塔里木油田油井管钢腐蚀行为研究

塔里木油田油井管钢腐蚀行为研究

在过去10年中，两年腐蚀是油田必须尽快解决的问题之一。在进行油管、套管设计时,就CO2腐蚀进行寿命预测、选材评价和规律研究。P110是普遍采用的油管、套管用钢,但我们对P110钢的CO2腐蚀规律的研究较少。将P110钢置于模拟油田CO2腐蚀环境中,研究温度、CO2分压、流速对腐蚀速率及腐蚀规律的影响,为治理CO2腐蚀提供依据1测试方法1.1模拟油田井下腐蚀环境试验试验所用试样从塔里木油田获得,所有动态腐蚀试样均为ϕ72mm的圆环,静态试样为20mm×30mm×5mm的平板。试验前,将试样分别用200#、400#、600#和1000#砂纸逐级打磨、清洗、除油、冷风吹干后称重。然后,将试样相互绝缘安装在特制的试样架上。试验装置为美国Cortest公司生产的344.4×105Pa动态高压釜。塔里木油田井下温度通常为60～140℃,CO2分压为0～3.5MPa,所以我们选用该温度和CO2分压区间进行模拟油田井下腐蚀环境试验。在进行流速对腐蚀速率影响的研究时,我们选用的最高流速为2m/s,该流速与油田现场基本相同。1.2腐蚀试样的制备试验前先通入高纯氮10h除氧,再装上试样并将高压釜密封,继续通入高纯氮2h除氧。升到设计温度后,通入CO2升压。工作温度、压力、转速和试验时间随试验要求而变化。试验结束后将试样表面用蒸馏水冲洗除去腐蚀介质,再用无水酒精除水后烘干。除去腐蚀产物膜后,用FR-300MKⅡ型电子天平称重,计算试样失重和平均腐蚀速率。用JSM-5800型扫描电镜观察其表面腐蚀形貌。2试验结果及分析2.1co分压和平均腐蚀速率a)温度对静态腐蚀速率的影响图1是CO2分压为2.5MPa时P110钢在不同温度条件下测得的腐蚀速率。由图1,随温度升高,材料的平均腐蚀速率在90℃时出现峰值。之后,随温度升高,平均腐蚀速率下降。b)CO2分压对静态腐蚀速率的影响图2是CO2分压和平均腐蚀速率的关系。由图2,在65℃时,直到CO2分压达到3.5MPa,材料的平均腐蚀速率仍然在增大;90℃时,CO2分压在2.5MPa处,材料的平均腐蚀速率已经达到峰值;115℃时,材料的平均腐蚀速率在CO2分压为1.5MPa处最大。即随着温度的升高,较低的CO2分压就可以使材料的平均腐蚀速率达到最大值,这种现象的出现与材料表面形成的腐蚀产物膜的结构有关。2.2cod压和流速对动态腐蚀速率的影响a)温度对动态腐蚀速率的影响图3是CO2分压为2.5MPa、流速为1.5m/s时温度与平均腐蚀速率的关系曲线。由图3,最大腐蚀速率的峰值温度已经从90℃移到115℃。其他试验结果和静态试验类似。这表明流速造成腐蚀产物膜难以在金属表面沉积,从而使腐蚀向反应驱动力更大的方向即高温方向移动。b)CO2分压对动态腐蚀速率的影响图4是温度为90℃、流速为1.5m/s时,测得CO2分压与平均腐蚀速率的关系曲线。由图4,P110钢的最大腐蚀速率已经调整到2.5MPa处。这可能是由于流动造成腐蚀介质的交换更加通畅,使原本腐蚀速率就较高的P110材料的腐蚀更加严重,表面成膜容易,使得在较小的CO2分压条件就可以形成具有一定保护作用的腐蚀产物膜。c)流速对腐蚀速率的影响图5是温度为90℃、CO2分压为2.5MPa时,流速与平均腐蚀速率的关系曲线。由图5知,随着流速的增加,P110钢的平均腐蚀速率呈先增后降变化规律,其峰值在1.5m/s处。2.3腐蚀试样的宏观局部腐蚀a)关于温度对腐蚀的影响大量的研究表明,温度是CO2腐蚀的重要参数。经典理论认为,CO2腐蚀以局部腐蚀作为主要失效形式,而由均匀腐蚀引起的壁厚减薄并不严重。局部腐蚀形式有点蚀、台面状腐蚀等,它的产生与CO2腐蚀环境下生成的腐蚀产物膜密切相关。一般认为,在低温区,腐蚀产物膜在金属表面不易形成,所以腐蚀类型表现为均匀腐蚀;在中温区,金属表面形成的是多孔疏松的腐蚀产物膜,腐蚀速率一方面较高;另一方面会出现严重的点蚀现象;在高温区,会形成致密、粘附力强的腐蚀产物膜,腐蚀速率大大降低,腐蚀类型为均匀腐蚀,如图6。试验发现,无论在任何温度下,CO2对P110钢表面都会产生局部腐蚀,如图7,这与经典理论不一致,也并不象DeWaard等人认为的只有在90℃左右试样表面才会出现局部腐蚀。将试样从釜中取出,用肉眼观察发现,40℃时的试样表面有很多较浅的腐蚀麻点,90℃时试样表面出现很深的腐蚀沟槽,140℃的试样表面虽然没有发现可见的宏观局部腐蚀。将试样横截面切开进行扫描电镜观察,在40℃时,试样表面出现多个半圆形腐蚀坑,140℃时在试样表面存在明显的局部腐蚀点。b)关于最大腐蚀速率的发生温度DeWaard等人认为,在70℃～80℃时,CO2的腐蚀速率存在一个最大值,此后随着温度升高,FeCO3或Fe3O4膜生成,材料的腐蚀速率开始降低。而Ikeda等人认为,在60℃以下时,碳钢表面生成的是少量松软且不致密的FeCO3,此时,腐蚀为均匀腐蚀;在100℃左右,腐蚀速率最大,腐蚀产物较厚但还很疏松,此时形成深坑状或环状腐蚀;在高于150℃的温度下,由于生成致密且附着力极强的FeCO3,腐蚀被阻止。但是,研究表明,腐蚀速率发生转变的温度点不是固定不变的,而是与环境条件以及材料特性密切相关。随着温度、CO2分压、流速和材料的变化,不同材料平均腐蚀速率最大值的发生温度为60～120℃。c)温度对P110钢的CO2腐蚀影响机理分析对不同温度试样表面腐蚀生成物外层和最靠近基体处的内层分别进行能谱分析(如表1)。由表1,温度变化造成腐蚀产物的成分也发生了很大变化,从而引起产物膜的孔隙率、厚度、致密度和附着性等随之变化。在温度较低时,由于腐蚀反应的电动势较低,材料的腐蚀进行缓慢,FeCO3不易生成,生成物主要是由溶液中的化合物沉积形成,所以,产物粘着性较差,膜薄且疏松。随温度升高,材料的腐蚀加剧,FeCO3的在材料表面形核和生长的速度加快,所以,腐蚀产物膜的厚度和致密性都增加。但是,90℃时反应生成物主要是铁钙镁的碳酸盐,由于晶体结构的不规整,造成腐蚀产物膜虽然厚但是孔洞较多。在140℃时,极大的腐蚀推动力保证FeCO3晶核在材料表面迅速形成且快速生长,形成薄但致密且粘着性好的腐蚀产物膜,保护材料表面不受强烈腐蚀。但是,无论在任何温度下,表面生成膜的致密性还是不足以完全抵挡腐蚀介质的进入,造成膜下的局部腐蚀继续存在,所以,在所有的温度条件下,都存在局部腐蚀现象。3初始腐蚀速率测定p10a1)在任何温度下,CO2对P110钢表面都会产生局部腐蚀。腐蚀速率发生转变的温度点不是固定不变的,而是与环境条件及材料特性密切相关。2)温度变化造成腐蚀产物的成分也发生了很大变化,从而引起产物膜的孔隙率、厚度、致密度和附着性等随之变化,因而使材料的平均腐蚀速率发生变化。3)在静态试验条件下,65℃时,直到CO2分压达到3.5MPa,材料的平均腐蚀速率仍然在增大;90℃时,CO2分压在2.5MPa处材料的平均腐蚀速率已经达到峰值;115℃时,材料的平均腐蚀速率在CO2分压1.5MPa处最大。4)CO2分压为2.5MPa,流速为1.5m/s时,最大的平均腐蚀速率发生在115℃。5)温度为90℃,流速