差，局部腐蝕嚴重。結(jié)合本文的實驗數(shù)據(jù)也可以看出，溫度為60℃及80℃時的平均腐蝕速率較溫度為40℃時低一些；

（3）流速的影響

流速的增加可以提高金屬材質(zhì)表面電化學反應中去極化的供給量，同時與金屬基體表面的相對流動會對表面保護膜造成一定的沖擊，阻礙和破壞原有的保護膜，裸露的金屬與外側(cè)帶腐蝕產(chǎn)物的金屬之間形成了“大陰極小陽極”的腐蝕電池，產(chǎn)生電偶腐蝕，使得腐蝕速率增大，本文中流速為1m/s時腐蝕速率最高；但另一方面，腐蝕速率的高低也取決于腐蝕產(chǎn)物與金屬基體的結(jié)合程度，如有腐蝕產(chǎn)物與金屬基體之間黏著力較強，對金屬基體產(chǎn)生一定的保護作用，會導致腐蝕速度降低，因此2m/s時腐蝕速率有一定程度的下降，與表面形成的腐蝕產(chǎn)物有關。

3 結(jié)語

本文結(jié)合油田集輸管道CO2腐蝕的現(xiàn)場實際情況，通過失重腐蝕速率測定、影響因素正交實驗分析實驗研究了含原油介質(zhì)中316L不銹鋼的CO2腐蝕特性，主要得到以下結(jié)論：溫度、CO2分壓、原油含水率、流速對316L不銹鋼腐蝕速率的影響程度不同，影響規(guī)律也不同。其中該環(huán)境下原油含水率對316L鋼腐蝕速率的影響最大，其次是溫度，而二氧化碳分壓的影響最小。隨著原油含水率的增加，平均腐蝕速率逐漸變大總體呈上升趨勢，增幅較大，含水率為90%時腐蝕速率最大。