劉倩倩,李自力,程遠(yuǎn)鵬

(中國(guó)石油大學(xué)(華東) 儲(chǔ)運(yùn)與建筑工程學(xué)院 山東省油氣儲(chǔ)運(yùn)安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，青島 266580)

正交試驗(yàn)法研究X90管線鋼在CO2環(huán)境中的腐蝕行為

劉倩倩,李自力,程遠(yuǎn)鵬

(中國(guó)石油大學(xué)(華東) 儲(chǔ)運(yùn)與建筑工程學(xué)院 山東省油氣儲(chǔ)運(yùn)安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，青島 266580)

通過(guò)正交試驗(yàn)法研究了CO2環(huán)境中各因素對(duì)X90管線鋼腐蝕行為的影響。結(jié)果表明：各因素對(duì)X90管線鋼在CO2環(huán)境中腐蝕速率的影響按大小順序是原油含水率、溫度、CO2分壓、流速；X90管線鋼腐蝕產(chǎn)物膜表面布滿網(wǎng)狀裂紋，呈鱗片狀，產(chǎn)物膜結(jié)構(gòu)疏松，對(duì)基體保護(hù)作用較弱，表面點(diǎn)蝕坑較多，點(diǎn)蝕嚴(yán)重，X90管線鋼抗CO2腐蝕性能較差；產(chǎn)物膜成分隨腐蝕環(huán)境變化而不相同，所有產(chǎn)物中都含有FeCO3和Fe，部分試樣產(chǎn)物膜中還有腐蝕介質(zhì)析出的碳酸鹽。

正交試驗(yàn)；X90管線鋼；CO2腐蝕

一般情況下干燥的CO2對(duì)鋼材沒有腐蝕性，但在潮濕環(huán)境中CO2會(huì)與水相溶形成碳酸，相同pH條件下，它對(duì)碳鋼的腐蝕比完全電離的鹽酸還要嚴(yán)重[1-2]。由CO2引起的管道腐蝕失效，不僅會(huì)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)損失，而且會(huì)造成惡劣的社會(huì)影響[3]。X90管線鋼是目前第三代超高強(qiáng)管線鋼(X90、X100、X120)中最具應(yīng)用性的管道工程用鋼[4-5]，關(guān)于其在國(guó)內(nèi)外的應(yīng)用研究還較少[6]，尤其是X90管線鋼在CO2環(huán)境中的腐蝕。CO2腐蝕的影響因素主要有環(huán)境因素和材料因素兩方面[7-8]。本工作選擇溫度、CO2分壓、原油含水率、流速作為腐蝕影響因素，通過(guò)正交試驗(yàn)，研究了環(huán)境因素對(duì)X90管線鋼在CO2環(huán)境中腐蝕行為的影響，為X90管線鋼的實(shí)際應(yīng)用提供一定的理論參考。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料采用寶鋼生產(chǎn)的X90管線鋼，化學(xué)成分如表1所示，試樣尺寸為40 mm×13 mm×2 mm。試驗(yàn)前，試樣表面經(jīng)360號(hào)，800號(hào)，1 000號(hào)，1 200號(hào)金相砂紙逐級(jí)打磨至鏡面，然后用去離子水清洗，脫脂棉擦干，并用無(wú)水乙醇脫水、丙酮除油，置于真空干燥器中備用。

表1 X90管線鋼化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab. 1 Chemical composition of X90 pipeline steel (mass) %

腐蝕介質(zhì)為某油田原油和該油田產(chǎn)出水模擬液的混合液，產(chǎn)出水模擬液是按表2所示實(shí)際產(chǎn)出水成分配制，即將541.9 mg CaCl2，632.1 mg Na2SO4，493.3 mg MgCl2，1 385.3 mg NaHCO3，12 978.9 mg NaCl，234.2 mg KCl溶于1 L去離子水中。

1.2 試驗(yàn)方法

采用四因素五水平正交試驗(yàn)方法進(jìn)行腐蝕試驗(yàn)，研究溫度、CO2分壓、原油含水率、流速四個(gè)因素對(duì)X90鋼在CO2環(huán)境中腐蝕行為的影響，其因素水平見表3。

表3 正交試驗(yàn)的因素水平表
Tab. 3 Factors and levels of orthogonal test

因數(shù)水平12345溫度/℃4050607080CO2分壓/MPa0.51.01.52.02.5原油含水率/%4050708090流速/(m·s-1)0.60.751.01.52.0

試驗(yàn)設(shè)備為容積3L的FCZ-9.8/200磁力驅(qū)動(dòng)反應(yīng)釜，將原油與產(chǎn)出水模擬液按試驗(yàn)設(shè)定的原油含水率裝入反應(yīng)釜中，然后將試樣裝到夾具上，迅速封閉反應(yīng)釜，通入CO2，除氧2 h以上。除氧完畢后，升溫至所需溫度，然后升壓至所需分壓后關(guān)閉CO2閥門，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，此時(shí)開始計(jì)時(shí)，試驗(yàn)時(shí)間為25 h。

試驗(yàn)結(jié)束后，取出試樣，用石油醚浸泡除油，然后用無(wú)水乙醇脫水、丙酮脫脂，冷風(fēng)干燥。去除試樣表面產(chǎn)物膜，即依次在清洗劑(1.19 g/mL 500 mL鹽酸+3.5 g六次甲基四胺+1 000 mL去離子水配制)中浸泡15 min，6%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))NaOH溶液中浸泡2 min，去離子水清洗，并用毛刷或橡皮擦拭表面，最后無(wú)水乙醇脫水、丙酮脫脂，冷風(fēng)吹干，真空干燥器中放置24 h，稱量，按腐蝕前后質(zhì)量差計(jì)算腐蝕速率。

用3D體式顯微鏡和S4800型場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡觀察腐蝕產(chǎn)物膜形貌；用X′Pert Pro MPD型多晶粉末X-射線衍射儀檢測(cè)腐蝕產(chǎn)物成分。

2 結(jié)果與討論

2.1 正交試驗(yàn)結(jié)果分析

正交試驗(yàn)結(jié)果及極差分析結(jié)果如表4所示。

表4 正交試驗(yàn)結(jié)果極差分析
Tab. 4 Range analysis results of orthogonal experiment

試驗(yàn)號(hào)溫度/℃CO2分壓/MPa原油含水率/%流速/(m·s-1)腐蝕速率/(mm·a-1)1400.5400.62.35782401.0500.754.87133401.5701.07.91254402.0801.510.19665402.5902.012.75836500.5501.03.95277501.0701.59.60128501.5802.010.57819502.0900.612.927610502.5400.755.973011600.5702.010.115812601.0800.612.177113601.5900.7516.189814602.0401.06.424615602.5501.511.984016700.5800.759.323117701.0901.018.270118701.5401.54.689519702.0502.011.715420702.5700.617.055021800.5901.522.883622801.0402.05.372823801.5500.66.623024802.0700.7523.124225802.5801.025.7803k17.619309.726604.9635410.22810k28.6065210.058507.8292811.89628k311.378269.1985813.5617412.46804k412.2106212.8776813.6110411.87098k517.4466614.7101216.6058810.10808極差R9.827365.5115411.642342.35996腐蝕速率最大組合802.5901

極差R值的大小反映了各因素、水平對(duì)腐蝕速率的影響程度。由表4可見，如不考慮因素間的交互作用，原油含水率對(duì)腐蝕速率的影響最大，其次是溫度，然后是CO2分壓，流速影響最?。煌瑫r(shí)，原油含水率、溫度均與腐蝕速率成正比。在試驗(yàn)范圍內(nèi)腐蝕速率最大的組合為溫度80 ℃、CO2分壓2.5 MPa、原油含水率90%、流速為1 m/s，在該條件下X90管線鋼的腐蝕速率為27.133 3 mm/a，遠(yuǎn)高于NACE RP-0775-1991中規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)值(>0.254 mm/a)，屬于極嚴(yán)重腐蝕，可見試驗(yàn)所采用的X90管線鋼抗CO2腐蝕性能特別差。

2.2 腐蝕形貌分析

圖1為掃描電鏡觀察到的腐蝕產(chǎn)物膜形貌。由圖1可見，試樣表面臺(tái)地腐蝕嚴(yán)重，腐蝕產(chǎn)物膜表面凹凸不平，肉眼觀察可以看到流體沖刷作用下形成的溝槽，腐蝕產(chǎn)物膜表層疏松易剝落，表面附著有基體腐蝕后顆粒狀腐蝕產(chǎn)物，并且布滿網(wǎng)狀裂紋，因而產(chǎn)物膜不能在基體和腐蝕介質(zhì)間建立良好的保護(hù)屏障，腐蝕介質(zhì)易進(jìn)入表面裂紋，加速X90管線鋼腐蝕。

圖1 X90管線鋼表面腐蝕產(chǎn)物膜的SEM形貌(80 ℃，2.5 MPa，90%，1 m/s)Fig. 1 SEM images of corrosion products on the surface of X90 pipeline steel

圖2為體式顯微鏡觀察到的腐蝕產(chǎn)物膜形貌。由圖2(a)可見，試樣整個(gè)表面凹凸不平，臺(tái)地腐蝕顯著，這與掃描電鏡下觀察到的腐蝕形貌相符。由圖2(b)可見，試樣表面點(diǎn)蝕嚴(yán)重，一個(gè)較深點(diǎn)蝕坑周圍通常還有許多較淺的點(diǎn)蝕坑，其中點(diǎn)蝕坑最大深度可達(dá)57.644 9 μm。

(a) 表面整體

(b) 點(diǎn)蝕坑圖2 體式顯微鏡下X90管線鋼表面腐蝕產(chǎn)物膜表面形貌Fig. 2 Surface morphology of corrosion products on the surface of X90 pipeline steel observed under stereomicroscope： (a) whole surface； (b) pits

對(duì)不同條件下腐蝕產(chǎn)物膜進(jìn)行分析，結(jié)果如圖3所示。由圖3可見，在腐蝕速率最大組合條件下得到的腐蝕產(chǎn)物膜主要成分為FeCO3和基體腐蝕后殘留的Fe；原油含水率為80%時(shí)腐蝕產(chǎn)物膜表面不僅有FeCO3和Fe，還有腐蝕介質(zhì)在產(chǎn)物膜表面析出的碳酸鹽。

(a) 80 ℃， 2.5 MPa， 90%， 1 m/s

(b) 80 ℃， 2.5 MPa， 80%， 1 m/s圖3 不同條件下腐蝕產(chǎn)物膜XRD譜Fig. 3 XRD patterns of corrosion products under different conditions

3 結(jié)論

(1) 試驗(yàn)中各影響因素與X90管線鋼的抗CO2腐蝕行為的相關(guān)性，按大小順序是原油含水率、溫度、CO2分壓、流速。

(2) 試驗(yàn)所用X90管線鋼抗CO2腐蝕性能差，腐蝕以均勻腐蝕為主，表面點(diǎn)蝕坑較多，腐蝕產(chǎn)物膜表面呈魚鱗狀，布滿網(wǎng)狀裂紋，腐蝕產(chǎn)物結(jié)構(gòu)疏松易剝落，對(duì)基體保護(hù)作用弱。

(3) X90管線鋼表面腐蝕產(chǎn)物膜以FeCO3和腐蝕殘余的Fe為主，部分試片表面還有從腐蝕介質(zhì)中析出的碳酸鹽。

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Corrosion Behavior of X90 Pipeline Steel in CO2Environment Evaluated by Orthogonal Test

LIU Qian-qian, LI Zi-li, CHENG Yuan-peng

(Shandong Key Laboratory of Oil and Gas Storage and Transportation Safety, College of Pipeline and Civil Engineering, China University of Petroleum, Qingdao 266580, China)

The effects of different factors on corrosion behavior of X90 pipeline steel in CO2environment were investigated by orthogonal test. The results show that the influence factors on corrosion rate of X90 pipeline steel in CO2environment ranked from big to small were water content ratio of crude oil, temperature, CO2partial pressure, flow velocity. The corrosion product film of X90 pipeline steel covered with net cracks on its surface was scaly. The structure of corrosion product film was loose, so it had weak protection for the matrix. There were a lot of pits on the surface, and the pitting corrosion of the steel was serious. The resistance to CO2corrosion of X90 pipeline steel was comparatively poor. The corrosion products were different when the corrosion conditions changed, but all the corrosion products contained FeCO3and Fe, and part of the corrosion products contained carbonate precipitated from corrosion medium.

orthogonal test; X90 pipeline steel; CO2corrosion

2015-08-21

國(guó)家重大科技專項(xiàng)(2011ZX05017-004)

李自力(1963-)，教授，博士，從事油氣儲(chǔ)運(yùn)設(shè)備腐蝕理論與防護(hù)技術(shù)方面的研究，15053293355，cygcx@163.com

10.11973/fsyfh-201612005

TG172

A

1005-748X(2016)12-0970-03