多相流動下溫度、氯離子濃度及CO2分壓對X60鋼腐蝕的影響

郎一鳴，李顯超，王慶，胥錕

1.中海石油（中國）有限公司，上海200030

2.中國船舶重工集團公司第七二五研究所青島分部，山東青島266101

3.中國石油大學（華東）儲運與建筑工程學院，山東青島266580

多相流動下溫度、氯離子濃度及CO2分壓對X60鋼腐蝕的影響

郎一鳴1，李顯超2，王慶3，胥錕3

1.中海石油（中國）有限公司，上海200030

2.中國船舶重工集團公司第七二五研究所青島分部，山東青島266101

3.中國石油大學（華東）儲運與建筑工程學院，山東青島266580

利用自制高低起伏管路模擬腐蝕實驗裝置，研究了在起伏管路多相流沖刷作用下，不同溫度、氯離子濃度和CO2分壓對X60管線鋼的腐蝕速率、腐蝕形態以及腐蝕產物膜形貌的影響。結果表明：隨著溫度的增加，試樣腐蝕速率呈先逐漸增大后逐漸減小趨勢，在65℃左右出現峰值；較低溫度時，試樣表面局部覆蓋少量腐蝕產物膜，沖蝕協同作用造成試樣表面產生嚴重的點蝕、溝槽狀腐蝕等；溫度較高時試樣表面產物膜覆蓋增多增厚，其對基體的保護作用越來越強，腐蝕速率降低，局部腐蝕特征不明顯。隨著氯離子濃度的增大，試樣腐蝕速率呈先增大后下降又逐漸上升趨勢；濃度較低時，多相流動沖刷剪切力造成表層剝離，加劇材料質量損失；濃度較高時，表面產物膜厚且疏松，產生了點蝕或坑蝕等。隨著CO2分壓的增加，試樣腐蝕速率呈先逐漸增大后減小的趨勢；較小分壓下基本上形不成產物膜；中等分壓下生成的產物膜致密性和厚度增大，但是與基體的結合力較小，產物膜的破壞脫落嚴重，腐蝕速率較大；較大分壓下生成的產物膜較厚且致密，對基體的保護性增強，腐蝕速率較低。

多相流；X60鋼；腐蝕；CO2分壓；溫度；氯離子濃度

海上油氣田開發受平臺空間的限制，油氣輸送往往采用油氣水混相輸送的方式。由于油氣輸送時管道途經的地貌高低起伏，管道內部形成了復雜多變的多相流流態，加上混相輸送的介質十分復雜（如普遍含有腐蝕性氣體CO2、H2S等），因而對油氣管道產生了十分復雜的多相流腐蝕，給混相輸送留下了重大的安全隱患，嚴重制約了海上油氣田的開發。

本文利用實驗室自行研制的高壓起伏管路模擬腐蝕設備，研究了X60管線鋼在多相流動沖刷條件下不同溫度、Cl-濃度和CO2分壓對CO2腐蝕的影響，該研究有助于揭示起伏管道中多相流沖刷腐蝕機理[1-10]，對油氣管道的腐蝕防護具有重要的參考意義。

1 實驗裝置

研究設計了如圖1所示的高壓起伏管路模擬腐蝕實驗裝置[11-12]。

圖1 實驗裝置

裝置主要由動力系統、壓力控制系統、溫度控制系統、管路傾角控制系統、轉速控制系統、腐蝕監測系統以及掛片系統等部分組成。

2 實驗材料及方法

2.1 試樣成分與試樣制備

實驗材料選用X60管線鋼，化學成分見表1。

將X60管線鋼材料加工成規格76mm×13.25mm ×2.0 mm的試樣，先用金相水砂紙將試樣表面逐級打磨至1 000#，用丙酮清洗試樣后，用清水沖洗，再用無水乙醇除水，將試樣置干凈濾紙上用冷風吹干。用游標卡尺測量試樣尺寸（精確到0.01 mm），用賽多利斯BSA224S-CW高精度電子天平稱量試樣的質量（精確到0.1 mg），之后用濾紙包好待用。

2.2 實驗介質

參考相關油氣田地層采出液的組成成分，采用去離子水和分析純化學試劑配制腐蝕溶液，其化學成分見表2。

表2 模擬油氣田地層采出液組分

實驗中，在研究不同氯離子濃度對管道腐蝕的影響時，采用加入不同量NaCl的方法來改變氯離子濃度，所以在氯離子濃度不同的情況下，溶液中的鈉離子含量會相應改變。

2.3 腐蝕速率的計算方法

采用失重法計算均勻腐蝕速率，見下式：

式中V——均勻腐蝕速率/（mm/a）；

ΔW——腐蝕前后試樣平均質量的變化/g；

ρ——碳鋼密度/（g/cm3）；

s——試片面積/m2；

t——試驗時間/h。

3 實驗結果分析

3.1 溫度對腐蝕速率和腐蝕宏觀形貌的影響

實驗采用的腐蝕介質見表2，實驗管道總壓力0.5 MPa，CO2分壓力0.25 MPa，實驗時間96 h。溫度對腐蝕速率的影響見圖2。從圖2可知，在氣液兩相流的沖刷作用下，隨著溫度的增加，試樣的腐蝕速率呈現先逐漸增大后逐漸減小的趨勢，在65℃左右出現峰值。在40～50℃范圍內，腐蝕速率的增加較為平緩；50～65℃范圍內，腐蝕速率增大，且增大的幅度比40～50℃區間的要大；從65℃開始，隨著溫度的增加，腐蝕速率逐漸減小，在65～85℃區間內腐蝕速率的減小幅度較大，說明此區間的溫度對腐蝕速率影響較大；溫度從85℃升高到95℃，腐蝕速率略有升高。

圖2 動態條件下沖刷腐蝕速率與溫度的關系

不同溫度下X60管線鋼的腐蝕產物膜宏觀形貌和去除腐蝕產物膜后表面宏觀形貌見圖3。溫度較低時，如40℃時，腐蝕掛片表面沒有明顯的沖刷痕跡，腐蝕速率較低，且腐蝕大多呈現均勻腐蝕狀態；隨溫度升高，掛片表面出現一層褐色產物膜，可見比較密集且較大的鼓包，部分鼓包有裂紋，用手輕觸即破碎脫落而裸露圓形凹陷坑，且表面可見點蝕孔和坑，說明溫度較高時局部腐蝕越來越嚴重；當溫度到達85℃以后，掛片表面平整均勻分布一層較厚淺黑色產物膜，沒有發現鼓包和肉眼可見的點蝕孔，而且端部和圓孔處的沖蝕痕跡已經不明顯。處理后表面光滑呈現金屬亮色，只有少數面積較小的淺蝕坑。說明此溫度下失效缺陷以均勻腐蝕為主，此時腐蝕掛片表面形成的腐蝕產物膜已經較為致密，能夠有效保護掛片基體不受腐蝕，腐蝕速率較低。

圖3 不同溫度下腐蝕產物膜和除膜后宏觀形貌

3.2 氯離子濃度對腐蝕速率和腐蝕宏觀形貌的影響

設定實驗管道總壓力0.45 MPa，CO2分壓力0.25 MPa，溫度60℃，實驗時間96 h。氯離子濃度對腐蝕速率的影響見圖4，從圖4可看出，在氣液兩相流的沖刷條件下，隨著氯離子濃度的增大，試樣的腐蝕速率總體呈先增大后下降又逐漸上升的趨勢；在氯離子質量濃度為4～25 g/L范圍內，腐蝕速率逐漸增大，但在10～25 g/L范圍內的增長幅度明顯小于前半段；質量濃度在25～35 g/L范圍內，腐蝕速率大幅度減小，說明此時腐蝕速率對氯離子質量濃度的變化較敏感；質量濃度超過35 g/L后，腐蝕速率又開始迅速增大。

圖4 動態條件下沖刷腐蝕速率與氯離子濃度的關系

不同氯離子濃度下X60管線鋼的腐蝕產物膜宏觀形貌和去除腐蝕產物膜后表面宏觀形貌見圖5。當氯離子質量濃度較低時（如4 g/L），處理前（見圖5（a））可見試樣表面一部分呈黑色，說明有腐蝕產物覆蓋，但產物牢牢附著在基體上很難用機械方法去除。另外的部分仍然呈金屬色，在黑色和亮色的交界處出現鋸齒狀的紋路，且缺口是沿著流動沖刷方向的，說明覆蓋的黑色產物由于沖刷而從金屬表層剝落；處理后（見圖5（d））腐蝕后的基體呈青黑色，表面平整光滑，沒有發現點蝕，圓孔和端部也沒有明顯沖刷痕跡。氯離子質量濃度較高時（如35 g/L），處理前（見圖5（b））與三種氯離子濃度下的表面特征相比，雖然表面也呈亮色，但是表層之下覆蓋著一層較薄的產物膜；處理后（見圖5（e））表面可見密集分布的小且淺的腐蝕坑點，但沒有明顯沖刷破壞。

3.3 CO2分壓對腐蝕速率和腐蝕宏觀形貌的影響

實驗采用的腐蝕介質見表2，實驗管道總壓力0.55 MPa，溫度60℃，實驗時間96 h。圖6是CO2分壓對腐蝕速率的影響，由圖6可知，在氣液兩相流沖刷條件下，隨著CO2分壓的增加，試樣的腐蝕速率呈現先增大后減小的趨勢。在0.15～0.45 MPa的范圍內，腐蝕速率基本呈線性增長，說明此時腐蝕速率對CO2分壓改變的敏感性降低；當壓力＞0.45 MPa時，腐蝕速率隨分壓的增大急劇降低，說明此時腐蝕速率對CO2分壓的增大較敏感。

圖5 不同氯離子濃度下腐蝕產物膜和除膜后宏觀形貌

圖6 動態條件下平均沖刷腐蝕速率與CO2分壓關系曲線

不同CO2分壓下X60管線鋼腐蝕產物膜的宏觀形貌和去除腐蝕產物膜后表面的宏觀形貌見圖7。

圖7 不同CO2分壓下腐蝕產物膜和除膜后宏觀形貌

CO2分壓較低時（如0.1 MPa），處理前（見圖7（a））試樣表面呈現基體亮色，說明腐蝕程度有限，形成的腐蝕產物較少；處理后（見圖7（d）），基體表面呈灰色，但大部分平整光滑，只在局部區域有淺凹陷（圖上表現為凹陷區顏色較深），而端部和圓孔處則因沖蝕作用而減薄。隨著CO2分壓的升高（如0.35 MPa），處理前（圖7（b）），表面明顯可見形成的腐蝕產物膜大面積脫落，脫落的區域呈有一層腐蝕產物覆蓋的黑色，表層膜的脫落說明其與下部產物的結合力較小，容易受多相流剪切破壞；處理后（見圖7（e））試樣表面比較平整，未見腐蝕坑點，在產物膜脫落區域產生較大面積的凹陷，說明此分壓下腐蝕以均勻腐蝕為主。CO2分壓為0.55 MPa時，處理前（見圖7（c））試樣整個表面都呈深黑色，但平整光滑，未見分離的內外層膜，沒有明顯的沖蝕特征；處理后（見圖7（f））基體表面平整，呈灰色，未發現局部腐蝕坑點或凹陷區，說明此分壓下試樣以均勻腐蝕為主。

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Analysis of Effects of Temperature，Cl-Concentration and CO2Partial Pressure on Multiphase Flow Corrosion ofX60 Steel

LANG Yiming1，LIXianchao2，WANG Qing3，XU Kun3
1.CNOOC（China）Co.，Ltd.，Shanghai200030，China
2.China Shipbuilding Industry 725 Research Institute，Qingdao 266101，China
3.College of Pipeline and CivilEngineering，China University of Petroleum，Qingdao 266580，China

A simulation test device for multiphase flow in rolling pipelines is used to study the effects of multiphase flow erosion on CO2corrosion rate of X60 steel，corrosion appearances and morphologies of superficial corrosion scale under conditions of different temperature，Cl-concentration and CO2partial pressure.The results show that:（1）As the temperature increases，the corrosion rate of the sample increases at first and then decreases gradually with a peak value at about 65℃.When the temperature is low，the surface of sample is partly covered with a small amount of corrosion scale and the erosion synergy leaves severe local corrosion morphologies on the surface of the sample such as pitting corrosion and grooving corrosion；（2）With the increase of Cl-concentration，the corrosion rate of the sample firstly increases and then decreases which isfollowed by another gradualincrease.When the concentration is low，the shearing force generated by multiphase flow erosion leads to the surface layer stripping and aggravates the mass loss of material.And when the concentration is high，the superficial corrosion scale is thick and loose with local corrosions such as pitting corrosion and pointed corrosion；（3）With the increase of CO2partial pressure，the corrosion rate of the sample firstly increases and then decreases.The corrosion scale is hardly formed under small partial pressure. And the corrosion scale formed under medium partialpressure has a larger compactness and thickness whose adhesion to the substrate is so small that the damage and abscission of the scale is serious and the corrosion rate is comparatively large.The corrosion scale formed under greater partial pressure tends to be thicker and more compact which has a good protection for the substrate，and the corrosion rate is smaller.

multiphase flow；X60 steel；corrosion；CO2partialpressure；temperature；Cl-concentration

國家科技重大專項（2011ZX05017-004）資助。

10.3969/j.issn.1001-2206.2015.06.021

郎一鳴（1982-），男，浙江臨安人，工程師，2007年畢業于大連理工大學，碩士，主要從事海底管道技術及項目管理工作。

2015-05-30；

2015-08-02