高温多元热流体注采液中N80钢的腐蚀行为

高温多元热流体注采液中N80钢的腐蚀行为
孙永涛;程鹏;马增华;付朝阳
【摘要】采用高温高压釜失重法和扫描电子显微镜（SEM）对多元热流体中N80钢的高温腐蚀行为进行了研究。

结果表明,在高压CO2和有少量O2的介质中,温度40～280℃范围内,N80钢的腐蚀速率出现两个极大值,分别在60℃和180℃,这与钢表面碳酸亚铁膜和氧化膜的生成及变化有关。

240℃时N80钢的静态腐蚀速率最大,动态下流速增大对腐蚀速率的影响较小,高温下动态腐蚀主要由氧传质控制,O2加速了N80钢的高温CO2腐蚀。

%Corrosion behavior of N80 steel in high temperature multi-component thermal fluid was studied by weight loss method in autoclave and scanning electron microscopy.The results showed that in the medium with high pressure carbon dioxide and slight oxygen in the temperature range 40~280 ℃,there were two corro sion rate peaks of the steel at 60 ℃ and 180 ℃ respectively.The corrosion characteristics were concerned with the variation of corrosion product mainly composed of ferrous carbonate and oxide.In the multi-component thermal fluid,the static corrosion rate of the steel reached the maximum,and in dynamic state the flow rate only showed a slight effect on the corrosion rates.So the high dynamic corrosion is dependent on the oxygen mass-transfer control.Oxygen increases the CO2 corrosion of steel N80 at high temperatures obviously.
【期刊名称】《腐蚀与防护》
【年(卷),期】2012(033)003
【总页数】4页(P218-221)
【关键词】多元热流体;N80钢;高温;二氧化碳;氧;腐蚀
【作者】孙永涛;程鹏;马增华;付朝阳
【作者单位】中海油田服务股份有限公司,天津300450;华中科技大学化学与化工学院,武汉430074;中海油田服务股份有限公司,天津300450;华中科技大学化学与化工学院,武汉430074
【正文语种】中文
【中图分类】TG174
随着对能源需求的日益高涨及石油价格的大幅上扬，提高石油采收率（EOR）在石油工业中处于越来越重要的地位。

国内外发展了多种EOR技术，包括热采、化学驱、气驱、微生物驱等，其中微生物驱处于研究阶段，化学驱日益减少，正在用的主要为气驱和热采方式，将气驱和热采两种方式结合可较大幅度提高采收率［1－4］。

多元热流体是利用航天火箭发动机的燃烧喷射机理，在高压燃烧室内注入工业柴油（原油或天然气）作燃料，同时注入高压空气及高压水，燃烧产生高温高压水蒸汽、CO2及N2等混合气体。

将其直接注入油层，从而增加油层压力，降低原油粘度，提高驱油波及面积，达到提高原油采收率的目的［5，6］。

高温高压多元热流体含有水汽、CO2及少量O2，注热油管会出现腐蚀刺穿现象。

为了多元热流体注采的顺利推进，明确高温高压条件下多元热流体中的腐蚀机理和规律，本工作研究了N80钢在高温模拟多元热流体注采液水样中不同环境条件下的腐蚀行为。

1.1 高温高压腐蚀试验
采用高温高压釜腐蚀失重法进行多元热流体腐蚀测试。

常温下往高压釜中加入腐蚀
介质，挂片，平行样3个，密封。

先通入计量的O2，再通入计量的CO2，升温
至所需要的温度，调节控制转速以模拟不同流速状态，文中流速均为试片线速度。

腐蚀24 h后取出试片，清洗、除锈、干燥后称量并记录数据与试片表面情况。

本工作选用尺寸为50 mm×10 mm×3 mm的N80钢试样，经过表面处理，干燥后进行试验，其化学成分见表1。

试验水样采用模拟的多元热流体水样，其组成见表2。

平均腐蚀速率按式（1）进行计算：
式中：V为平均腐蚀速率，mm／a；ΔG为试验前后试片质量之差，g；S为试片
表面积，cm2；t为腐蚀时间，h；ρ为试片材质密度，g／cm3；C为换算系数8.75×104。

1.2 腐蚀形貌及表面分析
腐蚀试验后，用Quanta系列扫描电子显微镜（SEM）进行了腐蚀微观形貌和表
面分析。

2.1 不同温度下的腐蚀
在试验介质水样中，控制CO2分压2 MPa，氧气分压0.02 MPa，流速1 m／s，分别测试了N80钢在40℃、60℃、90℃、120℃、160℃、200℃、240℃、及280℃温度下的腐蚀速率，结果见图1。

由图1可知，在40～280℃范围内，随温度变化，在含有CO2和O2的多元热流体中N80钢的腐蚀速率存在两个极大值，分别出现在60℃和180℃左右。

以120℃为分割点，分段采用高斯拟合，分别得出不同2个温度范围内的腐蚀速
率与温度间的关系：
式中：V corr为钢片腐蚀速率，单位为mm／a；t为温度，单位为℃。

不同温度下N80钢在多元热流体中腐蚀的宏观形貌见图2。

在较低温度区间（40～120℃），试片表面主要为灰黑色，腐蚀主要表现为CO2腐蚀特征，60℃
时腐蚀速率出现峰值与碳酸亚铁膜的致密性有关。

在较高温度区间（160～280℃），试片表面呈现红黑色，表现出氧化腐蚀特征为主。

160～280℃的N80钢腐蚀表面元素能谱见图3。

160℃和200℃表面为铁的氧化产物和碳酸亚铁共存；240℃碳酸亚铁开始减少，280℃下主要为氧化铁。

N80钢在多元热流体中的腐蚀阴极过程涉及二氧化碳的酸性去极化腐蚀和氧去极
化腐蚀。

随着温度的变化，40℃时表面同时发生CO2酸性腐蚀和氧去极化腐蚀，CO2腐蚀产物碳酸亚铁不易附着，温度升高，表面存在氧化物与碳酸盐混合膜，
碳酸亚铁增多但疏松，腐蚀加速；60℃以后碳酸亚铁膜逐渐变为致密，起到一定
保护作用，腐蚀减速［7－9］；120℃以后氧的传输加快，腐蚀开始增大，腐蚀表面中氧化物逐渐增多；180℃以后氧化膜为主导且增厚，碳酸亚铁减少，腐蚀减速；240℃以后表面主要为氧化膜，腐蚀受氧传质控制，基本稳定。

2.2 不同流速下的腐蚀
在试验水样中，控制温度240℃，二氧化碳分压2 MPa，氧气分压0.02 MPa，分别测试了流速为0 m／s，0.5 m／s，1 m／s，1.5 m／s和2 m／s下N80钢的腐蚀速率，结果见图4。

由图4可以看出，在多元热流体水样中不同流速下，静态时 N80钢的腐蚀速率最大，达到6.6 mm／a；动态时，流速在0.5～2 m／s之间时，腐蚀速率都在2 mm／a左右，仅有小幅波动。

氧的去极化腐蚀以扩散控制为主，在静止状态时多元热流体的腐蚀以二氧化碳酸性腐蚀为主，而在高温动态条件下，氧腐蚀成为主控因素，流动能促进N80钢的表面氧化钝化过程，从而使动态下N80钢的腐蚀速率降低，继续改变流速对腐蚀介质向金属表面的传质速度和金属表面的成膜影响不明显［10］。

不同流速下N80钢表面腐蚀微观形貌见图5。

当流速为0 m／s时，腐蚀最严重，表面观察到少量碳酸钙和铁的腐蚀产物，而流速增加到1 m／s时，表面腐蚀产物
变平滑，为氧化铁膜，当流速增加到2 m／s，氧化铁膜开始脱落，只有少许氧化铁附着在基体上。

2.3 不同氧压力下的腐蚀
在试验介质水样中，控制CO2分压2 MPa，温度240℃，流速1 m／s，测试了
N80钢在氧分压为0、0.02、0.1、0.5 MPa下的腐蚀速率，结果见图6。

由图6
可知，无氧时高温二氧化碳腐蚀速率为0.6 mm／a；加入0.02 MPa氧，腐蚀速
率剧增为无氧的4倍；继续增大氧分压，腐蚀速率也继续增大，但趋势变缓。

无
氧时表现为二氧化碳腐蚀特征，高温下表面的碳酸亚铁致密产物膜将抑制腐蚀，使腐蚀速率较低；氧气的加入，使得高温下表面生成更多铁的氧化物，降低表面膜的完整性，使腐蚀速率增大，这一点从图7和图8的表面微观形貌中得以证实。

由图7和8可见，有无氧存在对N80钢的表面腐蚀形貌有着较大的影响：无氧时腐蚀产物主要是晶状碳酸亚铁，棱形碳酸亚铁整齐严密的附着在基体表面；氧含量为0.02 MPa时，低倍率下有腐蚀产物附着，无明显晶体，放大5000倍后，表面存在碳酸亚铁晶体，且碳酸亚铁颗粒缝隙间和表面上有球形氧化铁颗粒掺混和堆积。

（1）含有CO2和氧的多元热流体中，在40～280℃范围内，N80钢的腐蚀速率存在两个极大值，分别出现在60℃和180℃左右，这与N80钢表面膜中氧化铁和碳酸亚铁的组成变化有关。

（2）240℃含有CO2和氧的多元热流体中，静态时N80钢腐蚀速率最大，而在
动态条件下，腐蚀速率较小。

这是由于流动能加速氧传质过程，促进N80钢表面
的高温氧化钝化，使其腐蚀速率减小。

（3）240℃时氧的加入及分压的增大将加快N80钢的CO2腐蚀速率。

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