油田中低Cr鋼的抗腐蝕性能研究

摘 要：CO2腐蝕是石油天然氣開采過程中的主要腐蝕問題。文章在研究CO2腐蝕行為的基礎上，通過電化學測量技術，研究了低Cr鋼不同鉻含量材料的極化曲線，并進行了分析說明。試驗結果表明：3Cr鋼和5Cr鋼的自腐蝕電位較為相近，均高于P110鋼，從臨界鈍化電位和臨界鈍化電流角度分析，5Cr鋼的抗腐蝕性能優于3Cr鋼。

關鍵詞：低Cr鋼；CO2腐蝕；極化曲線

油氣開發過程中，地層中的CO2會對油管、套管以及管線等設備造成嚴重腐蝕[1]。我國許多油田如四川氣田、勝利油田、吉林油田等存在嚴重的CO2腐蝕，國外的美國Panama油田、挪威的一些油氣田以及中東地區的一些油氣田等也存在CO2腐蝕問題[2-3]。目前，針對CO2腐蝕所采取的防護措施主要有：采用耐蝕材料、加注緩蝕劑和采用防腐涂覆層。但是，由于緩蝕劑長期投資很高，涂覆層使用過程中存在破損造成局部腐蝕的隱患，耐蝕合金的價格昂貴，一次性投資成本較高，特別是對于產量較低的油井使用起來存在經濟效益和投資比太低的問題。從20世紀90年代起，國內外很多研究機構都在進行低Cr鋼的開發來代替耐蝕合金，這樣使得低Cr鋼的研究成為目前CO2腐蝕控制最熱門的課題[4-5]。

文章通過模擬油田現場工況環境，研究鋼管抗CO2腐蝕性能，并分析不同Cr含量對鋼管耐蝕性能的影響，為低Cr耐蝕材料在油田中的安全使用提供技術依據。

1 試驗

試驗所用低Cr合金鋼管在普通鋼管的基礎上分別添加了質量分數為3%和5%的Cr，并適當降低了鋼中C和Mn的含量，以保證能夠獲得預期的抗CO2腐蝕性能，同時滿足鋼管的力學性能要求。試樣經由管坯準備→加熱→定心→穿孔→穿棒縮口→頂管→松棒→脫棒→切頭尾→再加熱→張力減徑→熱處理后，材料化學成分見表1。

電化學試驗中，采用極化曲線法來研究金屬腐蝕。極化曲線法是通過對陽極極化曲線的測量及分析，獲得金屬在所給介質中溶解腐蝕和純化的信息，為金屬的防護提供試驗及理論依據。根據極化曲線實驗的相關試樣要求，所取試樣均采用線切割方式被切割成表面為1cm2，厚度大于2mm的方形試塊，并用環氧樹脂進行封裝。試驗前，將試樣工作面分別用砂紙逐級打磨以消除機加工刀痕，并用丙酮進行超聲清洗，除油，去離子水清洗，然后干燥。試驗時在常溫常壓下進行，腐蝕溶液選擇為10%的碳酸氫鈉溶液加5%的冰醋酸，溶液的體積為300ml。溶液配制完成后靜置3分鐘開始測試，測試過程中利用NaHCO3和CH3COOH不斷反應生成大量CO2氣體創造出CO2腐蝕環境。參比電極為飽和甘汞電極（SCE），輔助電極為鉑電極。

2 結果與討論

如圖1為不同Cr含量的抗CO2腐蝕材質（P110、3Cr、5Cr鋼管）的極化曲線圖，其極化曲線數據見表2。

由表2可以看出，3Cr和5Cr的自腐蝕電位相近，高于P110。3Cr和5Cr從自腐蝕電位、腐蝕速率和自腐蝕電流來分析其抗CO2腐蝕性，5Cr略優于3Cr。若參考臨界鈍化電位和臨界鈍化電流，5Cr的抗腐蝕性應好于3Cr。從極化曲線中陽極極化曲線可知，P110、3Cr、5Cr材料的臨界鈍化電位逐漸向負電位方向移動，臨界鈍化電流密度逐漸向正方向移動，表明按這個順序材料越來越容易鈍化，材料的抗CO2腐蝕性能越來越好。3Cr、5Cr極化曲線的走勢相似，并且在0.75～1.20V之間的出現電流峰，可能原因是在此區間發生晶間腐蝕。

3 結束語

通過對不同Cr含量的抗CO2腐蝕材質的極化曲線進行對比，表明3Cr和5Cr的自腐蝕電位較為相近，均高于P110。從臨界鈍化電位和臨界鈍化電流角度分析，5Cr的抗腐蝕性能應好于3Cr。因此應依據油氣田本身的特點，來綜合考慮選擇5Cr油套管。

參考文獻

[1]王獻 ，董振江，梁擁軍，等.經濟型低Cr抗CO2腐蝕合金石油管材鋼開發現狀[J].腐蝕科學與防護技術，2006，18（6）：436-439.

[2]萬里平，孟英峰，梁發書.油氣田開發中的二氧化碳腐蝕及影響因素[J].全面腐蝕控制，2003，17（2）：14-17.

[3]Hausler R h， Stegmann D E. CO2 corrosion and its prevention by chemical inhibition in oil and gas production[J]. Corrosion，1988，44（1）：5-9.

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