单质硫对L360钢在H2S-CO2-Cl-体系中的点蚀行为影响

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随着我国石油工业的发展,远距离输送石油、天然气成为目前油气资源运输现状。L360钢因其具有优异的力学性能与经济效益常用作石油与天然气集输管道。我国西南、西北等地广泛地分布着高含硫油气藏,在开发过程中随着温度与压力的降低,存在于储气岩层孔隙中的硫微粒由于硫化氢(H2S)气体的溶解度降低以单质硫(S8)的形式沉积在管壁。管壁上沉积的颗粒硫,一方面会造成硫堵而影响油气藏的产能以及经济效应,另一方面会与H2SX、H2S、HS-等共同作用加速管道的局部腐蚀,同时输送介质中存在的CO2与Cl-的协同作用会进一步加速管道的腐蚀。点蚀对管道的服役寿命存在较大影响,严重破坏流体运输的安全性,对环境造成严重威胁。因此,探究S8沉积对L360钢在H2S-CO2-Cl-体系中的腐蚀行为可对油气管道的防护措施提供依据。针对S8沉积下局部腐蚀既不同于一般沉积物下腐蚀也区别于CO2和H2S均相介质腐蚀的特点,本文通过在L360钢表面涂敷硫与不涂硫,对比探究了其在H2S-CO2-Cl-体系中的腐蚀行为,利用高温高压反应釜模拟工况环境制备不同影响因素(温度、Cl-、p H值)下的腐蚀产物膜,利用电子扫描显微镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)表征腐蚀产物膜的微观结构和组分,3D光学数码显微镜表征去除腐蚀产物膜后的形貌。最后,结合电化学研究方法,包括动电位极化、电化学阻抗谱、循环极化曲线、阵列丝束电极来解析腐蚀热力学和动力学参数,探究了L360钢在H2S-CO2-Cl-体系中的电化学腐蚀性能与特征。获取如下主要结论:(1)温度加速了L360钢的腐蚀,硫沉积进一步加剧了L360钢的腐蚀,尤其是点蚀。L360钢的腐蚀速率随着温度的升高而逐渐升高,涂敷硫的钢片在70℃时的腐蚀速率为裸钢(不涂硫)的4.700倍。L360钢的腐蚀电流密度的大小与温度呈正相关,低温下的容抗弧半径远大于高温下的;与裸电极相比,S8沉积电极的腐蚀电流密度增大,容抗弧半径减小,点蚀电位与保护电位(Eb-Epr)变化范围增宽,滞后环面积较大,局部腐蚀强度指数(LCII)值大于0.1,在50℃与60℃时的点蚀因子大于5,具有点蚀倾向。(2)溶液酸化加剧了L360钢的腐蚀。与涂敷硫的钢片相比,裸钢的腐蚀速率维持在较低水平。涂敷硫钢片在p H=3时的腐蚀速率约为裸钢的16.838倍。随着p H值的升高,电流密度和电位均降低,在相同p H条件下,涂敷硫电极的电流密度明显高于裸电极。在不同p H值下,容抗弧直径存在明显差异,容抗弧直径随着p H值的增大而增大。裸钢在不同p H范围内的点蚀因子均小于5,裸电极在不同p H值下滞后环面积均非常小,电极表面的蚀孔被完全钝化,其LCII值小于0.1,未发生局部腐蚀。涂敷硫的L360钢在p H=3、5时,点蚀因子大于5,其Eb-Epr值在酸性条件下值大于中性条件,在p H=3时LCII值大于0.1,即涂敷硫电极在酸性条件下发生了点蚀。(3)L360钢的腐蚀速率与腐蚀失重随着Cl-浓度的增加在整体上呈现先增大后减小的趋势。涂敷硫的L360钢腐蚀速率与腐蚀电流密度都远远高于裸钢,在Cl-浓度为3.5wt.%时腐蚀速率达到最大。裸钢的点蚀因子均小于5,LCII值较小即点蚀倾向不明显;涂敷硫的情况下,点蚀深度明显加深,其在Cl-浓度为3.5 wt.%与5.5 wt.%时,点蚀因子大于5,发生点蚀。裸电极的容抗弧半径远大于涂敷硫电极,其在不含Cl-的情况下,容抗弧半径最大,Eb值最正,对孔蚀的敏感性最差,未观察到滞后环的存在。相反,涂敷硫电极在含有Cl-的时候,观察到了滞后环的存在,对比说明S8的沉积可以促进点蚀发生。
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