含硫原油對X65鋼的腐蝕行為研究*

李其撫 黃薇薇 王玉彬 程磊 徐靖巖 王曉博

1中國石油管道科技研究中心

2中國石油山東輸油有限公司

海底管道是海上油氣輸送的主要通道，經濟、安全、節能、快捷的優勢使其在海上油氣田開發及海上油氣運輸過程中發揮著重要的作用[1]。截至2018 年底，我國已建成超過4 000 km 的海底管道，海底管道的安全運行直接關系到世界油氣的正常運轉和國內經濟發展[2-4]。海底管道在輸送含硫原油的過程中由于原油含水量較高很容易造成管道腐蝕，腐蝕不僅會縮短管道的使用壽命，同時因為管道產生腐蝕也會降低管道的輸送效率，增加管道的運行維護難度[5-7]。管道的腐蝕甚至可能造成原油泄漏，對周邊水體和土壤環境造成嚴重污染，產生嚴重的社會危害。我國原油管道改輸或者間歇性輸送含硫原油（特別是含硫量較高）時，必須考慮各種腐蝕性含硫物質對管道的腐蝕影響，重新標定原有的管道管材在各種含硫原油中的腐蝕速率，合理地評估管道的使用壽命，做到防范于未然[8-11]。

1 實驗

實驗管材試樣選用當前在役輸油管道中常用的X65 鋼，其化學組成成分（質量分數）如下：C 為0.18%，Si 為0.45%，Mn 為1.55%，P 為0.01%，S為0.01%，V 為0.11%，Nb 為0.05%，Ti 為0.02%，Cu 為0.15%。試樣制作的尺寸為50 mm×10 mm×3 mm 的條形。先將其表面進行拋光，然后用無水乙醇清洗，丙酮除油，最后用冷風吹干備用。

實驗采用的原油取自渤海灣的海上原油，物性參數見表1。

采用自行研制的原油腐蝕實驗裝置進行實驗，設計最高壓力為4.0 MPa，通過高壓循環泵將原油從進油管輸入實驗箱體形成循環流動，最高流速可達5.0 m/s。腐蝕裝置內箱箱體分為動態和靜態兩個實驗區，動態實驗區的試樣架可放置兩排，24 個試樣，靜態實驗區的試樣架可以放置一排，12 個試樣，當進油流速為零時，動態實驗區變成靜態實驗區，裝置的結構示意圖見圖1。

表1 海上原油物性測試結果Tab.1 Physical property test results of marine crude oil

圖1 原油腐蝕實驗裝置結構示意圖Fig.1 Structure diagram of crude oil corrosion test device

采用腐蝕試件前后質量的變化來測定X65鋼的腐蝕速率，即采用失重法測試腐蝕速率，計算公式為

式中：V為腐蝕速率，mm/a；m1為腐蝕前試樣的質量，g；m2為腐蝕后試樣的質量，g；ρ為密度，g/cm3；A為試樣表面積，cm2；t為腐蝕時間，d。

2 實驗結果

將X65鋼試片放置于腐蝕實驗箱中，充入海上原油，使試片浸泡腐蝕7天，然后取出試片，采用失重法測得腐蝕速率為0.013 mm/a，屬于輕微腐蝕程度，采用掃描電鏡得到其腐蝕產物分布及點蝕形貌圖（圖2）。從圖2可以看出：腐蝕產物在試樣表面分布不均勻，有點蝕坑出現，在點蝕坑位置出現較多腐蝕產物，在顯微鏡下呈現反白色顯示。

將點蝕坑位置出現的腐蝕產物進行EDS 分析，可以看出腐蝕產物中含有較高的氧、氯、硫和金屬基體元素，除金屬基體元素以外，氧、硫、氯等元素主要來自于腐蝕介質中，由于實驗前對腐蝕介質進行了除氧操作，因此腐蝕介質里面含氧量相對較低，所以導致X65管線鋼腐蝕的主要原因可歸為氧化性硫的作用。在X 射線的能譜可見顯著的硫峰，因海水中氯鹽含量高，不考慮氯元素的影響。

圖2 X65鋼在海上原油腐蝕環境中的腐蝕產物分布和點蝕形貌Fig.2 Corrosion product distribution and pitting topography of X65 steel in marine crude oil corrosion environment

為研究硫含量和含水率對X65 鋼的腐蝕情況，將海上原油中的水和硫成分都分離出來，再按照一定比例加入活性硫和水，按照質量分數比進行配比，硫含量分別為0.35%、0.64%、1.54%、2.11%、2.92%，含水率分別為0%、0.2%、0.5%、0.7%、1%、2%、3%（其中硫含量和含水率都不高于3%），配置成不同比例的各種原油（按照國內當前長輸管道輸送脫水含硫原油的比例范圍配置），然后對X65 鋼試件在不同溫度下（常溫20 ℃和高溫80 ℃，管道輸送溫度范圍內）進行腐蝕試驗，分別測試在對應溫度下的腐蝕速率（圖3、圖4）。

從圖3、圖4 可以看出，在硫含量和含水率均低于3%時，腐蝕速率與硫含量、含水率基本都呈線性遞增關系，管輸溫度范圍內溫度對腐蝕速率基本沒有影響。

圖3 不同溫度下腐蝕速率隨硫含量的變化規律Fig.3 Change law of corrosion rate with sulfur content at different temperature

圖4 不同溫度下腐蝕速率隨含水率的變化規律Fig.4 Change law of corrosion rate with moisture content at different temperature

3 結論

（1）海底管道在輸送含硫原油過程中，主要是由于氧化性硫導致管材腐蝕不均勻，出現點蝕現場。在80 ℃以下，硫含量和含水率均低于3%時，腐蝕速率與硫含量、含水率基本都呈線性遞增關系，管輸溫度范圍內溫度對腐蝕速率基本沒有影響。

（2）海底管道輸送含硫原油時，必須定期進行壁厚檢測；當輸送原油的硫含量較高時，應該添加緩蝕劑運行或者在輸送前對原油中的活性硫進行脫硫處理。