P110钢在不同pH值NaCl溶液中的腐蚀行为研究导电碳油
毕凤琴;周帮;鑫;杨烁
【摘 要】采用全浸泡腐蚀实验和静态电化学测试方法研究了P110钢在不同pH值NaCl溶液中的腐蚀行为,并通过分析失重法结果、电化学极化曲线和扫描电镜结果,对P110钢在不同pH值NaCl溶液中的腐蚀速率、腐蚀形貌和腐蚀机理进行讨论.实验结果表明:P110钢在不同pH值NaCl溶液中均发生了点蚀,当溶液pH值大于3时,腐蚀速率随着溶液pH值的增大而减小,试样表面发生点蚀的倾向性开始降低,发生均匀腐蚀的倾向性增加;当溶液pH值小于3时,腐蚀速率有所减小,但点蚀密度有所增加. 【期刊名称】《化工机械》
【年(卷),期】2018(045)004
【总页数】5页(P429-433)
bopp-yt【关键词】P110钢;pH值;NaCl溶液;腐蚀行为;腐蚀速率;点蚀
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【作 者】毕凤琴;周帮;鑫;杨烁
【作者单位】东北石油大学机械科学与工程学院;东北石油大学机械科学与工程学院;东北石油大学机械科学与工程学院;东北石油大学机械科学与工程学院
【正文语种】中 文
【中图分类】TQ050.4+1
目前，随着市场对油气能源需求的逐年增长，油气田开采过程中所面临的地质环境和开采条件愈加苛刻[1,2]。腐蚀作为油气田开发中不可避免的问题，所产生的危害是最为严重的，可能造成巨大的经济损失，甚至危害工作人员的人身安全。在油田开采液态介质环境中，许多离子都会加剧管线设备的腐蚀。例如，设备在Cl-环境下使用时，由于Cl-半径较小，穿透能力较强，能够穿过金属基体的缺陷部位，诱发并加速基体的局部腐蚀(如点蚀、缝隙腐蚀等)[3]。宋义全等研究发现随着腐蚀介质中Cl-浓度的增加，基体缝隙腐蚀的倾向性也逐渐增加[4]；吴明等在模拟海水中Cl-腐蚀实验时也发现Cl-含量的增加会提高表面膜的溶解速率，促进腐蚀的发生[5]。因此，Cl-腐蚀所带来的影响已经成为石油化工领域亟待解决的问题。
P110级石油套管作为一种中高级产品，具有良好的综合力学性能，同时兼具优异的抗腐蚀性能，在油气田实际生产中已得到广泛应用[6,7]。P110钢在含Cl-介质中也存在着不同程度的腐蚀失效问题，朱世东等研究了在流动条件下P110钢在不同浓度Cl-介质中的腐蚀机理，得出了Cl-浓度对基体腐蚀速率的影响规律[8]；刘会等的研究结果表明，Cl-会诱发P110钢的局部腐蚀，在一定浓度范围内，溶液中Cl-含量越高对P110钢的腐蚀越严重，当Cl-浓度为50g/L时，腐蚀速率最大[9]。随着油气井开采深度的增加，深层井液中的介质越复杂且Cl-浓度很高，对石油套管的影响愈加严重，因此对广泛使用的P110钢进行抗腐蚀性能研究显得尤为重要。笔者采用全浸泡腐蚀实验方法，研究P110钢在不同pH值NaCl溶液中的腐蚀行为，探究它在酸性条件下的耐腐蚀机理，以期对石油套管P110钢在含Cl-介质中的耐腐蚀研究进行补充并提供可能的借鉴方案。
1 实验
1.1 实验材料
实验材料为P110钢，其化学成分见表1。浸泡实验用挂片试样规格为40mm×13mm×2mm，用于电化学测试的试样规格为13mm×10mm×2mm，实验前将所有
试样用水砂纸打磨并用酒精清洗，经丙酮除油后风干备用。用电子天平称重并记录处理后的挂片试样；将用于电化学测试的试样制作成工作电极，利用铜导线焊接，留出工作面积1.3cm2，其余表面用环氧树脂密封。实验介质为5%的NaCl溶液，由分析纯化学试剂和去离子水配置而成，利用盐酸(HCl)调节溶液的pH值分别为2、3、4、5和6。
表1 P110钢的化学成分 wt%元素CSiMnPSCrMoNiNCu含量0.2800.2601.4100.0130.0040.0560.0600.0250.0090.030
1.2 实验过程
实验在正常大气压、室温(约25℃)下进行，采用全浸泡腐蚀实验方法，将挂片试样分别悬挂于不同pH值的NaCl溶液中，并保证各容器中的溶液体积与挂片面积之比不小于20，浸泡周期20天。浸泡实验结束后，取出挂片先用蒸馏水冲洗表面，再利用盐酸与缓蚀剂组合的酸洗液清洗试样表面的剩余腐蚀产物，最后经丙酮擦拭并风干后，置于分析天平中进行称量，计算试样所失的重量。采用失重法计算平均腐蚀速率D为：
式中 s——试样表面积，m2；led电子显示屏制作
t——浸泡时间，h；
W0——试样初始质量，g；
W1——清除腐蚀产物后的试样质量，g；
ρ——试样密度，g/cm3。
电化学测试使用CS310电化学工作站，实验采用三电极体系，其中已密封并留出工作面积的试样为工作电极，饱和甘汞电极为参比电极，铂电极为辅助电极；所有电化学测试都是在腐蚀电位-时间曲线稳定后再进行其他相关电化学测量，动电位极化扫描范围为-0.5～1.0V，扫描速度为0.5mV/s。采用扫描电子显微镜对试样的腐蚀形貌进行微观表征。
2 结果分析
2.1 腐蚀速率
静态浸泡腐蚀20天后，取出挂片、去除腐蚀产物后除油风干并对腐蚀后的试样进行称重，采用失重法计算P110钢在不同pH值NaCl溶液中的腐蚀速率，如图1所示，可以看出当NaCl
溶液的pH值为3时，P110钢的腐蚀速率最大，说明在此条件下P110钢的耐腐蚀性能最差；当pH值大于3时，P110钢的腐蚀速率随着酸性的增强而增大，相应的耐腐蚀性能逐渐降低；当pH值小于3时，P110钢的腐蚀速率反而开始减小，表明其耐腐蚀性能有所增强。
图1 P110钢在NaCl溶液中的腐蚀速率与pH值的关系
2.2 极化曲线
P110钢在不同pH值NaCl溶液中的动电位极化曲线如图2所示。可以看出，曲线上并没有出现活化-钝化转变区，说明P110钢在NaCl溶液中的腐蚀均处于活化溶解过程。随着溶液酸性的增强，即在pH值由6至2的变化过程中，自腐蚀电位逐渐负移，并在pH值为3时达到最低点，当pH值为2时相应的自腐蚀电位正移至-0.859 27V，自腐蚀电位随着溶液pH值的增大呈现先下降后增加的趋势，这可能是因为从阴极极化到阳极极化的扫描过程中，基体表面产生具有保护特性的覆盖物，但更主要的是由于基体表面的金属原子在H+的强氧化作用下更易被氧化成离子进入溶液中，使得基体表面由原本的电中性转变为负性，因而吸引了更多的H+向基体表面移动并附着于表面，导致腐蚀电位正移[10]。
图2 P110钢在不同pH值NaCl溶液中的动电位极化曲线
对动电位极化曲线进行塔菲尔拟合，结果见表2。可以看出，在酸性较强(pH值为2、3)的NaCl溶液中P110钢的腐蚀电流密度大于在弱酸性(pH值为4、5和6)NaCl溶液中的腐蚀电流密度。产生这一现象的原因可能是由于在酸性较强的溶液中基体会更易直接发生溶解过程，进而使得腐蚀电流增加。生海等认为酸性环境下会减弱基体表面氧化膜的保护特性，是导致腐蚀电流密度增加的一个重要原因[11]。腐蚀电流密度的增大也说明在pH值降低的过程中，H+浓度不断增大并且成为影响腐蚀速度的决定性因素，而此时提供给腐蚀反应的动力主要依赖于H+的氧化作用。当NaCl溶液的pH值由2增至6时，阳极塔菲尔斜率不断降低，说明氧化膜的存在抑制了阳极反应，而阴极塔菲尔斜率反而有所增加，说明阴极反应也发生相应的转变，即以弱酸性条件下的氢还原反应为主过渡到析氢与析氧反应共同控制过程。
表2 P110钢在不同pH值NaCl溶液中动电位极化曲线的塔菲尔拟合结果pH值自腐蚀电位EcorrV自腐蚀电流IcorrA·cm-2阳极塔菲尔斜率Ba阴极塔菲尔斜率Bc2-0.859 270.016 59252.87187.993-0.892 930.018 23209.56138.984-0.887 920.007 36126.21127.955-0.795 330.004 2181.74159.876-0.753 570.012 8984.78373.36
2.3 腐蚀形貌
体内卫生巾>活动装置
在浸泡实验初期，可以明显观察到在挂片试样放入浸泡溶液中后，试样表面附着了密集的气泡，之后不断有气泡从试样表面脱离并逸出溶液，同时金属表面失去原本的光泽，产生的气泡主要来自于初始阶段试样与溶液中盐酸发生反应，使得H+被还原生成H2；随着浸泡实验的进行，基体被较厚的黑内锈层和表面微小的絮状不溶腐蚀产物所覆盖，这些覆盖的腐蚀产物会封堵点蚀口，能在一定程度上减缓或抑制腐蚀进程[12～14]。
