Q235鋼在三元復合驅溶液中電化學腐蝕研究

齊 波

(中國石油大慶石化分公司，黑龍江大慶163714)

隨著油田開發的不斷深入，油田生產已進入高含水期，為了提高原油采收率，以堿(Alkali)、表面活性劑(Surfactant)和聚合物(Polymer)所構成的三元驅油復合體系(簡稱ASP)日益受到各國的重視。ASP技術是20世紀80年代發展起來的強化采油新技術，在我國發展較快，已經在大慶、勝利油田進行了多處試驗，可在水驅基礎上提高采收率20%以上［1］。但ASP技術應用也同時對所涉及采出系統提出了更高的要求，其腐蝕機理也將由于三元成分的混合而變得更加復雜。因此，對ASP復合驅的腐蝕機理研究是確保三次采油技術推廣中重要的一環。此外，國內外對于ASP的研究還僅限于驅油效果，而對其中腐蝕行為的研究報道甚少，更沒有人進行過系統的研究并提出解決方案［2-4］。

本文主要研究油田常用管線Q235鋼在模擬油田ASP溶液中的電化學腐蝕行為，分析不同溫度和pH值對其腐蝕行為的影響規律，探討其腐蝕機理，為ASP腐蝕與防護的深入研究提供理論參考。

1 實驗

實驗材料:Q235管線鋼。

實驗介質:質量分數為0.6%聚丙烯酰胺、1.2%碳酸鈉、0.12%石油磺酸鹽配制油田ASP模擬液。

實驗設備:美國GAMRY公司PCI4/750電化學綜合測試系統。電化學腐蝕電解池由三電極體系構成，其中輔助電極為鉑電極，參比電極為甘汞電極，工作電極為環氧樹脂密封的Q235鋼。測試前用水砂紙打磨至800號，然后用丙酮和酒精脫脂，吹干備用。

實驗內容:

電化學腐蝕測試時，以測試Q235鋼在ASP溶液中的電化學阻抗譜(EIS)為主，測試頻率選擇 0.1～100 kHz。

(1)測試Q235鋼在25，50和70℃的ASP溶液中的電化學阻抗譜。

(2)測試 Q235鋼在 pH值分別為7.2，8.2，9.2，11.2和 12.2的 ASP溶液中的電化學阻抗譜。

浸泡腐蝕實驗:

在70℃和pH值為7.2，將Q235鋼標準腐蝕掛片在ASP溶液中進行浸泡腐蝕實驗，實驗后采用日本日立S3400型掃描電鏡對腐蝕形貌進行分析。

2 結果與討論

2.1 溫度的影響

圖1為Q235鋼在不同溫度時ASP溶液中的電化學阻抗譜圖。一般來說，高頻區容抗弧半徑越大，反映出溶液阻力越大。由圖1可知，隨溫度升高，容抗弧半徑逐漸變小，說明Q235鋼的腐蝕阻力逐漸降低，腐蝕速率增加。

圖1 不同溫度時電化學阻抗譜Fig.1 EIS plots of Q235 in different temperature of ASP solutions

圖 2 Rt＇，Cd 隨溫度變化Fig.2 Fitted parameters of Rt＇，Cdvaries with the temperature

電化學阻抗譜擬合結果見圖2。隨著溫度升高，Rt'先增大后減小，當溫度達到40℃時，Rt的值最大，鐵陽極溶解速率最小。Cd先減小后增大，鐵表面膜的厚度先增厚后減薄。當溫度達到40℃時，膜的厚度達到最厚。根據Lewis酸堿電子理論，Fe3+奪取水中的OH－生成Fe(OH)3和H+，Fe3+相對于H2O是堿，其共軛酸是H+;H2O是酸，其共軛堿是Fe(OH)3。反應:

由于可逆反應是吸熱反應，當溫度升高時，將促使可逆反應向正方向移動，促進Fe(OH)3在鐵陰極區表面形成，也促進了鐵表面膜層的生成。

2.2 pH值的影響

Q235鋼在不同pH值時的電化學阻抗譜如圖3所示。擬合結果見圖4。從圖4可以觀察到，隨pH值增大，Rt'值先增大后減小，此時鐵溶解速率減小。同時，Cd值先突然升高，此后又突然降低，之后相對平穩，表明此時鐵表面的鈍化膜才相對穩定。

由于電極反應是在堿性溶液中測量的，陽極放電可能是析氧反應［5］:2OH-－2e-→H2O+1/2O2

OH-的放電電位 φOH－=1.229-(0.0591/2)lg(［PO2］1/2/［OH－］2)

圖3 不同pH值時的電化學阻抗譜Fig.3 EIS plots of Q235 in ASP solutions with different pH value

圖4 Rt'，Cd隨pH值變化Fig.4 Fitted parameters of Rt＇，Cdvaries with the pH value

大氣壓分壓 PO2=0.02 MPa，當 pH值為10時可求得φOH－=1.121 V(SHE)。而25℃時飽和甘汞電極電位為0.242 V(SHE)，因此φOH-=1.121-0.242=0.878 V(SCE)。考慮到氧在碳鋼表面放電時需要一定過電位，實際放電電位可能在0.9 V(SCE)以上。在圖4中電流急劇增大時的電位均大于0.94 V(SCE)，超過計算φOH－值，說明此時電極反應應為OH-放電而不是鈍化膜破裂所產生。另外，這表明Q235鋼生成的鈍化膜是致密的，不易發生點蝕。隨碳酸鈉濃度增加，溶液堿性越強，pH值越高，由方程計算的φOH－值就越小，因而OH-放電曲線向左移動，進而Q235鋼腐蝕速率降低。所以隨pH值升高，油管鋼腐蝕速率減小，并趨于平穩。

2.3 腐蝕形貌和產物分析

為了確定上述腐蝕機理的可靠性，對Q235鋼進行浸泡腐蝕實驗。腐蝕后表面形貌的掃描電鏡照片見圖5所示。

圖5 腐蝕形貌掃描電鏡形貌Fig.5 Corrosion surface morphology tested by SEM

可以看出，經浸泡腐蝕后試片表面含程度不同疏松的腐蝕產物膜層，無肉眼可見的點蝕出現。經計算，腐蝕速率均低于0.001 5 mm/a。

3 結論

(1)隨溫度升高，Q235鋼在ASP溶液中的腐蝕阻力降低，腐蝕速率加大，主要與腐蝕產物膜的減薄有關。

(2)隨著ASP溶液pH值升高，Q235鋼腐蝕速率減小，并趨于平穩，主要取決于OH－的放電電位。

(3)浸泡腐蝕后Q235鋼表面含不同程度疏松的腐蝕產物膜層，無肉眼可見的點蝕出現。

［1］ 康萬利.大慶油田三元復合驅化學劑作用機理研究［M］.石油工業出版社，2001:25-36.

［2］ 王為，高建平，郭鶴桐.20碳鋼在三元復合驅溶液中的腐蝕行為［J］.中國腐蝕與防腐學報，1998，18(3):204-207.

［3］ 姜民政，劉書孟，董海洋.三元復合驅油井光桿腐蝕機理探討［J］. 石油化工腐蝕與防護，2003，20(2):20-23.

［4］ 秦開明，張再良，張成果，等.26CrMo4套管鋼在三元復合驅溶液中電化學腐蝕行為研究［J］.科學技術與工程，2012，12(8):5881-5884.

［5］ 曹楚南.腐蝕電化學［M］.北京:化學工業出版社，2004:15-30.