3 Cr鋼在CO2環(huán)境中的腐蝕研究＊

張仁勇 漆亞全 施岱艷 陳勇彬 張金鐘 鞠 嵐

（1．中國石油集團工程設計有限責任公司西南分公司）

（2．中國石油天然氣集團公司石油管工程重點實驗室酸性氣田管材腐蝕與防護研究室）

（3．中國石油塔里木油田分公司塔中項目經(jīng)理部）

一些學者［1－5］在研究3Cr管線鋼（w（Cr）為3%左右）的腐蝕方面已取得了成果，但對其耐蝕機理還尚未達到系統(tǒng)的認識，也沒能明確規(guī)定其應用領域。本試驗模擬中海油高溫高壓的CO2腐蝕環(huán)境，研究了3Cr鋼的腐蝕速率、產(chǎn)物形貌及成分，為3Cr鋼的現(xiàn)場應用提供了理論支持。

1 試驗材料和方法

選用來自不同爐號的a、b兩組3Cr鋼（金相組織見圖1）制作試樣，每組三個試樣分別編號1、2、3用于計算平均腐蝕速率，其尺寸均為80 mm×20 mm×2 mm，試樣表面用砂紙逐級打磨，最后用800＃砂紙打磨，用丙酮和酒精清洗后干燥待用。將兩組試樣分別放入兩臺容積為3 L的磁力驅動反應釜中進行高溫高壓腐蝕模擬試驗，試驗溫度為60℃，p（CO2）分壓為1．5 MPa，用氮氣增壓至8．1 MPa，介質流速為1 m／s，試驗時間為4天。模擬中海油某區(qū)腐蝕環(huán)境，腐蝕介質的化學成分見表1。

表1 腐蝕介質成分表Table 1 Corrosion medium composition （mg·L－1）

腐蝕試驗完成以后，取出試片后先用自來水沖洗，然后放入丙酮中除油并用脫脂棉擦拭表面，接著放入無水乙醇中浸泡進一步脫脂脫水。將經(jīng)過脫脂脫水的試片放入酸洗液中除膜，并用脫脂棉擦拭表面再放入干燥皿中，半小時后稱量。采用式（1）計算3Cr鋼的平均腐蝕速率：

式中：Rc為腐蝕速率，mm／a；W0、W1為腐蝕前、后掛片的質量，g；S為掛片的面積，m2；ρ為試驗材料的密度，g／c m3；t為腐蝕時間，h。

未除膜的兩片試樣用N2保護，干燥后進行SEM和EDS分析。

2 試驗結果與分析

2．1 腐蝕速率

模擬腐蝕試驗結束后，取出試樣進行分析，3Cr鋼在本次模擬的腐蝕環(huán)境中呈現(xiàn)的是均勻腐蝕。清洗、干燥腐蝕試樣，通過失重法計算試樣的腐蝕速率見表2，a、b兩組3Cr鋼試樣的平均腐蝕速率分別達到3．85、3．24 mm／a，這表明在此動態(tài)環(huán)境下，3Cr鋼易發(fā)生較嚴重的均勻腐蝕。選取腐蝕最嚴重的a組2號試樣進行表面形貌分析，如圖2所示。

表2 a、b兩組3Cr鋼試樣的腐蝕速率 （mm·a－1）Table 2 Corrosion rate of 3Cr steel samples of group a，b

2．2 腐蝕產(chǎn)物分析

Pighacampo的研究［6］表明，Cr的加入能使腐蝕產(chǎn)物膜由晶態(tài)向非晶態(tài)轉變，主要成分包括非晶態(tài)的FeCO3、Cr（OH）3和 Cr2O3。在本次試驗條件下，3Cr鋼表面的腐蝕產(chǎn)物膜出現(xiàn)了兩層（圖2），外層是形狀較規(guī)則的晶粒，內(nèi)層則比外層更致密。EDS結果（圖3和表3）表明，3Cr鋼的外層結構主要是FeCO3晶粒，內(nèi)層為含Cr產(chǎn)物膜。FeCO3晶體形狀比較規(guī)則，但是堆垛疏松，分布不均，且存在空隙，附著力弱，在液體沖刷作用下，3Cr鋼表面難以形成完整致密且具有保護性的腐蝕產(chǎn)物膜。

Fe CO3晶體下面出現(xiàn)了大面積的含Cr產(chǎn)物，大量研究證明這些含Cr化合物在脫水后會發(fā)生龜裂，容易脫落。本次試驗中，3Cr鋼的CO2腐蝕產(chǎn)物內(nèi)層膜w（Cr）約48%，遠高于基體的Cr含量。在腐蝕的過程中，由于基體金屬被腐蝕溶解后，鐵離子與溶液中的HCO3－或者CO32－結合形成沉淀物附著在基體表面形成FeCO3晶體，基體中的Cr保留下來形成Cr的化合物，通常情況下會是Cr（OH）3。

FeCO3在弱酸中不穩(wěn)定，易水解，而Cr（OH）3的穩(wěn)定性較好，能長時間附著在基體上。本次試驗條件下，可能由于富Cr層的不致密，所以3Cr鋼在整體上呈現(xiàn)較高的腐蝕速率。因此，在苛刻的CO2腐蝕環(huán)境下，可以采取適當?shù)姆栏胧┡浜?Cr鋼的使用，如加注緩蝕劑。

表3 試驗條件下3Cr鋼不同區(qū)域的成分組成Table 3 Compositions of 3Cr steel in different areas under test conditions （%）

3 結論

（1） 兩組3 Cr鋼試樣在60 ℃、p（CO2）1．5 MPa及介質流速為1 m／s腐蝕環(huán)境中呈現(xiàn)嚴重的均勻腐蝕，其腐蝕速率分別達到3．85 mm／a和3．24 mm／a。在較苛刻的CO2腐蝕環(huán)境中，可以采取適當?shù)姆栏胧┡浜?Cr鋼的使用。

（2） SEM 和EDS檢測結果表明，3 Cr鋼的CO2腐蝕產(chǎn)物外層結構主要是堆垛疏松、分布不均的FeCO3晶粒，內(nèi)層為含Cr的產(chǎn)物膜。

［1］ Bijan Ker mani，Juan Carlos Gonzales，Gustavo Lopez Turconi，et al．Develop ment of superior corrosion resistance 3%Cr steels f or downhole applications［C］．Paper 03116 presented at CORROSION 2003，March，2003，San Diego，CA，USA：NACE 2003 Inter national．

［2］ 郭少強，許立寧，常煒，等．3Cr管線鋼CO2腐蝕實驗研究［J］．金屬學報，2011，47（8）：1067－1074．

［3］ 鄭凱，麥迪娜·努爾買買提，張麗娜，等．油氣開采過程中CO2腐蝕控制措施探討［J］．石油與天然氣化工 ，2011，40（4）：381－384．

［4］ 賈志軍，杜翠薇，劉智勇，等．3Cr低合金鋼在含飽和CO2的Na Cl溶液中的腐蝕電化學行為［J］．材料研究學報，2011，25（1）：39－44．

［5］ 胡麗華，張雷，許立寧，等．3Cr低合金管線鋼及焊接接頭的CO2腐蝕行為［J］．北京科技大學學報，2010，32（3）：345－350．

［6］ Pigliaca mpo L，Gonzales J C，Turconi G L．61st NACE Annual Confer．Houston：NACE，2006：06133．