油氣輸送管道沉積物下局部腐蝕機理研究

1、油氣輸送管道沉積物下局部腐蝕機理研究l油氣開發(fā)過程中，腐蝕是油氣輸送管道失效的最主要形式之一。l在眾多管道腐蝕形式中，以沉積物下腐蝕對管道的影響最為嚴重。沉積物下腐蝕包括點蝕，縫隙腐蝕，臺地狀腐蝕，細菌腐蝕等。l油氣輸送管道的腐蝕失效嚴重影響油氣工業(yè)的安全生產(chǎn)，往往造成重大經(jīng)濟損失、人員傷亡和環(huán)境污染等災(zāi)難性事故，是油氣工業(yè)一直以來所面臨的重大難題。因此，搞清沉積物下腐蝕機理，進而建立可靠的防護措施是油氣工業(yè)腐蝕科學(xué)工作者長期以來的挑戰(zhàn)，這對油氣工業(yè)的安全生產(chǎn)不僅具有重要的理論意義和學(xué)術(shù)價值，而且具有重大的工程價值。選題的目的和意義沉積物的來源與組成沉積物來源：油氣、油砂輸送管道內(nèi)傳輸?shù)母g性

2、介質(zhì)中往往含有大量的固體顆粒，這些固體顆粒來源于開采過程中伴隨砂粒的產(chǎn)出、腐蝕產(chǎn)物,水垢的脫落和細菌沉積物等。沉積物的組成：無機鹽垢：如CaCO3、CaSO4、BaSO4等腐蝕產(chǎn)物：FeO(OH)、Fe2O3和FeCO3等細菌的沉積物：腐生菌(TGB)（好養(yǎng)）和硫酸鹽還原菌(SRB）（厭氧）的代謝產(chǎn)物等國內(nèi)外研究概況德雷烏斯等人利用兩套三電極體系統(tǒng)（一套有沉積物覆蓋，一套無沉積物覆蓋）研究了沉積物下緩蝕劑的緩蝕性能，發(fā)現(xiàn)抑制沉積物下的腐蝕需要更高的緩蝕劑濃度。但沒有考慮沉積物覆蓋和無沉積物覆電極之間的電偶腐蝕效應(yīng)。國內(nèi)外研究概況佩德森等人研究了沉積物覆蓋和無沉積物覆電極之間的電偶腐蝕效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)

3、沉積物覆蓋的電極作為陽極發(fā)生嚴重腐蝕，而無沉積物覆蓋的電極作陰極而受到一定程度的保護。優(yōu)點：反映沉積物覆蓋和無沉積物覆電極之間的電偶腐蝕效應(yīng)。缺點：不能有效反映沉積物下局部環(huán)境變化而導(dǎo)致沉積物下電極表面局部腐蝕行為差異，從而無法從根本上揭示沉積物下局部腐蝕萌生和發(fā)展的機制。國內(nèi)外研究概況也有一些研究者應(yīng)用人工點蝕電極（artificial pit electrode）研究沉積物覆蓋下的點蝕電極與無沉積物覆蓋的大電極之間的電偶腐蝕電流。此方法與佩德森的方法存在同樣的不足，即不能反映沉積物下局部的腐蝕電化學(xué)行為差異以及離子的擴散過程，也不能提供沉積物下局部腐蝕的空間信息。國內(nèi)外研究概況國內(nèi)一些科學(xué)

4、家曾利用利用自行研制的雙速流動實驗裝置和電偶腐蝕速度測量儀研究沉積物下腐蝕。最近則有一些科學(xué)家利用一種能模擬沉積物下腐蝕自催化過程的閉塞電池研究垢下腐蝕行為。研究目標測試技術(shù)：陣列電極和電化學(xué)測試技術(shù)。研究對象：油氣、油砂輸送管道（碳鋼、不銹鋼）。研究目標：探明沉積物下腐蝕介質(zhì)環(huán)境的變化規(guī)律，搞清沉積物下不同位置處電極以及無沉積物覆蓋電極的腐蝕電化學(xué)行為、鈍化行為、腐蝕產(chǎn)物膜以及鈍化膜結(jié)構(gòu)特征的內(nèi)在差異，揭示沉積物下局部腐蝕和鈍化膜破壞機理，同時揭示緩蝕劑對沉積物下腐蝕的緩蝕效果和緩蝕機制。研究目的：為建立沉積物下腐蝕的防護措施提供基本理論依據(jù)。研究內(nèi)容1.1. 油氣、油砂輸送管道中沉積物下腐

5、蝕介質(zhì)環(huán)境演化油氣、油砂輸送管道中沉積物下腐蝕介質(zhì)環(huán)境演化 研究油氣、油砂輸送管道中沉積物下腐蝕介質(zhì)環(huán)境（pH值、Cl-濃度、氧濃度等）與本體腐蝕介質(zhì)環(huán)境的差異性，確定不同條件中沉積物下腐蝕介質(zhì)環(huán)境的演化規(guī)律。2.2. 油氣、油砂輸送管道中沉積物下的腐蝕機理研究油氣、油砂輸送管道中沉積物下的腐蝕機理研究 在沉積物下布置碳鋼陣列電極，研究陣列電極之間以及陣列電極與無沉積物覆蓋電極之間的腐蝕電化學(xué)行為以及腐蝕產(chǎn)物膜結(jié)構(gòu)特征的差異。 研究沉積物下陣列電極之間以及陣列電極與無沉積物覆蓋電極之間的電偶效應(yīng)。 在沉積物下布置不銹鋼陣列電極，研究不同位置處陣列電極以及無沉積物覆蓋電極的鈍化行為，確定電極表面

6、鈍化膜的微觀結(jié)構(gòu)和半導(dǎo)體特性（半導(dǎo)體類型、載流子濃度）的差異性，從而揭示沉積物下鈍化膜的保護性及其破壞機制。研究內(nèi)容3.3. 緩蝕劑對油氣、油砂輸送管中道沉積物下腐蝕的緩蝕作用緩蝕劑對油氣、油砂輸送管中道沉積物下腐蝕的緩蝕作用效果和機制效果和機制 在沉積物下布置碳鋼陣列電極，在腐蝕介質(zhì)中添加緩蝕劑，研究陣列電極之間以及陣列電極與無沉積物覆蓋電極之間的腐蝕電化學(xué)行為以及腐蝕產(chǎn)物膜結(jié)構(gòu)特征的差異，建立沉積物下腐蝕速率、腐蝕電流、電位區(qū)域分布圖。探明緩蝕劑對沉積物下和無沉積物覆蓋電極的緩蝕作用效果的差異性，揭示緩蝕劑在沉積物下腐蝕的緩蝕機制。研究方法1. 應(yīng)用pH、Cl-和氧電極測試不同沉積物下（砂

7、粒、腐蝕產(chǎn)物、垢）腐蝕介質(zhì)中的pH值、Cl-濃度和氧濃度與本體腐蝕介質(zhì)中的差異性，揭示不同條件下沉積物下腐蝕介質(zhì)環(huán)境的演化規(guī)律。2. 在沉積物下布置碳鋼陣列電極，利用電化學(xué)測試方法（包括線性極化法、極化曲線、電化學(xué)阻抗譜等）研究沉積物下不同位置處以及無沉積物覆蓋電極的腐蝕電化學(xué)行為的內(nèi)在差異，確定電極腐蝕過程中陽極、陰極反應(yīng)的動力學(xué)過程，建立沉積物下腐蝕電流、電位區(qū)域分布圖。3. 利用SEM、EDS分析沉積物下陣列電極以及無沉積物覆蓋電極在不同條件下腐蝕試驗后腐蝕產(chǎn)物膜的微觀形貌及化學(xué)成分；利用XRD、XPS分析腐蝕產(chǎn)物的物相組成，確定腐蝕產(chǎn)物膜微觀結(jié)構(gòu)特征的差異性，揭示在沉積物下腐蝕產(chǎn)物膜的

8、生長機制以及其保護性。研究方法4. 應(yīng)用零電阻計（ZRA）和電化學(xué)噪聲測試不同位置處陣列電極之間以及陣列電極與無沉積物覆蓋電極之間的電偶電流、耦合電位和電化學(xué)噪聲特征，建立電偶電流、耦合電位區(qū)域分布圖，揭示沉積物下局部腐蝕機理。5. 在沉積物下布置不銹鋼陣列電極，利用電化學(xué)方法（極化曲線、電化學(xué)阻抗譜、Mott-schottky 測試）研究沉積物下陣列電極以及無沉積物覆蓋電極的鈍化行為，確定鈍化膜的半導(dǎo)體類型、載流子濃度。結(jié)合氬離子轟擊剝層，利用XPS分析鈍化膜元素含量和價態(tài)的深度分布，確定鈍化膜的微觀結(jié)構(gòu)組成，探明沉積物下不同位置處電極以及無沉積物覆蓋電極鈍化膜對基體保護性的差異性，揭示沉積

9、物下電極表面鈍化膜的破壞機制。研究方法6. 在沉積物下布置碳鋼陣列電極，在腐蝕介質(zhì)中添加不同濃度的緩蝕劑，利用電化學(xué)測試方法（包括線性極化法、極化曲線、電化學(xué)阻抗譜等）研究沉積物下陣列電極以及無沉積物覆蓋電極的腐蝕行為，建立沉積物下腐蝕速率、腐蝕電流、電位區(qū)域分布圖。確定緩蝕劑對沉積物下和無沉積物覆蓋電極的緩蝕作用效果的差異性，揭示緩蝕劑在沉積物下腐蝕的緩蝕機制。目前試驗進展CST520陣列絲束電極電位電流掃描儀參考文獻1 J.A.M. de Reus, E.L.J.A. Hendriksen, M.E. Wilms, Test methodologies and field verifica

10、tion of corrosion inhibitors to address under deposit corrosion in oil and gas production systems, NACE Corrosion/2005, paper no. 288.2 張學(xué)元，邸超，陳卓元，王鳳平，杜元龍,LN209油井管沉積物下方腐蝕行為，腐蝕科學(xué)與防護技術(shù)/1999：1-5.3 J. P. Smith, I. H. Gilbert, R. W. Kidder and Syamsudin, Inhibition of CO2 corrosion in multiphase flow and

11、 solids production. A case history, NACE Corrosion/2001, paper no. 029. 4 D. I. Horsup, J. C. Clark, Bernard, P. Binks, I put it in, but where does it go?- the fate of corrosion inhibitors in multiphase systems, NACE Corrosion/2007, paper No. 617.5 A. Pedersen, K. Bilkova, E. Gulbrandsen, J. Kvarekvl, CO2 corrosion inhibitor performance in the presence of solids: test method development, NACE Corrosion/2008, paper No. 6326 W. H. Durnie