N80套管鋼在液固兩相流中的沖刷腐蝕行為

王海紅，王 平，閆龔杰，李玉瓊，全美榮，陸 亮

1.中國(guó)石油華北油田公司第一采油廠，河北任丘 062552

2.中國(guó)石油華北油田公司第五采油廠，河北辛集 052360

3.中國(guó)石油華北油田公司第二采油廠，河北廊坊 065700

沖刷腐蝕廣泛存在于石油、化工、水利、冶金等行業(yè)，含固體顆粒的液固兩相流會(huì)對(duì)冷凝器、泵葉輪、換熱器過(guò)流部分以及輸送管道產(chǎn)生沖刷腐蝕[1-2]。N80鋼是油田常用的套管鋼，隨著油田的深入開(kāi)發(fā)，中后期油井采出液的含水率和含砂量均會(huì)大幅上升，沖刷腐蝕情況愈發(fā)嚴(yán)重[3-4]。沖刷腐蝕過(guò)程主要包括機(jī)械沖刷、電化學(xué)腐蝕、腐蝕促進(jìn)沖刷和沖刷促進(jìn)腐蝕四部分[5]，影響因素有流體力學(xué)、電化學(xué)、固相顆粒及材料本身四個(gè)方面[6]，研究這些影響因素的腐蝕機(jī)理對(duì)預(yù)防套管鋼腐蝕穿孔具有重要意義。

陳虎等[7]通過(guò)沖刷試驗(yàn)裝置對(duì)N80鋼的沖刷腐蝕行為進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)NaCl濃度和砂粒粒徑均存在臨界值；Zheng等[8]在3.5%的NaCl溶液中加入了不同目數(shù)的泥質(zhì)顆粒，發(fā)現(xiàn)顆粒含量越大，因沖刷造成的腐蝕速率越小，崔璐等[9]通過(guò)自制的噴射沖刷腐蝕裝置，得出液固沖刷腐蝕速率遠(yuǎn)大于電化學(xué)腐蝕速率，且沖刷與腐蝕相互促進(jìn)。以上對(duì)于沖刷腐蝕機(jī)理的研究具有一定的借鑒意義，但均基于失重法測(cè)試，并未探討電化學(xué)腐蝕在其中的作用，且較少涉及流體力學(xué)等相關(guān)因素的影響[10-12]。因此，利用旋轉(zhuǎn)圓柱電極沖刷腐蝕試驗(yàn)裝置，配合電化學(xué)工作站，對(duì)流速和腐蝕時(shí)間兩種流體力學(xué)因素進(jìn)行分析，為N80套管鋼抗沖刷腐蝕提供理論依據(jù)和參考。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)裝置和材料

試驗(yàn)裝置采用美國(guó)PINE旋轉(zhuǎn)圓柱電極，為了降低溶液IR降，在參比電極上連有魯金毛細(xì)管。采用上海辰華CHI600D電化學(xué)工作站進(jìn)行電化學(xué)測(cè)試，工作電極為N80鋼試樣，化學(xué)成分見(jiàn)表1，內(nèi)徑10 mm、外徑15 mm、高度8 mm，有效工作面積3.8 cm2，參比電極為氯化銀，輔助電極為鉑。試驗(yàn)結(jié)束后，采用日本Hitachi S-4800掃描電鏡對(duì)試樣表面進(jìn)行形貌觀察。

表1 N80鋼試樣的化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù) 單位：%

1.2 試驗(yàn)方法和條件

試驗(yàn)前，將N80鋼試樣用不同等級(jí)的砂紙打磨，用丙酮和無(wú)水乙醇清洗烘干后記錄質(zhì)量。試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，測(cè)試極化曲線和電化學(xué)阻抗譜，極化曲線的測(cè)試參數(shù)為在自腐蝕電位±500mV范圍內(nèi)，以0.5mV/s的速率掃描；電化學(xué)阻抗譜的測(cè)試參數(shù)在自腐蝕電位下進(jìn)行，外加10 mV干擾電壓，測(cè)試頻率0.01～100 kHz。試驗(yàn)結(jié)束后，用鹽酸清洗腐蝕產(chǎn)物，風(fēng)干后稱重得到?jīng)_刷腐蝕速率。

利用去離子水和分析純配置2.5%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的NaCl溶液作為沖刷腐蝕溶液，砂粒粒徑0.075～0.125 mm，砂粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%，溫度壓力為常溫常壓。研究流速對(duì)沖刷腐蝕的影響時(shí)分別取1.0、1.5、2.0、2.5、3.0 m/s，腐蝕時(shí)間 10 h；研究腐蝕時(shí)間對(duì)沖刷腐蝕的影響分別取3、6、9、12 h，流速2.5 m/s，其余試驗(yàn)條件保持不變。

2 結(jié)果與討論

2.1 流速對(duì)沖刷腐蝕的影響

用失重法測(cè)得的不同流速下的沖刷腐蝕速率見(jiàn)圖1。隨著流速的增加，失重量和腐蝕速率的變化分為兩個(gè)階段，當(dāng)流速為1～2 m/s時(shí)，腐蝕速率緩慢增加，當(dāng)流速大于2 m/s時(shí)，腐蝕速率急劇增加，兩段均近似為線性關(guān)系。

圖1 不同流速下N80鋼的失重量和沖刷腐蝕速率

根據(jù)Stern公式，腐蝕速率與線性極化電阻Rp的倒數(shù)呈正比，因此通過(guò)對(duì)Rp的測(cè)試可以得到電化學(xué)部分在沖刷腐蝕中的作用[13]。采用恒電位法檢測(cè)不同時(shí)間、不同流速下的Rp值，結(jié)果見(jiàn)圖2。同一流速的條件下，Rp隨時(shí)間的延長(zhǎng)而減小，說(shuō)明腐蝕速率增大，一方面砂粒經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的碰撞后粉碎為更小的顆粒，對(duì)金屬的切削作用更強(qiáng)；另一方面試樣表面的腐蝕產(chǎn)物膜經(jīng)沖刷不斷脫落，導(dǎo)致腐蝕加劇。同一時(shí)間條件下，Rp隨流速的增加而減小，說(shuō)明腐蝕速率增大，當(dāng)流速較低時(shí)（1～2m/s），Rp明顯減小，此時(shí)氧擴(kuò)散的去極化作用較強(qiáng)，電化學(xué)腐蝕作用增強(qiáng)；當(dāng)流速較高時(shí)（5 m/s），Rp隨流速變化的趨勢(shì)不大，此時(shí)金屬電極表面已富集了大量的氧，增大流速對(duì)氧含量的變化影響不大，根據(jù)圖1中顯示的高流速下沖刷腐蝕速率大幅上升，考慮到極化電阻與電化學(xué)的相關(guān)性較大，說(shuō)明高流速下主要以沖刷磨損為主，電化學(xué)腐蝕不構(gòu)成主控因素。

圖2 不同時(shí)間、不同流速下的Rp值

沖刷腐蝕10 h后不同流速下的極化曲線見(jiàn)圖3，擬合結(jié)果見(jiàn)表2。由于腐蝕電流密度與腐蝕速率呈正比，因此采用外推法擬合的腐蝕電流密度可以直接體現(xiàn)試樣的腐蝕狀況[14]。不同流速下的極化曲線變化趨勢(shì)類似，陰極斜率遠(yuǎn)大于陽(yáng)極斜率，說(shuō)明反應(yīng)主要受陰極氧擴(kuò)散控制；隨著流速的增大，腐蝕溶液中溶解氧的傳質(zhì)過(guò)程加速，對(duì)流和擴(kuò)散作用加強(qiáng)，使陰極電流密度加大，腐蝕加??；當(dāng)流速超過(guò)2 m/s時(shí)，腐蝕電流密度增幅較大，當(dāng)流速為3 m/s時(shí)，腐蝕電流密度為1 m/s時(shí)的7.43倍。

圖3 不同流速下的極化曲線

表2 不同流速下的極化曲線擬合參數(shù)

沖刷腐蝕10 h后不同流速下的電化學(xué)阻抗譜見(jiàn)圖4，均呈現(xiàn)高頻容抗弧特性，不同流速下溶液的電阻值均較小且變化不大。隨著流速的增大，容抗弧半徑越來(lái)越小，說(shuō)明電荷傳遞電阻變小，電化學(xué)反應(yīng)阻力變小，腐蝕速率變大；當(dāng)流速較低時(shí)，電極表面的腐蝕產(chǎn)物膜對(duì)基材起到保護(hù)作用，阻礙了腐蝕性離子的侵入，容抗弧半徑較大；當(dāng)流速較高時(shí)，固體顆粒對(duì)電極表面的沖刷作用增強(qiáng)，腐蝕產(chǎn)物膜脫落，腐蝕速率急劇增大，容抗弧半徑較小。此外，高流速下低頻部分出現(xiàn)感性收縮，主要原因是電極表面發(fā)生了點(diǎn)蝕，出現(xiàn)了微小孔洞。

圖4 不同流速下的電化學(xué)阻抗譜

試驗(yàn)結(jié)束后N80鋼表面的微觀形貌見(jiàn)圖5，從圖5可以看出，當(dāng)流速為1 m/s時(shí)，試樣表面較整齊，未出現(xiàn)明顯的固體切削和塑性變形現(xiàn)象，存在一層致密的腐蝕產(chǎn)物膜，說(shuō)明低流速下沖刷磨損基本不起作用；流速為2 m/s時(shí)，出現(xiàn)與沖刷方向相同的剝離痕跡和個(gè)別的點(diǎn)蝕坑；流速為2.5 m/s時(shí)，點(diǎn)蝕坑數(shù)量明顯增多，且深度和直徑較大；流速為3 m/s時(shí)，小的點(diǎn)蝕坑連接到一起，犁削溝槽更為密集，試樣表面已無(wú)腐蝕產(chǎn)物膜，說(shuō)明高流速狀態(tài)下，機(jī)械沖刷的作用更大，顆粒對(duì)產(chǎn)物膜的破壞速度遠(yuǎn)大于形成速度，產(chǎn)物膜發(fā)生減薄或全部脫落，對(duì)基體的保護(hù)作用減弱。微觀形貌結(jié)果與失重試驗(yàn)及電化學(xué)測(cè)試結(jié)果相符。

圖5 不同流速下的N80鋼表面微觀形貌

2.2 腐蝕時(shí)間對(duì)沖刷腐蝕的影響

用失重法測(cè)得不同腐蝕時(shí)間下的沖刷腐蝕速率見(jiàn)圖6。隨著流速的增加，質(zhì)量損失呈線性增加，腐蝕速率整體變化不大，先小幅下降后小幅上升，并在9 h時(shí)達(dá)到最低。

圖6 不同腐蝕時(shí)間下N80鋼的質(zhì)量損失和沖刷腐蝕速率

不同腐蝕時(shí)間下的極化曲線見(jiàn)圖7，擬合結(jié)果見(jiàn)表3。其中陰極斜率遠(yuǎn)大于陽(yáng)極斜率，腐蝕反應(yīng)仍然受陰極氧擴(kuò)散控制；自腐蝕電位呈階躍變化，在2～9 h時(shí)，腐蝕電流密度隨時(shí)間增加而減小，在9h以后，腐蝕電流密度又增大，結(jié)果與質(zhì)量損失試驗(yàn)結(jié)果相符。

圖7 不同腐蝕時(shí)間下的極化曲線

表3 不同腐蝕時(shí)間下的極化曲線擬合參數(shù)

不同腐蝕時(shí)間下的電化學(xué)阻抗譜見(jiàn)圖8，均呈現(xiàn)高頻容抗弧特性。隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，容抗弧半徑呈先變大后變小趨勢(shì)，說(shuō)明腐蝕速率先變小后變大，與前面的試驗(yàn)結(jié)果相符。材料失重包括孕育期、過(guò)渡期和穩(wěn)定期三個(gè)階段，根據(jù)圖6中失重量隨時(shí)間不斷增加，可以判斷本文試驗(yàn)條件處于過(guò)渡期。在試驗(yàn)剛開(kāi)始時(shí)，固體顆粒棱角分明，表面粗糙度較大，因此初始階段對(duì)金屬材料的切削和撞擊作用最強(qiáng)，腐蝕產(chǎn)物膜遭到破壞，基材重新暴露，促進(jìn)了電化學(xué)腐蝕；隨著試驗(yàn)的進(jìn)行，顆粒不斷受到金屬表面的打磨形成球狀，表面粗糙度減小，同時(shí)顆粒發(fā)生降解反應(yīng)，由于試驗(yàn)過(guò)程中電極轉(zhuǎn)速保持不變，顆粒直徑的減小導(dǎo)致剪切力和沖擊力也變小，不斷沖刷也使金屬表面形成硬化層，因此在3～9 h階段腐蝕速率變?。蛔詈?，腐蝕對(duì)沖刷起到促進(jìn)作用，逐漸溶解硬化層，顆粒破碎后重新獲得了較大的粗糙度和切削破壞能力，金屬表面的沖刷磨損作用又加強(qiáng)，在9～12 h階段腐蝕速率變大。

圖8 不同腐蝕時(shí)間下的電化學(xué)阻抗譜

不同腐蝕時(shí)間下N80鋼表面的微觀形貌見(jiàn)圖9，3 h時(shí)，試樣表面的腐蝕坑較少，深度和直徑均較小，有少量較淺的沖刷痕跡；6 h時(shí)，腐蝕坑數(shù)量明顯增多，直徑也變大，表面形成局部微湍流環(huán)境，同時(shí)出現(xiàn)犁削溝槽；9 h時(shí)，微觀形貌與6 h時(shí)差異不大，腐蝕坑數(shù)量和分布沒(méi)有明顯變化，只是部分犁削溝槽的長(zhǎng)度變大，但深度沒(méi)有明顯變化；12 h時(shí)，腐蝕坑數(shù)量進(jìn)一步增加，大量的點(diǎn)蝕坑連接成片，犁削溝槽的長(zhǎng)度和深度均明顯變大。表明隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，金屬的質(zhì)量損失不斷增加，一方面電化學(xué)腐蝕產(chǎn)生點(diǎn)蝕坑，局部形成了微湍流，材料的相界面更加突出，腐蝕促進(jìn)沖刷；另一方面沖刷使點(diǎn)蝕坑變大，增加了電化學(xué)反應(yīng)面積，加快了電極表面電荷傳遞速度，沖刷促進(jìn)腐蝕。由于整個(gè)過(guò)程沒(méi)有明顯的臨界值，且不同時(shí)間下的腐蝕形貌均存在明顯的液固兩相流沖刷腐蝕特征，因此反應(yīng)為沖刷磨損和電化學(xué)腐蝕混合控制。

圖9 不同腐蝕時(shí)間下的N80鋼表面微觀形貌

3 結(jié)論

（1）通過(guò)失重試驗(yàn)和電化學(xué)測(cè)試，表明不同流速和不同腐蝕時(shí)間下的極化曲線較平滑，均未出現(xiàn)明顯的鈍化區(qū)和過(guò)鈍化區(qū)，為活性溶解反應(yīng)，且均受陰極氧擴(kuò)散控制。

（2）不同流速下的沖刷腐蝕速率先緩慢增加后大幅增加，臨界流速2 m/s，低流速下，沖刷磨損的作用很小，以電化學(xué)腐蝕控制為主，高流速下，以沖刷磨損為主。

（3）不同腐蝕時(shí)間下的沖刷腐蝕速率先緩慢減小后緩慢回升，在9 h達(dá)到最小，為沖刷磨損和電化學(xué)腐蝕混合控制。