二氧化碳腐蚀与防护综述

二氧化碳腐蚀与防护综述

李妍

（中海石油海洋工程股份有限公司设计分公司）提要：在油气田开发中，尤其是在石油天然气工业中，二氧化碳腐蚀是一个由来已久的问题，也是一个不容忽视的严重问题。如英国北海的ALPHA平台，因油气中含1.5~3.0%的二氧化碳，其由碳锰钢X52制成的管线仅用了两个多月就发生了爆炸。因此，关于二氧化碳的腐蚀问题，国内外的防腐工作者已进行了多年的研究工作，取得了一定的成果，也得到了一些防护方法。鉴于蓬莱19-3项目也面临着二氧化碳腐蚀的问题，本文就二氧化碳腐蚀的机理、影响因素及防护措施等几方面进行了综述。

关于二氧化碳的腐蚀机理，本文从阴阳两极的电化学反应出发，进行了详细阐述；影响因素主要讨论了温度、二氧化碳分压、流速、阳离子以及气、水产量等几方面；最后给出几种可行的防护措施。

Summary：C O2corrosion is a very important problem in the development of oil & gas field, especially in petrolic natural gas industry since many years ago. The ALPHA platform in North Sea of Britain exploded only two months after in use because its X52 steel cannot tolerant 1.5-3.0% C O2in its gas. Corrosion control workers have gained some outcome and protective methods after many years studies about

C O2corrosion.

In view of the C O2corrosion will occur in Peng lai 19-3 item, this paper discussed the mechanisms, influential factors and protective methods .The mechanism was discussed from the reaction of negative electrode and positive electrode; the influential factors include temperature, partial pressure of C O2, flow velocity, positive ion, output of gas and water etc.; at last, several viable protective methods were given.

关键词：二氧化碳，腐蚀，腐蚀产物，膜

1前言

人们很早就知道溶于水的二氧化碳会对各种仪器设备造成腐蚀损坏，如原油和天然气生产、输送、精炼所需的各种设备和海底输油管线等。英国北海的ALPHA平台，因油气中含1.5~3.0%的二氧化碳，其由碳锰钢X52制成的管线仅用了两个多月就发生了爆炸。因此，关于二氧化碳的腐蚀问题，国内外的防腐工作者已进行了多年的研究工作，取得了一定的成果，也得到了一些防护方法。但由于内防腐的复杂性，不同的方法各有优缺点，在不同条件下的适用性也不相同，鉴于蓬莱19-3项目也面临着二氧化碳腐蚀的问题，本文在相关的国内外科研资料的基础上，对二氧化碳腐蚀的机理、影响因素及防护措施几方面进行了阐述。

2二氧化碳腐蚀的机理

二氧化碳腐蚀破坏行为在阴极和阳极处表现不同，在阳极处铁

不断溶解导致了均匀腐蚀或局部腐蚀，表现为金属设施与日俱增的壁厚变薄或点蚀穿孔等局部腐蚀破坏；在阴极处二氧化碳溶解于水中形成碳酸，释放出氢离子。氢离子是强去极化剂，极易夺取电子还原，促进阳极铁溶解而导致腐蚀，同时氢原子进入钢中，导致金属构件的开裂。这个腐蚀过程可用如下反应式表示：

阳极反应：

Fe →Fe 2++2e −

阴极反应：

C O 2+H 2O →H 2C O 3

H 2C O 3→H ++HC O 3−

2H ++2e −→H 2

众多实验研究结果一致认为，在常温无氧的二氧化碳溶液中，钢的腐蚀速率受析氢动力学控制，同时发现，从二氧化碳溶液中的析氢过程有两种不同的机理。

第一种机理，氢从氢离子的电化学反应式中析出：

H 3O ++e −⇌H ad +H 2O

第二种机理，在金属界面上二氧化碳水合为碳酸，吸附的碳酸可以直接还原。反应式如下：

CO 2sol ⇌C O 2ad

C O 2ad +H 2O ⇌H 2C O 3ad

H 2C O 3ad +e −⇌H ad +H CO 3ad −

H CO 3ad − +H 3O +⇌H 2C O 3ad +H 2O

上述腐蚀机理是对裸露的金属表面而言的，在实际过程中，随着二氧化碳腐蚀的进行，金属表面将被腐蚀产物膜所覆盖，可用如下方程式表示：

3Fe+4H2O→Fe3O4+8H++8e−

Fe+H2C O3→Fe C O3+2H++2e−

腐蚀产物膜一旦形成，腐蚀行为将与之有密切关系，腐蚀速度将受膜的结构、厚度、稳定性及渗透性等性能所控制。

3二氧化碳腐蚀的影响因素

3.1温度的影响

温度是二氧化碳腐蚀的主要影响因素，在室温以下，暴露在二氧化碳水溶液中的碳钢表面形成的是一种透明的腐蚀钝化膜，据分析其中不含有碳酸盐离子，这种膜不是热力学最稳定状态，因而对金属不具有良好的保护性；当温度升高到50~60℃时，虽然腐蚀速率增大了，但同时也有利于碳酸盐腐蚀产物膜的形成，这种腐蚀产物溶解性低，具有良好保护作用，此时以均匀腐蚀为主；当温度继续升高至60℃以上时，金属表面有碳酸亚铁生成，腐蚀速率由穿过阻挡层传质过程决定，即垢的渗透率、垢本身固有的溶解度和流速的联合作用而定；在60~110℃范围内，腐蚀产物厚而松、结晶粗大、不均匀、易破损，所以局部孔蚀严重；当温度高于150℃时，腐蚀产物细腻、紧密、附着力强，分析其中含有磁性氧化铁生成，于是腐蚀率下降，具有一定的保护作用。