榆林天然氣處理廠水系統(tǒng)不同鋼材腐蝕性能評價

高 亮，黃雪萍，王 霞，李 丹，周繼勇，王 娜，王 軒

（中國石油長慶油田分公司第二采氣廠，陜西西安 710000）

榆林天然氣處理廠水系統(tǒng)主要由生產(chǎn)污水、循環(huán)冷卻水、檢修污水、鍋爐房排污、甲醇回收單元塔底水和生活污水構(gòu)成。水系統(tǒng)管線鋼材主要為20#及20R鋼，處理廠投運(yùn)至今10年，各類水管線腐蝕、穿孔情況嚴(yán)重，造成間歇性的停工檢修，給天然氣的凈化生產(chǎn)造成了不必要的損失。

金屬在油氣田中的腐蝕主要為電化學(xué)腐蝕，油田中的雜質(zhì)主要以溶解性的氯化物形式存在。同時，水中存在的溶解氧，二氧化碳及硫化氫等氣體，硫酸鹽還原菌也會對金屬造成嚴(yán)重的腐蝕。

本研究對處理廠現(xiàn)用的20#、20R鋼及市面上存在的抗腐蝕性鋼材進(jìn)行電化學(xué)分析、掛片失重分析、電鏡及能譜分析。對比抗腐蝕性能最佳的鋼材，為處理廠水系統(tǒng)管材的升級改造提供合理建議。

表1 污水水質(zhì)成分

表2 五種鋼材的化學(xué)成分及含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù),%）

1 試驗方法

主要鋼材：316L、16Mn、20#、L360 和 20R 鋼材，山東晟鑫科技有限公司。主要儀器：PARM2273電化學(xué)工作站，美國EG&G公司；JSM-6610LV掃描電子顯微鏡，日本電子公司。

1.1 實驗介質(zhì)

實驗介質(zhì)為從現(xiàn)場取回來的含油含醇污水，污水主要成分（見表1）。

1.2 試樣的制備和處理

極化曲線和阻抗譜實驗中，腐蝕電極材質(zhì)采用市售 316L、16Mn、20#、L360和 20R 鋼，五種鋼材的成分（見表2），五種試樣均加工成φ1 cm×1 cm圓片，工作面積為0.785 cm2，試樣背面點焊引出銅導(dǎo)線，非工作表面用環(huán)氧樹脂封裝。試樣依次用Si-C砂紙打磨至1500#，用蒸餾水沖洗，丙酮除油，酒精清洗，冷風(fēng)吹干，放在干燥器中備用。

現(xiàn)場腐蝕失重實驗中，試樣采用市售標(biāo)準(zhǔn)316L、16Mn、20#、L360和 20R鋼，五種試片的尺寸均為50 mm×13 mm×1.5 mm，孔徑 6 mm，用蒸餾水沖洗，丙酮除油，酒精清洗，冷風(fēng)吹干。干燥，稱量。

1.3 試驗方法與步驟

1.3.1 極化曲線測試實驗 極化曲線測試采用三電極系統(tǒng)，飽和甘汞電極（SCE）和石墨電極分別作為參比電極和輔助電極。電解池選用EG&G公司的玻璃電解池，溶液體積為1.0 L，實驗溫度為50℃，密封體系進(jìn)行測試。實驗數(shù)據(jù)經(jīng)計算機(jī)采集后由系統(tǒng)自帶的軟件擬合，獲得相應(yīng)的自腐蝕電位、腐蝕電流、腐蝕速率等電化學(xué)參數(shù)。電位掃描由陰極向陽極進(jìn)行，掃描速度為0.166 mv/s，電位掃描范圍為-0.25~0.25 V（相對開路電位）。

1.3.2 阻抗譜測試實驗 阻抗譜測試采用三電極系統(tǒng)，飽和甘汞電極（SCE）和石墨電極分別作為參比電極和輔助電極。電解池選用EG&G公司的玻璃電解池，溶液體積為1.0 L，實驗溫度為50℃，密封體系進(jìn)行測試。測試頻率范圍為10 mHz~100 kHz，交流正弦激勵信號幅值為10 mV，測量在自腐蝕電位下進(jìn)行。

1.3.3 現(xiàn)場腐蝕失重實驗 實驗時間為37 d。每組實驗采用3個平行試樣。實驗結(jié)束后試樣用水沖洗，然后放入酸洗液（酸洗液配制：取3.5 g六亞甲基四胺，500 mL HCl用蒸餾水定容到1 000 mL）中浸泡5 min，取出后用脫脂棉輕輕擦拭表面，最后用無水乙醇清洗，充分干燥后稱重，計算腐蝕速率rcorr（mm/a）。

1.3.4 掃描電鏡與能譜分析 將進(jìn)行腐蝕失重實驗后的試樣依次用水、酒精清洗，充分干燥，用JSM-6610LV掃描電子顯微鏡觀察試樣表面腐蝕形貌并對腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行物相分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 極化曲線分析

50 ℃下，316L、16Mn、20#、L360和 20R 5 種鋼材在含油含醇污水中極化曲線的變化情況（見圖1），極化曲線分析處理所得的幾種電化學(xué)參數(shù)（見表3）。

由圖 1 和表 3 可見，16Mn、20#、L360 和 20R 4 種鋼材的陽極極化曲線較為相似，且自腐蝕電位相差不大，相比16Mn、20#、L360和20R 4種鋼材，316L鋼的極化曲線明顯變化，曲線向左移動，自腐蝕電位向正方向移動，且陽極Tafel斜率變大，陰極Tafel斜率變小。說明16Mn、20#、L360和20R四4種鋼材在含醇污水中的陽極腐蝕機(jī)理類似，且不同于316L鋼的。五條極化曲線都屬于活化控制的極化曲線，隨著電位的變化，五條曲線化中都沒有鈍化區(qū)出現(xiàn)，表明腐蝕均為電化學(xué)控制的腐蝕體系[1]。

表3 由圖1極化曲線擬合所得的幾種電化學(xué)參數(shù)

5種鋼材的自腐蝕電流和腐蝕速率依316L、16Mn、20#、L360、20R 的順序增大，且 316L 的腐蝕速率遠(yuǎn)小于其他4種鋼材的腐蝕速率，其他4種鋼材的腐蝕速率相差不大。自腐蝕電位是陰、陽極過程耦合的結(jié)果。有研究指出，自腐蝕電位正移，鋼材的抗腐蝕能力增強(qiáng)，316L鋼的自腐蝕電位遠(yuǎn)大于其他4種鋼材的。綜上，說明五種鋼材在50℃含醇污水中的抗腐蝕能力，316L鋼的最強(qiáng)，20R鋼的最差。

圖1 50℃下5種鋼材在氣田含油含醇污水中的極化曲線

2.2 阻抗譜分析

50 ℃下，316L、16Mn、20#、L360和 20R 5種鋼材在含油含醇污水中阻抗譜圖（見圖2）。

圖 2 表明，316L、16Mn、20#、L360 和 20R 5 種鋼材在含油含醇污水中阻抗譜均表現(xiàn)出一個時間常數(shù)，即高頻區(qū)的容抗弧現(xiàn)象，低頻區(qū)并沒有出現(xiàn)典型的代表Warburg阻抗特征的直線，說明整個腐蝕過程均為活化控制。五種鋼材的容抗弧依 316L、16Mn、20#、L360 和20R的順序逐漸減小，說明5種鋼材的抗腐蝕性在依次減弱。5種鋼材在50℃含醇污水中的抗腐蝕能力，316L鋼的最強(qiáng)，20R鋼的最差，這與極化測試的結(jié)果相一致。

圖2 50℃下5種鋼材在氣田含油含醇污水中的阻抗譜

2.3 腐蝕失重實驗

50 ℃下，316L、16Mn、20#、L360 和 20R 五種鋼材在氣田含油含醇污水中的現(xiàn)場腐蝕失重實驗結(jié)果（見圖 3）。

圖3 50℃下5種鋼材在氣田含油含醇污水中的腐蝕失重實驗

由圖3可知，在氣田含油含醇污水中，5種鋼材的自腐蝕電流和腐蝕速率依 316L、16Mn、20#、L360、20R的順序增大，且316L的腐蝕速率遠(yuǎn)小于其他4種鋼材的腐蝕速率，其他4種鋼材的腐蝕速率相差不大，這與極化測試的結(jié)果相一致。

2.4 腐蝕形貌

50 ℃下，316L、16Mn、20#、L360和 20R 5種鋼材在氣田含油含醇污水中的現(xiàn)場腐蝕失重實驗試片的掃描電鏡和能譜分析結(jié)果（見圖4）。

圖 4 50 ℃下，316L、16Mn、20#、L360 和 20R

從圖 4 可知，依 316L、16Mn、20#、L360 和 20R 的順序，試片腐蝕程度依次加劇。16Mn、20#、L360和20R 4種鋼材的腐蝕程度遠(yuǎn)大于316L鋼，4種鋼材的腐蝕產(chǎn)物主要是有一定保護(hù)作用的碳酸亞鐵，但腐蝕產(chǎn)物中氧元素含量逐漸下降，導(dǎo)致鋼材表面腐蝕加劇依次[2]。由圖1可知，4種鋼材的陽極極化曲線類似，說明4種鋼材的陽極反應(yīng)機(jī)理類似，腐蝕過程中陽極主要存在以下反應(yīng)：

16Mn鋼材腐蝕產(chǎn)物中含有少量的Cl元素，說明有輕微的Cl-腐蝕。16Mn和20#試片表面均無點蝕發(fā)生，腐蝕產(chǎn)物的附著性強(qiáng)于在L360和20R試片上；L360和20R試片表面均有點蝕發(fā)生，腐蝕嚴(yán)重，腐蝕產(chǎn)物膜與基體的結(jié)合十分松散，很容易從基體脫落。316L鋼鉻含量比較高，表面的鈍化膜以鉻的氧化物和氫氧化物為主，腐蝕輕微。Cr屬于易鈍化金屬，可以使合金變成鈍化狀態(tài)，因此是一種能有效提高鋼鐵耐蝕性的合金元素，對于鋼的自鈍化能力和在鈍化狀態(tài)下的腐蝕速率具有重要影響。有大量研究表明，鉻的氧化物和氫氧化物對腐蝕性離子具有較強(qiáng)阻擋作用[3]，使316L鋼的抗腐蝕性在5種鋼材中最強(qiáng)。

3 結(jié)論

（1）電化學(xué)實驗表明，在50℃含醇污水中的抗腐蝕能力，依 316L、16Mn、20#、L360、20R 的順序增大，316L鋼的最強(qiáng)，20R鋼的最差，且316L鋼的抗腐蝕性遠(yuǎn)強(qiáng)于其他4種鋼材，316L鋼適合做含醇污水處理廠的抗腐蝕性材料。這與動態(tài)腐蝕失重實驗、SEM和EDX分析結(jié)果相一致。

（2）16Mn、20#、L360和20R鋼的陽極反應(yīng)機(jī)理相同。腐蝕產(chǎn)物主要是碳酸亞鐵，在16Mn、20#、L360和20R鋼表面的附著能力逐漸變差，L360和20R鋼表面有點蝕坑出現(xiàn)。

（3）合金元素對提高鋼材的耐腐蝕性能作用較大，金屬材料中含Cr對于鋼的自鈍化能力和在鈍化狀態(tài)下的腐蝕速率具有重要影響。

[1]夏春蘭，吳田，劉海寧，等.鐵極化曲線的測定及應(yīng)用實驗研究[J].大學(xué)化學(xué)，2003，18（5）:39-41.

[2]高輝，朱建華，陳素霞.原油脫金屬劑對不同鋼材的腐蝕性評價[J].石油化工腐蝕與防護(hù)，2006，23（3）:17-18.

[3]董曉煥，姜毅，趙國仙.4種常用鋼材耐環(huán)烷酸腐蝕性能研究[J].石油化工腐蝕與防護(hù)，2004，21（2）：3.