不同pH值的NaCl溶液對N80鋼腐蝕磨損的影響研究*

李學順，孫福洋，侯 斌

(西安特種設備檢驗檢測院，陜西 西安 710065)

在油氣開采過程中，井下采油液夾雜著固體顆粒與各類腐蝕性氣體，構成一個復雜的多相流腐蝕介質體系。該體系在油套管內不斷流動，導致基體表面發生嚴重的腐蝕磨損，降低了材料的使用壽命，造成了巨大的經濟損失[1-2]。腐蝕磨損不是單純腐蝕和磨損的簡單疊加，兩者存在較大的交互作用，其實質是電化學因素和力學因素對材料的共同作用。腐蝕磨損受多種因素影響，包括材料因素、電化學因素、固體顆粒因素和力學因素等[3-4]。

目前關于油套管鋼的腐蝕磨損研究比較零散，其研究方法主要是質量損失法,雖然可以直觀地反映腐蝕磨損程度，但在腐蝕磨損機理分析方面存在不足[5-6]。采用質量損失法和電化學方法，研究了N80鋼在不同pH值的NaCl溶液中的腐蝕磨損行為，分析了腐蝕磨損規律，為N80鋼在油氣開采工程中的應用提供理論參考。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

試驗材料為N80油套管鋼，規格為：φ177.80 mm×10.36 mm，其化學成分見表1。

表1 N80油套管鋼的化學成分 w,%

采用線切割機將N80油套管鋼加工成尺寸為20 mm×10 mm×5 mm的塊狀試樣。靜態腐蝕和動態腐蝕磨損試驗前塊狀試樣用金相砂紙逐級打磨，以消除機加工劃痕，再用無水乙醇沖洗，丙酮除油，冷風吹干并稱質量。電化學試樣背面點焊引出銅導線，非工作面采用環氧樹脂密封，工作面采用金相砂紙逐級打磨拋光，然后用無水乙醇沖洗，丙酮除油，冷風吹干待用。

1.2 試驗方法

腐蝕介質為中性去離子水配制的濃度為 1 mol/L 的NaCl溶液，分別采用1 mol/L的鹽酸和1 mol/L的NaOH溶液調節其pH值為3，7和11。

靜態腐蝕試驗：將其中一組塊狀試樣放入腐蝕介質中進行靜態腐蝕試驗，腐蝕時間為9 h。

動態腐蝕磨損試驗：先往腐蝕介質中加入質量分數為20%的石英砂作為固體顆粒物，其粒徑為 0.4～0.6 mm，再將另一組塊狀試樣放入其中進行動態腐蝕磨損試驗，攪拌器轉速為900 r/min，腐蝕磨損時間為9 h。對于動態腐蝕磨損后試樣，采用JSM-6390A型掃描電鏡(SEM)觀察其表面的腐蝕產物微觀形貌，并采用能譜分析儀(EDS)分析其元素組成。采用除銹液清除靜態腐蝕試樣和動態腐蝕磨損試樣表面的腐蝕產物，采用FR-300MKII型電子天平(精度1 mg)對清洗后的試樣進行稱質量，并計算其腐蝕速率。

采用德國Zennium E型電化學工作站進行電化學試驗，試驗條件與動態腐蝕磨損試驗相同。試驗采用三電極測試體系，即以電化學試樣作為工作電極，飽和甘汞電極(SCE)為參比電極，鉑電極為輔助電極進行動電位極化曲線測試，極化掃描速率為5.5 mV/s。

2 結果與討論

2.1 腐蝕磨損速率分析

圖1是試樣在不同pH值的NaCl溶液中的靜態腐蝕和動態腐蝕磨損速率。由圖1可見，試樣在pH值為3的NaCl溶液中的動態腐蝕磨損速率最大，為3.978 g/(m2·h)；而在pH值為7的NaCl溶液中的動態腐蝕磨損速率最小，為 2.766 g/(m2·h)。另外，在不同pH值的NaCl溶液中，試樣的動態腐蝕磨損速率均遠遠大于其靜態腐蝕速率，說明腐蝕與磨損存在較大的交互作用。

圖1 試樣靜態腐蝕和動態腐蝕磨損速率

2.2 SEM觀察及EDS分析

采用SEM觀察動態腐蝕磨損后試樣表面的腐蝕產物微觀形貌，其微觀形貌見圖2，并對指定區域進行EDS分析，分析結果見表2。

圖2 腐蝕磨損后試樣表面微觀形貌

表2 能譜分析結果

從圖2和表2可以看出，試樣在pH值為3的NaCl溶液中腐蝕磨損后，其表面附著一層疏松的腐蝕產物膜，膜層較薄且面積較小，腐蝕產物中O與Fe的原子比為2.75，這說明當pH值為3時，溶液中充足的氧會迅速地將Fe2+氧化為Fe3+，鐵發生析氫腐蝕；試樣在pH值為7的NaCl溶液中腐蝕磨損后，其表面覆蓋著大面積的腐蝕產物膜，膜層較厚且致密，呈塊狀分布，腐蝕產物中O與Fe的原子比為2.34，Cl的原子分數較高，為 3.75%，這說明致密的腐蝕產物膜在一定程度上滯留了溶液中的腐蝕性氯離子，阻隔了氯離子的擴散，起到了減緩腐蝕的作用；試樣在pH值為11的NaCl溶液中腐蝕磨損后，其表面出現較大且深的腐蝕沖擊坑，腐蝕產物中O與Fe的原子比為1.99，這說明隨著pH值的增大，溶液中的氧含量急劇降低，不足以將Fe2+氧化為Fe3+，鐵易發生吸氧腐蝕。

清除動態腐蝕磨損后試樣表面的腐蝕產物，繼續采用掃描電鏡觀察，其微觀形貌見圖3。

圖3 去除腐蝕產物后試樣表面微觀形貌

從圖3可以看出：試樣在pH值為3的NaCl溶液中動態腐蝕磨損后，其表面腐蝕沖擊坑分布密集、較小且淺，主要以腐蝕為主；試樣在pH值為7的NaCl溶液中動態腐蝕磨損后，其表面的腐蝕沖擊坑較小，且相互重疊和相連成大的沖擊坑，坑的底部和邊緣出現塑性變形，碎化現象不明顯；試樣在pH值為11的NaCl溶液中動態腐蝕磨損后，其表面的腐蝕沖擊坑較大且深，呈鵝卵石形，以沖擊磨損為主，腐蝕沖擊坑邊緣出現明顯的塑性變形，其中最大腐蝕沖擊坑直徑為26 μm，深度為12 μm。

在腐蝕磨損過程中，試樣承受液體和固體的雙重高速沖擊磨損，其表面發生塑性變形，產生較小的薄片。在pH值為3的NaCl溶液中，由于腐蝕作用較強導致薄片快速斷裂脫落，試樣表面的塑性變形程度較輕，腐蝕沖擊坑分布密集、較小且淺。在pH值為7和11的NaCl溶液中，由于腐蝕作用較弱，試樣表面的薄片被不斷地沖擊磨損，其塑性變形越來越嚴重，最終呈片狀脫落，使材料表面出現較大且深的腐蝕沖擊坑。

2.3 電化學分析

圖4是N80鋼試樣在不同pH值的NaCl溶液中動態腐蝕磨損后的動電位極化曲線，其擬合結果見表3。從圖4和表3可以看出，在不同pH值的NaCl溶液中，試樣動態腐蝕磨損后均未出現明顯的鈍化區。自腐蝕電位Ecorr隨著pH值的增大先正移后負移，說明腐蝕傾向隨著pH值的增大先減小后增大。自腐蝕電流icorr隨著pH值的增大先減小后增大，根據Faraday第二定律，腐蝕速率與腐蝕電流密度成正比,因此，隨著pH值的增大，試樣的腐蝕速率呈現先減小后增大的變化趨勢。

圖4 試樣動態腐蝕磨損后的極化曲線

表3 極化曲線擬合結果

3 結 論

(1)N80鋼在pH值為3的NaCl溶液中腐蝕磨損速率最大，在pH值為7的NaCl溶液中腐蝕磨損速率最小。

(2)在不同pH值的NaCl溶液中，由于腐蝕與磨損存在較大的交互作用，導致N80鋼試樣的動態腐蝕磨損速率遠遠大于其靜態腐蝕速率。

(3)N80鋼試樣在不同pH值的NaCl溶液中動態腐蝕磨損后均未出現明顯的鈍化區，隨著pH值的增大，其腐蝕傾向和腐蝕速率均呈現先減小后增大的變化趨勢。