温度和Cl-浓度对完井液中Cr13油管的电化学腐蚀的影响.pdf

油田环境地质复杂，导致产油过程中的油套管极易发生腐蚀。在油田进入注水期之后，井下油管服役工况更加复杂、环境更加恶劣，会造成输油管壁发生严重的腐蚀。针对 不锈钢油管，研究温度和 浓度对完井液中 电化学腐蚀的影响。在模拟现场实际工况的基础上，测试了温度为 、质量分数为 的完井液中 的开路电位、电化学阻抗谱和极化曲线。研究结果表明 的开路电位较负（），表现出较高的腐蚀倾向性；极化曲线阳极区呈现活性溶解状态，未发生钝化，表明 的电化学反应活性很高；电化学阻抗随温度和 浓度增加而减小，表明 表面钝化膜稳定性减弱。采用注水、注缓蚀剂和防腐涂层等措施对预防输油管腐蚀十分有效。关键词：电化学腐蚀；温度；不锈钢油管收稿日期：；修回日期：。作者简介：张伟（），高级工程师，本科，主要从事石油化工腐蚀与分析。：基金项目：中海石油（中国）有限公司科研项目“新型油管隔热防腐涂料技术研究”（）油田地质环境复杂，面临着二氧化碳含量高、蜡含量高和易结蜡等问题，因此产油过程中的油套管极易发生腐蚀，给油田的生产带来很大的安全隐患 。目前国内主要油田进入注水期，这使得井下油管的服役工况更加复杂和恶劣，服役温度高和腐蚀性离子浓度高等均使得油田的井下油管出现严重腐蚀现象。调研发现，输油管内壁腐蚀问题已经成为井下输油的关键技术难题之一，严重制约国内油田的安全稳定生产 。在生产实践中，控制油井腐蚀往往选用“碳钢 缓蚀剂”、“涂层 外加电流阴极保护”或“耐蚀合金”等方式，前两种方法虽然比较经济，但是效果有限。如果直接选用高性能不锈钢（如超级 、双相不锈钢、镍基合金等材质）进行防腐，从延长服役周期和应对更加恶劣的服役条件考虑，耐蚀高级不锈钢可能是最为经济且绿色环保的有效防护手段。不锈钢中的 元素能极大地提高不锈钢的防腐性能，在油田中已经有了应用先例。但最近某油田井下使用的 不锈钢油管遭受了很严重的腐蚀。因此，进一步研究 在特定油管服役环境（高温、高 浓度）下的防腐性能具有很大的现实意义。试验试验材料为油管材料 不锈钢。试样加工成薄片状，用环氧树脂将三面密封，留出 的工作面，背后用焊锡将 不锈钢与铜导线连接。在测试前，将 不锈钢分别用 ，和 目的砂纸打磨，并用最低 的金刚石抛光液进行抛光，洗净吹干后备用。电化学测试：测试在辰华 上完成。采用三电极体系，片作为辅助电极，雷磁固态 电极（）作为参比电极。电化学池在水浴锅中加热至所需温度，并同时进行电化学测试。研究温度影响时，完井液的主要成分为质量分数 。研究 浓度影响时，完井液中的氯化钠质量分数分别为 ，和 ，温度为 。电化学阻研究石油化工腐蚀与防护 年第 卷抗谱（）的频率测试范围从 到 ，施加 的交流电压。极化曲线的电位扫描范围为 （开路电位）（开路电位），扫描速率为 。结果与讨论 温度对 的腐蚀影响 开路电位测试图 是 在不同温度下的开路电位。结果表明，随着完井液的温度从 上升到，的开路电位从 降至 。开路电位的值越负表明金属腐蚀倾向性越大，也说明温度上升加大了 的腐蚀倾向 。这是因为温度升高，金属表面电化学反应活性增大，从而造成腐蚀加剧。此外，温度升高导致溶液中的溶解氧降低，因此造成钝化膜的致密性降低，耐蚀性也随之降低。阻抗谱测试图 为 在不同温度下的电化学阻抗谱。从图 可以看出，随着温度升高，图的容抗弧半径逐渐变小，表示钝化膜的电化学阻抗值变小，腐蚀阻力变小 。在 图里，低频 （）随温度升高显著降低。一般认为低频 可以大体反映出金属的防腐蚀性能，而 的低频 在 的变化范围内降低了近一个数量级，说明随着温度升高，的防腐性能急剧下降，这个趋势与开路电位测试的结果一致。图 在不同温度完井液中的开路电位图 在不同温度下的电化学阻抗谱为了进一步分析钝化膜性能，将等效电路进行了拟合，详见图 。图 等效电路 在完井液中的电化学阻抗等效电路拟合结果如表 所示。其中，代表溶液电阻，代表钝化膜电阻，代表金属界面电荷转移电阻，和 是常相位角原件，分别代表钝化膜和金属 膜界面双电层性质。常相位角原件有两个关键参数 和 ，反映钝化膜和双电层电容的容抗。从表 中可以看出，温度为 ，钝化膜电阻逐渐减小，说明钝化膜的致密性逐渐降低，更多侵蚀性离子穿过钝化膜内部，抵达金属表面，逐渐增大，说明 对钝化膜的侵蚀性逐渐增大，与膜电阻减小的趋势相符。由于少部分离子通过钝化膜缺陷处抵达金属界面，因此在金属 膜界面有电荷转移反应发生，越大则腐蚀电化学反应越难进行。当完井液的温度升高，值逐渐减小，说明温度升高导致 的腐蚀速率变快。第 期张伟等 温度和 浓度对完井液中 油管的电化学腐蚀的影响研究表 不同温度的完井液等效电路拟合温度 （）（）（）（）（）极化曲线测试图 是 在 的极化曲线。随着温度升高，腐蚀电位呈下降趋势，说明腐蚀倾向增大。同一电位下，温度越高，电流越大，说明温度升高导致腐蚀速率加快。电流密度在极短的时间内达到 ，说明此时的腐蚀速率较高达到 ，如无任何防护措施，在高温（）下管壁腐蚀穿孔严重。极化曲线随温度的变化趋势与 （开路电位）和 的结果一致，说明电化学测试方法之间具有一致性。图 不同温度的完井液中的极化曲线 浓度对 腐蚀影响 开路电位测试图 是 在 含量不同的完井液中的开路电位。在不同 含量的完井液中，的开路电位均在初始 以内迅速下降，说明 迅速侵蚀钝化膜，导致钝化膜的保护性能下降，在浸泡 以后表面钝化膜慢慢达到稳定的状态。从稳定后的开路电位可以看出，浓度越高，的开路电位越负，从 降至 ，腐蚀倾向增大。对比温度对开路电位的影响（图 ），发现 对腐蚀的影响大于温度，因为 浓度导致了更负的开路电位，使得腐蚀倾向性明显增大。图 在含有 的完井液中 的开路电位 阻抗谱测试完井液中 的电化学阻抗谱见图 。从图中可以看出，随着 浓度变大，图的容抗弧半径逐渐变小，表示钝化膜的电化学阻抗值变小，腐蚀阻力变小。在 图里，低频 随 浓度变大逐渐降低。这个趋势与开路电位测试的结果一致，说明随着 浓度升高，的防腐性能迅速下降。为了进一步分析钝化膜性能，采用图 电路进行了等效电路拟合，拟合结果如表 所示。从表 中可以看出，浓度从 增大到 ，钝化膜电阻逐渐减小，说明钝化膜的致密性逐渐降低，更多侵蚀性离子穿过钝化膜内部，抵达金属表面，逐渐增大说明 对钝化膜的侵蚀性逐渐增大，与膜电阻减小的趋势相符。由于少部分离子通过钝化膜缺陷处抵达金属界面，在金属 膜界面有电荷转移反应发生，越大则腐蚀过程越难进行。浓度增大，值逐渐减小，的腐蚀速率明显加快。极化曲线测试图 是 在不同 浓度下的极化曲线。随着 浓度升高，腐蚀电位呈下降趋势，说明腐蚀倾向增大。同一电位下，温度越高，电流越大，腐蚀速率越快。极化曲线随 浓度升高变化趋势与 和 测试的结果一致。研究石油化工腐蚀与防护 年第 卷图 浓度不同完井液中 电化学阻抗谱表 浓度不同完井液中等效电路拟合（）（）（）（）（）（）（）图 不同 浓度完井液中 极化曲线 结论（）随着温度从 升高到 ，不锈钢的耐蚀性急剧下降，表现为开路电位负移，腐蚀倾向性变大，钝化膜电阻和电荷转移电阻变小。升高温度使得钝化膜的致密性和稳定性降低，对油管基体保护作用下降。（）随着 质量分数从 升高到 ，不锈钢的耐蚀性下降，表现为开路电位负移，腐蚀倾向性变大，钝化膜电阻和电荷转移电阻变小。腐蚀电流密度在极短时间内达到 ，表现出高腐蚀溶解特性，试样表面侵蚀严重。（）相比于温度，更容易引起腐蚀发生，这归结于 产生更大的腐蚀电流和更负的开路电位，因此，控制 含量是防止腐蚀的主要手段。（）裸露的 在高温和高 浓度下的完井液中腐蚀非常严重，需要采取涂层或者加入缓蚀剂等方法来预防腐蚀，以保证油管安全运行。参考文献 李淑华，朱晏萱 井下油管的腐蚀防护 油气田地面工程，（）：，（）：陈涛 浅议井下油管的腐蚀机理及防腐措施 油气田环境保护，（）：，（）：刘畅，陈旭，杨江 腐蚀及其缓蚀剂应用研究进展 化工进展，（）：，（）：丛军，姚子敏 某长期服役海底管道的腐蚀现状和腐蚀机理 腐蚀与防护，（）：，（）：第 期张伟等 温度和 浓度对完井液中 油管的电化学腐蚀的影响研究 魏然，王浩，秦立高，等 海上某油田油管腐蚀失效原因分析 全面腐蚀控制，（）：，（）：马吉康，李敏，方健君 不同腐蚀试验的电化学阻抗谱评价 涂料工业，（）：，（）：杜娟，陈翘楚，刘青茂，等 铝合金在盐水环境中腐蚀性能的电化学研究 材料科学与工艺，（）：，（）：（编辑张向阳），（，；，；，）：，（），；，；，：；“炼化企业防腐保温完整性管理体系研究与应用”通过中国石化集团技术鉴定近日，在中国石化集团公司 委员会设备分委会（原动静设备专业分委会）指导下，由中石化炼化工程集团洛阳技术研发中心牵头，荆门分公司、中韩（武汉）石化共同承担的“炼化企业防腐保温完整性管理体系研究与应用”项目顺利通过集团公司科技部组织的技术鉴定。该项目针对炼化企业防腐保温工程应用与质量管理的问题和不足，建立了以“全生命周期总成本最低”为目标的防腐保温完整性技术管理体系，制定了配套的技术规范，开发了炼化企业防腐保温完整性管理系统平台，形成了防腐保温的设计、采购、施工、验收等过程的全生命周期管理模式。研究成果应用于中国石化 家炼化企业防腐保温工程质量提升工作中，防腐工程质量优良率由 提升至 ，保温工程质量优良率由 提升至 。专家组一致认为，该项目节能降碳、经济效益和社会效益显著，整体技术达到国际先进水平，建议推广应用。（供稿苏耀伦）