油田集輸管線電化學腐蝕及防護研究

摘????? 要：油田集輸管線電化學腐蝕問題嚴重影響管線系統的使用壽命，為解決這一問題，對油田集輸管線電化學腐蝕現象進行了評價。采用油田集輸管線中常應用的316L不銹鋼作為實驗對象，利用不同質量濃度的氯離子對316L不銹鋼腐蝕，通過掃描電鏡和能譜分析得到質量濃度為10 g·L^-1與50 g·L^-1氯離子侵蝕下的316L不銹鋼微觀形貌，具體分析得知，10 g·L^-1氯離子對316L不銹鋼侵蝕較輕，然而隨著氯離子濃度的增加，氯離子對316L不銹鋼侵蝕隨之增加，在氯離子質量濃度為50 g·L^-1時，316L不銹鋼腐蝕現象嚴重。在此基礎上，根據油田集輸管線電化學腐蝕情況提出了相應的防護措施。

關? 鍵? 詞：集輸管線;電化學;腐蝕;防護;氯離子;微觀形貌

中圖分類號：TE988?????? 文獻標識碼： A?????? 文章編號： 1671-0460（2020）07-1309-04

Research on Electrochemical Corrosion and Protection

of Oilfield Gathering Pipelines

WANG Jian-guo

（Daqing Oilfield Co.， Ltd.， Fourth Oil Production Plant Infrastructure Project Management Center，

Daqing Heilongjiang 163511， China）

Abstract： The electrochemical corrosion problem of oilfield gathering and transportation pipelines seriously affects the service life of pipeline systems. To solve this problem， the electrochemical corrosion phenomenon of oilfield gathering and transportation pipelines was evaluated. The 316L stainless steel commonly used in oilfield gathering and transportation pipelines was used as the experimental object. The 316L stainless steel was corroded with different concentrations of chloride ions， and the morphology of 316L stainless steel corroded by 10 g·L-1and 50 g·L-1 chloride ions was obtained by scanning electron microscope and energy spectrum analysis. Specific analysis results showed that 10 g·L-1 chloride ion lightly corroded 316L stainless steel. However， as the chloride ion concentration increased， the corrosion of 316L stainless steel by chloride ion increased. When the chloride ion concentration was? 50 g·L-1， 316L stainless steel was seriously corroded. At last， corresponding protective measures were proposed based on the electrochemical corrosion conditions of oilfield gathering and transportation pipelines.

Key words： Gathering and transportation pipeline; Electrochemistry; Eorrosion; Protection; Chloride ion; Micro-morphology

隨著石油需求量的增加，石油開采量增長迅速，管道輸送具有安全、運行成本低等優點，被廣泛應用到流體輸送中。在石油運輸中，管道腐蝕是現階段重點的研究內容，主要分為內部腐蝕和外部腐蝕，其中內部腐蝕是因為目前大多數油田都處于開采后期，油田進入高采出比、高含水階段，油田中的油水分離難度較大，含水、含鹽增加，酸值升高，增加了原油的腐蝕性。外部腐蝕是指油田集輸管線大部分被埋在地下，長期運輸過程中，會受到管輸介質、土壤以及雜散電流等的影響，腐蝕管線，造成管壁變薄，甚至引發穿孔泄漏事故的發生，導致管道失效。若油田輸管線發生問題，不僅會引起嚴重的經濟損失，還會對環境造成嚴重的影響，從而危害人們的身體健康。據了解，很多油田輸送管道僅僅使用2～3年就會因為腐蝕而不能繼續使用，大大降低了設備的使用壽命，并增加設備的運行費用，對油田的正常開采工作造成影響。因此，對油田集輸管線的腐蝕研究非常重要，此次重點研究油田集輸管線電化學腐蝕現象。電化學腐蝕就是金屬與電解質組成兩個電極，組成腐蝕原電池，不純的金屬與電解質溶液相接觸時，比較活潑的金屬失去電子而被氧化，即為電化學腐蝕。此次試驗重點研究了質量濃度為10 g·L^-1和50 g·L^-1的氯離子對316L不銹鋼腐蝕情況，并通過研究結果提出了相應的防護措施，從而為油田管線保護提供參考。

1?? 實驗

1.1? 材料

實驗選取某油田的原油，其集輸式樣分析數據如表1所示。

分析表1可知，除了試樣1以外，其他樣品的陰離子含量均較高，其中含量最多的是Cl^-，是腐蝕管道的重要因素之一，另外SO₄^2-離子^[1]的質量濃度也較高，因此選用試樣1對不銹鋼內侵蝕。

此次研究的重點研究對象為管線中的不銹鋼內襯部分，實驗材料為316L不銹鋼^[2]，該材料取自某油田現場。316L不銹鋼屬于奧氏體不銹鋼，耐蝕性能較為優越，已經廣泛應用到油田地面集輸管線^[3]的鋪設。316L不銹鋼顯微組織金相圖如圖1所示。

分析圖1可知，該不銹鋼的奧氏體組織較為均勻，無明顯缺陷，由于該試樣原材料為軋制而成的板材，因而組織有輕微的曲線變化。

在實驗前，對實驗鋼做如下處理：

將316L不銹鋼進行切割，并用砂紙逐級打磨，利用卡尺測量鋼片的長寬高;用丙酮溶液浸泡316L不銹鋼，去除316L不銹鋼表面的油污;將316L不銹鋼浸泡在質量分數分別為25%、50%、75%和100%的無水乙醇中，脫水15 min;上述步驟完成后，等到鋼片干燥后稱取其重量，以供實驗使用。

對于316L不銹鋼來說，氯離子是誘發腐蝕的重要因素之一，因此選擇相對腐蝕^[4]較輕的氯離子質量濃度10 g·L^-1條件和氯離子質量濃度最高的50 g·L^-1作為研究條件。

1.2? 方法

1.2.1 ?電化學實驗準備

采用電化學阻抗測量^[5]方法，該方法測量得到的阻抗和導納為頻率的函數，阻抗實體對虛部作圖，能夠得到阻抗復平面圖^[6]。

電化學腐蝕試驗采集式樣為10 mm×10 mm正方形316L鋼，實驗時將試樣上端與絕緣外皮的銅導線相連，利用環氧樹脂^[7]包覆其他非工作面，只露出電極的工作面，再用離子水和酒精沖洗工作面，吹干等待實驗，根據上述方法制成的工作電極用來化學實驗。實驗中，測量的頻率范圍^[8]為10⁵～10^-2Hz，并將測量試樣放置在密封測量瓶中，確保測量過程中的溶液處于厭氧狀態^[9]。主要應用到的實驗儀器如表2所示。

在電化學測量中，測量316L不銹鋼在浸泡不同時間的電化學阻抗譜，為了保證電化學測量中瓶內溶液始終處于厭氧狀態，利用石蠟將測量瓶密封

1.2.2 ?顯微分析

實驗后的316L不銹鋼形貌特征的觀察使用電子顯微鏡觀察，并利用X射線能譜儀^[10]分析316L不銹鋼點蝕坑主要元素的變化。

2? 結果討論

點蝕是對油田集輸管線危害較大的腐蝕形式，氯離子是導致輸管線發生點蝕的重要因素之一。? 質量濃度為10 g·L^-1與50 g·L^-1氯離子侵蝕下的316L不銹鋼微觀形貌由掃描電鏡和能譜分析得到。圖2為氯離子質量濃度為10 g·L^-1時的316L不銹鋼微觀形貌。

分析圖2可知，在腐蝕坑的位置旁氧、鋁、鐵等元素都發生了改變。圖3為氯離子質量濃度為

50 g·L^-1時的316L不銹鋼微觀形貌。

分析圖3可知，氯離子對316L不銹鋼的影響非常大，為使實驗結果更加直觀，在下面步驟做詳細分析。

圖4為不同氯離子濃度條件下的316L不銹鋼的電化學阻抗譜。

分析圖4可知，兩種氯離子濃度下的電化學阻抗普均為單容抗弧結構，相比之下，氯離子質量濃度為10 g·L^-1時不銹鋼的容抗弧直徑較大，說明質量濃度為10 g·L^-1時不銹鋼的耐腐蝕性能較好。由于316L不銹鋼的腐蝕產物膜為雙層結構，因此對腐蝕性能進一步分析，分析結果如表3所示。

分析表3可知，隨著氯離子濃度的增加，溶液電阻值Rs減小，說明溶液的導電性能提高，并且外層電阻均有減小，說明鈍化膜因為氯離子金屬離子形成溶鹽或者絡合物，從而使316L不銹鋼發生破壞。綜上所述，上述分析與不銹鋼的電化學阻抗譜得到的結果一致，說明隨著氯離子濃度的提高，會增加316L不銹鋼的腐蝕情況。

3? 油田集輸管線電化學腐蝕防護措施

3.1? 油田集輸管線電化學腐蝕內部防護

在上述腐蝕現象分析完成的基礎上，提出相應的防護措施。向油田集輸管線中添加緩蝕劑，在管線中添加緩蝕劑可增強腐蝕反應需要的活化能，并在金屬表面形成保護膜，減慢腐蝕速率，阻礙電

荷^[11]轉移，同時降低穿孔數量。除此之外，在管道內使用內涂層技術，由于單獨使用陰極保護時保護電流較大，保護費用高，應采用涂層對其防護。涂層選取應選取附著力^[12]好、抗滲透性強和機械性能高的涂料。但是由于涂層本身具有一定的缺陷，在長期使用中，涂層逐漸產生針孔^[13]，從而造成介質與金屬表面的接觸，使裸露部分的金屬與涂層形成局部電池，造成局部嚴重腐蝕。所以將涂層與陰

極^[14]保護結合，以彌補涂層的缺陷，防止涂層發生劣化現象，減少單獨使用時出現不利因素。

3.2? 油田集輸管線電化學腐蝕外部防護

電化學保護分為陰極保護和陽極保護，電化學保護適用于腐蝕嚴重的管道中，考慮到管線輸送的實際情況，采用兩種方法結合的方法進行保護。陰極防護，分為犧牲陽極的外陰保護法和外加強制電流的陰極保護法。犧牲陽極的陰極保護法，主要將電位低和活性強的金屬或合金接在管道的外壁上，作為陰極，主要是接收電子，與電化學反應的陽極結合，從而對管道保護，主要的材料包括鎂合金、鋁合金和鋅合金。外加強制電流的陰極保護法，將管道的金屬端^[15]與外加直流電源連接，正極與輔助陽極相連接。連接后管道與陽極之間產生電位差，從而保護作為陰極的管道。該方法的保護距離相對較長，操作簡單，受其他散電流的影響小。

排流保護，由于管道中存在雜散電流，因此采用排流的方式降低對管線的腐蝕性，主要包括直接排流法、極性排流法、強制排流法和接地排流法。直接排流主要利用導線連接管道和鐵軌，不需要其他設備的幫助，適用于順流情況;極性排流法與強制排流法需要借助不同的設備，以將管道與鐵軌連接。

通過上述保護措施，防止和抑制管線腐蝕現象的發生。

4? 結束語

此次研究重點分析了油田集輸管線中的腐蝕成分以及影響因素，并在此基礎上，提出有效的解決辦法?；诖舜窝芯康膶嶒灲Y果，經過綜合對比可知，氯離子質量濃度為10 g·L^-1時不銹鋼的容抗弧直徑較大，說明質量濃度為10 g·L^-1時不銹鋼的耐腐蝕性能較好。而隨著氯離子質量濃度增加到50 g·L^-1時，對不銹鋼的影響較大，增加了不銹鋼的腐蝕情況。雖然此次研究取得了一定的研究成果，但是仍然存在一些問題需要改進，在后續的研究中重點研究以下兩部分：第一，在涂層的選擇上，沒有詳細選擇，在后續選擇中應先進行附著力測試、耐腐蝕浸泡等，以選擇應用效果好的防護涂層;第二，實驗材料的選擇上具有一定的局限性，雖然接近了實際工況的使用條件，但是還存在一定的不足。因此，在后續的研究中做更加深入的研究，以完善對油田集輸管線腐蝕性能評價方案。

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基金項目：國家科技重大專項課題，大型油氣田及煤層氣開發（項目編號：2015E-400801）。

收稿日期： 2020-02-23

作者簡介：王建國（1969-），男，黑龍江大慶市人，工程師，2004年畢業于大慶石油學院石油工程專業，研究方向：油田基建地面工程。

E-mail：dqwangjianguo@petrochina.com.cn。