任艷輝,汪 洋,林建偉,楊 建,高 玥

(1.中石油西南油氣田川東北氣礦,達州 635000;2中石油西南油氣田達州應(yīng)急搶險維修中心,達州 635000)

隨著管道技術(shù)的發(fā)展,雙金屬復(fù)合管在輸氣管道上的應(yīng)用逐漸增多[1-3]。而目前,針對雙金屬復(fù)合管的腐蝕研究主要集中于內(nèi)襯及焊縫的穿透腐蝕[4]。

現(xiàn)階段投入使用的雙金屬復(fù)合管襯里通常為316L不銹鋼管[5-7],雖具有一定的耐蝕性,但與鎳基合金相比,仍存在較大差距。西南某油田使用以825鎳基合金為襯里、X65碳鋼為外層,采用機械結(jié)合方式制成的雙金屬復(fù)合管,采取對焊的方式將復(fù)合管連接,焊材為625鎳基合金[8-9]。該復(fù)合管用于埋地深1 m處,輸送干氣,現(xiàn)有相關(guān)文獻證明,825鎳基合金具有良好的耐蝕能,而干氣條件下的H2S與CO2幾乎不會產(chǎn)生腐蝕,所以其服役環(huán)境幾乎不會對825鎳基合金襯里產(chǎn)生腐蝕。然而,關(guān)于825鎳基合金與X65碳鋼焊接區(qū)域的電化學(xué)腐蝕行為研究較少,基于此,筆者對其進行研究,以期為825襯里雙金屬復(fù)合管的實際應(yīng)用提供指導(dǎo)。

1 試 驗

1.1 試樣及溶液

試驗材料是用于西南某油氣田生產(chǎn)的以825鎳基合金(簡稱825)為襯里、X65碳鋼為外層的雙金屬復(fù)合管,其化學(xué)成分如表1所示。

表1 825合金及X65碳鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

由于雙金屬復(fù)合管服役于純干氣運送環(huán)境,不存在液體腐蝕,僅需考慮材料本身的電化學(xué)腐蝕性能,因此選擇3.5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù),下同)NaCl溶液作為電化學(xué)試驗溶液[10]。

1.2 試驗方法

電化學(xué)試驗采用三電極體系[11],鉑片電極為輔助電極(CE),飽和甘汞電極(SCE)為參比電極(RE),層間及焊縫的電化學(xué)試樣為工作電極(WE)。電化學(xué)阻抗測試前,對層間及焊縫試樣進行開路電位測試,待開路電位穩(wěn)定后,再進行阻抗測試。阻抗測試在自腐蝕電位下進行,頻率為0.1 Hz～10 kHz,交流激勵信號是幅值為10 mV的正弦波。

在層間與焊縫中取尺寸為10 mm×10 mm×10 mm的試樣進行電化學(xué)試驗,具體取樣位置見表2。用Cu導(dǎo)線焊接試樣背面,用環(huán)氧樹脂將非工作面封裝[12],并SiC砂紙(200800號)逐級打磨試樣工作面,使用去離子水和無水乙醇清洗工作面,吹干待用。采用動電位掃描方法對試樣進行極化曲線測試,掃描速率為 0.5 mV/s,掃描范圍相對于開路電位-300300 mV,采用 CS350H電化學(xué)工作站自帶的CS Studio5+軟件進行數(shù)據(jù)擬合分析。

表2 取樣位置及編號

2 結(jié)果與討論

2.1 極化曲線

圖1為幾種試樣的極化曲線, 根據(jù)電極動力學(xué)方程,見式(1),利用Levenberg-Marquardt迭代方法編制的計算機解析程序,擬合得到腐蝕電流(I)、自腐蝕電位(Ecorr)、陰極塔菲爾斜率(βc)、陽極塔菲爾斜率(βa)、腐蝕速率(Vc)等電化學(xué)參數(shù),見表3。

圖1 幾種試樣的極化曲線Fig.1 Polarization curves of several samples

表3 幾種試樣的極化曲線擬合結(jié)果

(1)

式中:J為電極極化時金屬電極的凈電流密度;E為對應(yīng)的極化電位;Jcorr為自腐蝕電流密度;Ecorr為自腐蝕電位;βa和βc分別為陽極Tafel斜率和陰極Tafel斜率。

由表3可見:1～3號試樣的陰極斜率βc遠(yuǎn)大于陽極斜率βa,說明試樣腐蝕反應(yīng)受陰極反應(yīng)控制;1～3號試樣中,試樣3的腐蝕速率最低,自腐蝕電位最大,腐蝕電流密度最低,即其耐蝕性最好。

由表3還可見:4～7號試樣中,試樣4及試樣7的βa明顯小于βc,說明陰極反應(yīng)對試樣腐蝕的影響更大。而試樣5及試樣6的βa明顯大于βc,這是由于這兩種試樣在陽極處發(fā)生鈍化,使得陽極斜率遠(yuǎn)大于陰極斜率。試樣7的腐蝕速率最快,這是由于三種材料結(jié)合形成的界面較為復(fù)雜,相較于單一成分的界面更容易發(fā)生電化學(xué)腐蝕,因此試樣7的腐蝕速率最大。試樣4的腐蝕速率次之,這是由于碳鋼的耐蝕性較差,整個界面耐電化學(xué)腐蝕性能較差;625(鎳基合金)具有良好的耐蝕性,所以試樣5的腐蝕速率相較于試樣4和試樣7,出現(xiàn)明顯的下降趨勢。825與625合金皆為鎳基合金,都具有非常優(yōu)異的耐蝕性,且相較于625,825的性能更為優(yōu)異,因此由這兩種鎳基合金組成的試樣6相較于試樣5更加耐蝕,腐蝕速率進一步明顯降低。

2.2 電化學(xué)阻抗譜

極化曲線在測試時相對較為敏感,將極化曲線分析與電化學(xué)阻抗分析相結(jié)合,更具有說服力。

由于試樣3的耐蝕性極佳,其阻抗譜與層間及碳鋼相比更加優(yōu)異,因此僅比較試樣1和2的電化學(xué)阻抗譜,如圖2所示。

利用Zsimdemo軟件按圖3所示等效電路模型對其電化學(xué)阻抗譜進行等效擬合[13],結(jié)果見表4。

圖3 等效模擬電路圖Fig.3 Equivalent analog circuit diagram

表4 試樣1和2的電化學(xué)阻抗擬合結(jié)果

由圖3和表4可見:試樣1和2的阻抗譜均呈現(xiàn)出單一變形的容抗弧特性,結(jié)合擬合數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn),試樣2的阻抗半徑比試樣1大,即試樣2的耐蝕性比試樣1好,這與極化電阻結(jié)果呈相同的規(guī)律。

由圖4可見:由于4～7號試樣中,試樣6的耐蝕性格外優(yōu)異,且其阻抗譜遠(yuǎn)高于另外三種試樣,故只對試樣4、5、7進行阻抗譜分析。

圖4 4～7號試樣的電化學(xué)阻抗譜Fig.4 Electrochemical impedance spectra of samples No.4-7

由圖4和表5可見:焊縫處試樣7和試樣4的阻抗譜均勻呈現(xiàn)出單一變形的容抗弧特性,且試樣7的阻抗半徑比試樣4大,即試樣7的耐蝕性更好。這主要是由于625合金的耐蝕性優(yōu)于X65鋼。而試樣5的阻抗譜主要由高頻段容抗弧和低頻段收縮的感抗弧構(gòu)成,結(jié)合極化曲線分析可知,試樣5在陽極極化曲線上發(fā)生了一定的鈍化,推測該感抗弧存在的原因主要是試樣表面腐蝕產(chǎn)物的吸附對基體產(chǎn)生保護作用。由表5還可見,試樣5的擬合阻抗譜半徑最大,其耐蝕性最好,這與極化曲線結(jié)果吻合。

表5 4～7號試樣的電化學(xué)阻抗擬合結(jié)果

3 結(jié) 論

825襯里雙金屬復(fù)合管層間與焊縫存在7個不同界面,研究每個界面的電化學(xué)性能對管道的實際生產(chǎn)使用具有指導(dǎo)意義。電化學(xué)結(jié)果表明:層間區(qū)域試樣的腐傾向由大到小是試樣1>試樣2>試樣3,焊縫區(qū)域試樣的耐蝕性由強到若依次為試樣7>試樣4>試樣5>試樣6。