20#钢在CO_2水气液两相塞状流中的初期腐蚀行为

20#钢在CO_2/水气液两相塞状流中的初期腐蚀行为本文通过动态管流腐蚀试验装置模拟了石油运输管道的实际腐蚀环境,通过改装实验装备大幅度缩短腐蚀时间,研究了20#钢在CO₂/水气液两相塞流环境中初期阶段的腐蚀行为,并全面分析了腐蚀时间、CO₂分压、液相流速等实际生产中的环境参数在腐蚀开始阶段对腐蚀行为的影响。

采用失重法、SEM、EDS、XRD和XPS等分析技术分析了腐蚀初期的腐蚀行为如腐蚀速率、腐蚀产物微观形貌、腐蚀产物元素含量及腐蚀产物相的组成等。

研究结果表明:腐蚀速率在不同压力条件下均呈现出很高的初始腐蚀速率,腐蚀初期存在明显的腐蚀速率降低过程,处在不同CO₂分压下腐蚀速率的差异随着腐蚀时间的延长而逐渐减小;腐蚀产物的沉淀从管壁表面的缺陷处或晶界处开始,腐蚀产物随时间的延长向缺陷四周扩展直至腐蚀产物全部覆盖钢基体,管壁表面最初形成针状腐蚀产物层,而后在其表面逐渐形成絮凝腐蚀产物,管道内部上壁面腐蚀产物的生长过程落后于下壁面,腐蚀产物层中的主要组成相有Fe₃C,FeCO₃,FeOOH和
Fe₃O₄,并未发现多边形FeCO₃晶体。

随着腐蚀时间的增加CO₂分压对初期腐蚀速率的影响逐渐减弱,腐蚀时间为5min时,腐蚀速率随分压的提高先升高再降低,当CO₂分压分别为0.05MPa和0.18MPa时腐蚀速率分别达到最小值（4.85mm/a）和最大值（7.38mm/a）,腐蚀1h后,腐蚀速率随分压变化相对不明显,随着CO₂分压的增加,腐蚀产物斑逐渐明显,且针状腐蚀产物的密度逐渐增加。

腐蚀速率随着流速的提高呈现增加的趋势,腐蚀5min后0.11m/s与0.18m/s 的流速下腐蚀速率分别达到最小值（4.85mm/a）和最大值（9.05mm/a）,随液相
流速的增加,针状腐蚀产物与絮状腐蚀产物逐渐减少,基体表面逐渐由平滑变为粗糙。

根据NACE RP-0775-91标准,以上各个条件下的腐蚀速率均大于0.254 mm/a,属于极严重腐蚀,经EDS元素分析可知下壁面的腐蚀产物主要由Fe、C、O三种元素构成,XPS分峰图谱显示C 1s,O 1s和Fe 2p均出现了三个拟合电位峰,其中C 1s 中三个峰值对应于渗碳体（Fe₃C）和碳酸铁（FeCO₃）中碳的结合能,O 1s三个光谱峰分别对应于
Fe₂O₃,Fe₃O₄和铁氧氢氧化物（FeOOH）中的[OH^-]离子,Fe 2p中三个峰值对应于
Fe₂O₃、Fe₃O₄和FeOOH。

结合XRD分析结果表明腐蚀产物主要组成相有Fe₃C、
FeCO₃、Fe₂O₃、
Fe₃O₄、FeOOH。