榆林天然气处理厂水系统不同钢材腐蚀性能评价

2013-05-10黄雪萍周继勇

石油化工应用 2013年4期

高亮，黄雪萍，王霞，李丹，周继勇，王娜，王轩

（中国石油长庆油田分公司第二采气厂，陕西西安 710000）

榆林天然气处理厂水系统主要由生产污水、循环冷却水、检修污水、锅炉房排污、甲醇回收单元塔底水和生活污水构成。水系统管线钢材主要为20#及20R钢，处理厂投运至今10年，各类水管线腐蚀、穿孔情况严重，造成间歇性的停工检修，给天然气的净化生产造成了不必要的损失。

金属在油气田中的腐蚀主要为电化学腐蚀，油田中的杂质主要以溶解性的氯化物形式存在。同时，水中存在的溶解氧，二氧化碳及硫化氢等气体，硫酸盐还原菌也会对金属造成严重的腐蚀。

本研究对处理厂现用的20#、20R钢及市面上存在的抗腐蚀性钢材进行电化学分析、挂片失重分析、电镜及能谱分析。对比抗腐蚀性能最佳的钢材，为处理厂水系统管材的升级改造提供合理建议。

表1 污水水质成分

表2 五种钢材的化学成分及含量（质量分数,%）

1 试验方法

主要钢材：316L、16Mn、20#、L360 和 20R 钢材，山东晟鑫科技有限公司。主要仪器：PARM2273电化学工作站，美国EG&G公司；JSM-6610LV扫描电子显微镜，日本电子公司。

1.1 实验介质

实验介质为从现场取回来的含油含醇污水，污水主要成分（见表1）。

1.2 试样的制备和处理

极化曲线和阻抗谱实验中，腐蚀电极材质采用市售 316L、16Mn、20#、L360和 20R 钢，五种钢材的成分（见表2），五种试样均加工成φ1 cm×1 cm圆片，工作面积为0.785 cm2，试样背面点焊引出铜导线，非工作表面用环氧树脂封装。试样依次用Si-C砂纸打磨至1500#，用蒸馏水冲洗，丙酮除油，酒精清洗，冷风吹干，放在干燥器中备用。

现场腐蚀失重实验中，试样采用市售标准316L、16Mn、20#、L360和 20R钢，五种试片的尺寸均为50 mm×13 mm×1.5 mm，孔径 6 mm，用蒸馏水冲洗，丙酮除油，酒精清洗，冷风吹干。干燥，称量。

1.3 试验方法与步骤

1.3.1 极化曲线测试实验极化曲线测试采用三电极系统，饱和甘汞电极（SCE）和石墨电极分别作为参比电极和辅助电极。电解池选用EG&G公司的玻璃电解池，溶液体积为1.0 L，实验温度为50℃，密封体系进行测试。实验数据经计算机采集后由系统自带的软件拟合，获得相应的自腐蚀电位、腐蚀电流、腐蚀速率等电化学参数。电位扫描由阴极向阳极进行，扫描速度为0.166 mv/s，电位扫描范围为-0.25~0.25 V（相对开路电位）。

1.3.2 阻抗谱测试实验阻抗谱测试采用三电极系统，饱和甘汞电极（SCE）和石墨电极分别作为参比电极和辅助电极。电解池选用EG&G公司的玻璃电解池，溶液体积为1.0 L，实验温度为50℃，密封体系进行测试。测试频率范围为10 mHz~100 kHz，交流正弦激励信号幅值为10 mV，测量在自腐蚀电位下进行。

1.3.3 现场腐蚀失重实验实验时间为37 d。每组实验采用3个平行试样。实验结束后试样用水冲洗，然后放入酸洗液（酸洗液配制：取3.5 g六亚甲基四胺，500 mL HCl用蒸馏水定容到1 000 mL）中浸泡5 min，取出后用脱脂棉轻轻擦拭表面，最后用无水乙醇清洗，充分干燥后称重，计算腐蚀速率rcorr（mm/a）。

1.3.4 扫描电镜与能谱分析将进行腐蚀失重实验后的试样依次用水、酒精清洗，充分干燥，用JSM-6610LV扫描电子显微镜观察试样表面腐蚀形貌并对腐蚀产物进行物相分析。

2 结果与讨论

2.1 极化曲线分析

50 ℃下，316L、16Mn、20#、L360和 20R 5 种钢材在含油含醇污水中极化曲线的变化情况（见图1），极化曲线分析处理所得的几种电化学参数（见表3）。

由图 1 和表 3 可见，16Mn、20#、L360 和 20R 4 种钢材的阳极极化曲线较为相似，且自腐蚀电位相差不大，相比16Mn、20#、L360和20R 4种钢材，316L钢的极化曲线明显变化，曲线向左移动，自腐蚀电位向正方向移动，且阳极Tafel斜率变大，阴极Tafel斜率变小。说明16Mn、20#、L360和20R四4种钢材在含醇污水中的阳极腐蚀机理类似，且不同于316L钢的。五条极化曲线都属于活化控制的极化曲线，随着电位的变化，五条曲线化中都没有钝化区出现，表明腐蚀均为电化学控制的腐蚀体系[1]。

表3 由图1极化曲线拟合所得的几种电化学参数

5种钢材的自腐蚀电流和腐蚀速率依316L、16Mn、20#、L360、20R 的顺序增大，且 316L 的腐蚀速率远小于其他4种钢材的腐蚀速率，其他4种钢材的腐蚀速率相差不大。自腐蚀电位是阴、阳极过程耦合的结果。有研究指出，自腐蚀电位正移，钢材的抗腐蚀能力增强，316L钢的自腐蚀电位远大于其他4种钢材的。综上，说明五种钢材在50℃含醇污水中的抗腐蚀能力，316L钢的最强，20R钢的最差。

图1 50℃下5种钢材在气田含油含醇污水中的极化曲线

2.2 阻抗谱分析

50 ℃下，316L、16Mn、20#、L360和 20R 5种钢材在含油含醇污水中阻抗谱图（见图2）。

图 2 表明，316L、16Mn、20#、L360 和 20R 5 种钢材在含油含醇污水中阻抗谱均表现出一个时间常数，即高频区的容抗弧现象，低频区并没有出现典型的代表Warburg阻抗特征的直线，说明整个腐蚀过程均为活化控制。五种钢材的容抗弧依 316L、16Mn、20#、L360 和20R的顺序逐渐减小，说明5种钢材的抗腐蚀性在依次减弱。5种钢材在50℃含醇污水中的抗腐蚀能力，316L钢的最强，20R钢的最差，这与极化测试的结果相一致。

图2 50℃下5种钢材在气田含油含醇污水中的阻抗谱

2.3 腐蚀失重实验

50 ℃下，316L、16Mn、20#、L360 和 20R 五种钢材在气田含油含醇污水中的现场腐蚀失重实验结果（见图 3）。

图3 50℃下5种钢材在气田含油含醇污水中的腐蚀失重实验

由图3可知，在气田含油含醇污水中，5种钢材的自腐蚀电流和腐蚀速率依 316L、16Mn、20#、L360、20R的顺序增大，且316L的腐蚀速率远小于其他4种钢材的腐蚀速率，其他4种钢材的腐蚀速率相差不大，这与极化测试的结果相一致。

2.4 腐蚀形貌

50 ℃下，316L、16Mn、20#、L360和 20R 5种钢材在气田含油含醇污水中的现场腐蚀失重实验试片的扫描电镜和能谱分析结果（见图4）。

图 4 50 ℃下，316L、16Mn、20#、L360 和 20R

从图 4 可知，依 316L、16Mn、20#、L360 和 20R 的顺序，试片腐蚀程度依次加剧。16Mn、20#、L360和20R 4种钢材的腐蚀程度远大于316L钢，4种钢材的腐蚀产物主要是有一定保护作用的碳酸亚铁，但腐蚀产物中氧元素含量逐渐下降，导致钢材表面腐蚀加剧依次[2]。由图1可知，4种钢材的阳极极化曲线类似，说明4种钢材的阳极反应机理类似，腐蚀过程中阳极主要存在以下反应：

16Mn钢材腐蚀产物中含有少量的Cl元素，说明有轻微的Cl-腐蚀。16Mn和20#试片表面均无点蚀发生，腐蚀产物的附着性强于在L360和20R试片上；L360和20R试片表面均有点蚀发生，腐蚀严重，腐蚀产物膜与基体的结合十分松散，很容易从基体脱落。316L钢铬含量比较高，表面的钝化膜以铬的氧化物和氢氧化物为主，腐蚀轻微。Cr属于易钝化金属，可以使合金变成钝化状态，因此是一种能有效提高钢铁耐蚀性的合金元素，对于钢的自钝化能力和在钝化状态下的腐蚀速率具有重要影响。有大量研究表明，铬的氧化物和氢氧化物对腐蚀性离子具有较强阻挡作用[3]，使316L钢的抗腐蚀性在5种钢材中最强。