油田典型腐蝕環境的腐蝕機理及選材分析

姜 營*

（中海油石化工程有限公司）

0 引言

某油田儲層流體中不僅含有H2S、CO2，還有較高含量的Cl-，其腐蝕環境十分苛刻。該油田原油處理裝置的管線中連接了多個籃式過濾器，不同管線因輸送的介質不同，腐蝕情況也大不相同。本文針對兩種腐蝕環境下的2 臺籃式過濾器，分別介紹了濕H2S、CO2及氯離子腐蝕機理，并定量分析了濕H2S及CO2腐蝕的影響，還對不同腐蝕環境中的選材進行了分析比較。

1 設備結構及設計工況

1.1 設備結構

籃式過濾器是一種壓力容器，筒體內部有濾網等過濾元件，定期更換濾網可以有效去除輸送流體中的泥沙等顆粒雜質?；@式過濾器結構如圖1 所示，管口N1 為介質入口，N2 為介質出口，，N3 為排氣口，N4為排凝液口。管線輸送的原油等流體介質從N1 入口進入籃式過濾器的筒體，固體顆粒被濾網攔截，過濾后的介質通過N2 管口進入其他設備。

圖1 籃式過濾器詳圖

1.2 設計工況

兩個籃式過濾器位號分別為A 和B，A 設備設計壓力為1.7 MPa，設計溫度為115 ℃；B 設備設計壓力為1.4 MPa，設計溫度為95 ℃。A 設備儲存介質為工藝氣體（含液相水），H2S 和CO2為主要腐蝕因素，體積分數分別為5 470×10-6和15 820×10-6；B 設備儲存介質為產出水，主要腐蝕因素包括H2S、CO2和Cl-，介質中H2S 質量分數為47×10-6，CO2質量分數為340×10-6，Cl-質量分數為12 800×10-6。

2 腐蝕機理

籃式過濾器A 的腐蝕環境中含有H2S 和CO2，且H2S 和CO2含量均較高；籃式過濾器B 的腐蝕環境為H2S、CO2和氯離子共存，其中氯離子含量較高，H2S和CO2含量較低。H2S、CO2和氯離子對金屬的腐蝕機理十分復雜，并相互影響，本文從離子電化學反應的角度定性地分析了其腐蝕機理。

2.1 H2S和CO2共存環境

2.2 H2S、CO2、Cl-共存環境

H2S、CO2共存環境的腐蝕機理如前文所述，此外，溶液中Cl-含量增加會使腐蝕速率顯著增大。因Cl-吸附力強[3]，可以到達金屬表面替代腐蝕產物膜中的S2+，形成氯化物并溶于水，隨著腐蝕產物膜溶解，金屬表面產生點蝕坑，并出現集中應力現象，腐蝕不斷往金屬內部深入，最后出現裂紋甚至穿孔。氯離子破壞金屬表面的保護膜后，有缺陷局部腐蝕更加惡化。因而在H2S、CO2和Cl-共存的腐蝕環境中，金屬表面的腐蝕產物凹凸不平，并伴有腐蝕裂紋和腐蝕孔坑。

3 選材分析

國際腐蝕協會NACE 規定，當H2S 的絕對分 壓＞0.3 kPa 時， 需 要 考 慮 濕H2S 腐 蝕；API SPECIFICATION 6A 規 定，當CO2的 絕 對 分 壓＜50 kPa 時，可不考慮CO2腐蝕。分別計算設備A 和B中介質的H2S 的絕對分壓和CO2的絕對分壓，A 介質中p（H2S）和p（CO2）分別為9.846 kPa 和28.476 kPa，且p（CO2）/p（H2S）＜20；B 介 質 中p（H2S）和p（CO2）分別為0.07 kPa 和0.5 kPa。綜上，A 設備需要考慮濕H2S 腐蝕，B 設備不需要考慮濕H2S 腐蝕和CO2腐蝕，只需要考慮Cl-腐蝕。

3.1 濕H2S腐蝕選材分析

實際工程應用中，濕硫化氫腐蝕環境中的設備選材一般為低合金鋼或復合鋼板（低合金鋼襯鎳合金或不銹鋼），后者抗濕硫化氫腐蝕的能力更強，但制造成本也大大增加，綜合考慮工程造價，A 設備選用低合金鋼。

在硫化氫腐蝕環境中，電化學反應產生的H 原子和拉應力的共同作用下，金屬容易發生硫化物應力腐蝕開裂（SSC）；而當H 原子濃度不斷增加，在過飽和的狀態下，H 原子不斷在金屬內部（如金屬夾雜、缺陷等處）累積，而形成H2，發生氫鼓包，周邊會產生集中應力；氫鼓包不斷發展和增加，最后在集中應力的作用下，相互融合形成氫致開裂（HIC）。為了降低材料腐蝕開裂的敏感性，材料應為正火供貨，正火可以使鋼材的金相組織均勻化；需要控制材料的硬度和殘余應力，焊縫位置可以通過焊后熱處理來降低殘余應力；此外，要控制材料中S、P 元素的含量，避免鋼材自身缺陷。

根據NACE0175 規定，濕硫化氫環境下可根據H2S 的絕對分壓和原位pH 將濕硫化氫腐蝕劃分為0、1、2、3 四個區域，0 區無需考慮應力腐蝕開裂影響，從1 區到3 區表示應力腐蝕開裂的程度逐漸加重。對于不同區域的選材，歐洲各國規定[4]，1 區只需要使用抗SSC 鋼材，2 區和3 區需要使用抗SSC 和抗HIC鋼材。根據NACE0175 查詢得到，溶液原位pH 為4.3，A 設備濕硫化氫腐蝕分區為3 區，設備材料應考慮抗SSC 和HIC 低合金鋼。

綜上，A 設備選材為SA 516 Gr.60（正火），材料的硬度值不應超過HRC22，控制材料中S、P 等雜質含量在較低范圍內，設備制造完成后應進行焊后熱處理。此外，為了達到良好的防腐效果，設備采用內防腐涂層和內部設置犧牲陽極塊等防腐措施。

3.2 Cl-腐蝕選材分析

在氯離子腐蝕環境下，對低合金鋼、奧氏體不銹鋼和雙相不銹鋼的性能進行了對比分析。鎳合金和鈦材具有優異的抗高溫氯離子腐蝕的性能，但造價昂貴，所以不作考慮。

低合金鋼在氯離子環境中會發生點蝕，這點是需要格外注意的，因為點蝕會導致嚴重的局部腐蝕甚至失效；此外，低合金鋼還會發生均勻腐蝕，相較于點蝕，均勻腐蝕不會使材料產生致命缺陷，可以依靠增加鋼材腐蝕裕量來解決這個問題，且氯離子濃度越大，均勻腐蝕速率一般越大。

奧氏體不銹鋼在氯離子腐蝕環境中主要發生點蝕，一旦發生點蝕就會形成大陰極小陽極的腐蝕電池，腐蝕縱向深入，從而導致蝕穿或者在應力下開裂。一般來說，304 不銹鋼耐氯離子的質量分數不超過200×10-6，316 不銹鋼耐氯離子質量分數不超過700×10-6。而當鋼材存在缺陷時，不銹鋼對氯離子點蝕的敏感性大大增加，甚至在氯離子濃度更低的情況下也會發生嚴重的局部腐蝕。

雙相不銹鋼中鉻、鉬、氮元素含量較高[5]，更利于保持鈍化膜穩定，增強不銹鋼抗點蝕的能力；同時雙相鋼中鐵素體相和奧氏體相含量接近，鐵素體大大增強了不銹鋼抗應力腐蝕開裂的能力。此外，雙相鋼綜合力學性能優于鐵素體和奧氏體不銹鋼，其兼具前者的高強度和后者的高韌性的特點，且焊接性能良好。因此雙相不銹鋼是抗氯離子腐蝕的理想選材。

設備介質中氯離子質量分數極高，為12 800×10-6，低合金鋼和奧氏體不銹鋼均無使用，因此，B設備選用S31803雙相不銹鋼。

4 結語

從離子電化學反應角度介紹了H2S、CO2和氯離子對金屬的腐蝕機理；結合NACE0175 的規定，判定了H2S、CO2和氯離子多種腐蝕因素共存環境中的主要腐蝕因素；進而對濕硫化氫腐蝕為主和氯離子腐蝕為主的兩種典型腐蝕環境中設備的選材進行了綜合分析。