元素 | C | Cr | Ni | Mo | Ti | Si | Cu | P | Mn | Fe |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
质量分数/% | 0.014 | 21.26 | 39.54 | 2.89 | 0.81 | 0.18 | 1.82 | 0.01 | 0.44 | 33.04 |
分享:825合金在含单质硫高温高酸性环境中的局部腐蚀行为
0. 引言
酸性气田中存在H2S和CO2等腐蚀介质,在进行开发时管材的腐蚀已成为一个巨大的难题,并且若存在单质硫,腐蚀更加严重[1-9]。在这种高酸性环境中,管道的选材转向抗H2S和单质硫腐蚀能力更强的Ni-Fe-Cr三元合金或Ni-Cr-Fe-Mo-Cu多元合金,如元坝气田采用了028、825、G3等镍基合金管[10],普光气田采用了718等镍基合金管[11]。
镍基合金具有优异的防腐性能,但在高温、H2S、CO2与单质硫的环境中仍可能发生较为严重的腐蚀。方建波等[12]分析了某热采井中825合金的腐蚀原因,发现在高温高压环境中825合金发生了氧腐蚀与硫腐蚀。张瑞等[13]发现在205 ℃,含H2S、CO2、氯离子及单质硫的环境中,718合金发生明显的点蚀与均匀腐蚀,高温下的单质硫直接或间接与金属发生反应导致大面积的均匀腐蚀。根据ISO15156—2020,在温度高于132 ℃时,825等镍基合金在含单质硫环境下的适用性并不明确,而目前对高含硫环境中825合金的耐局部腐蚀能力的研究较少。为此,作者根据某高酸性气田生产工况,利用高温高压反应釜模拟出高温,含H2S、CO2、氯离子的气田模拟地层水环境,并对825合金进行腐蚀挂片试验,对比分析了825合金在含单质硫与不含单质硫条件下的局部腐蚀行为,以期为在含单质硫酸性气田中管道的选材提供一定指导。
1. 试样制备与试验方法
试验材料选用新的825合金无缝管,由江苏武进不锈股份有限公司提供,外径为168.3 mm,壁厚为14.3 mm,化学成分如表1所示。在825合金管上截取尺寸为30 mm×15 mm×3 mm的腐蚀挂片试样,将试样用300#,600#,800#,1200#砂纸逐级打磨,经石油醚、无水乙醇清洗并风干后,用精度为0.1 mg的电子天平称取质量并置于干燥皿中待用。
采用西南石油大学自研的高温高压反应釜进行腐蚀挂片试验,试验溶液为某高酸性气田模拟地层水,组成见表2,采用NaCl(分析纯)、Na2SO4(分析纯)、NaHCO3(分析纯)、CaCl2(分析纯)、MgCl2·6H2O(分析纯)、KCl(分析纯)及去离子水(一级水)配制。在高温高压反应釜中加入2 L试验溶液,将试样挂在试样架上并放入反应釜中,然后关闭反应釜并密封;向高温高压反应釜中持续通入低流量高纯氮除氧2 h,之后将反应釜温度升至132 ℃,待温度稳定后,先向釜内通入H2S使压力达到4.8 MPa,然后通入CO2达到总压6.4 MPa。试验设置5种工况:工况1为不添加单质硫腐蚀6 d;工况2~5均以熔覆的方式添加单质硫(试验开始前将单质硫与试样紧密包裹,放入高温高压釜中,待温度上升至132 ℃后,单质硫即处于熔覆态,与试样充分接触),添加量为每升试验溶液中添加10 g单质硫,腐蚀时间分别为3,6,9,12 d。不同试验条件下均设置5个平行试样,其中3个试样用于计算腐蚀速率,其余2个试样用于腐蚀形貌观察及微区成分分析。
组成 | Na++K+ | Ca2+ | Mg2+ | Cl− |
|
|
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质量浓度/(mg·L−1) | 31 702 | 372 | 73 | 42 750 | 8 816 | 824 |
用去膜液(10 g六次甲基四胺+100 mL浓盐酸+去离子水定容至1 L)去除试样表面腐蚀产物,再用去离子水清洗,无水乙醇脱水后风干;用精度为0.1 mg的电子天平称取腐蚀后的试样质量,取3个试样的平均值计算腐蚀速率,计算公式为
(1) |
式中:v为腐蚀速率,mm·a−1;Δm为腐蚀前后试样的质量差,g;ρ为试样密度,g·cm−3;A为试样表面积,cm2;t为腐蚀时间,h。
采用FRI Quanta 650 FEG型扫描电镜(SEM)观察试样的腐蚀形貌,用附带的能谱仪(EDS)分析腐蚀产物的元素组成。采用VHX-7000型景深三维显微镜观察试样的局部腐蚀形貌。
2. 试验结果与讨论
2.1 宏观腐蚀形貌
由图1可见:在未添加单质硫腐蚀6 d(工况1)条件下,825合金表面仍有金属光泽,几乎未见腐蚀现象;在添加单质硫腐蚀3 d(工况2)条件下,合金表面存在肉眼可见的点蚀,当腐蚀时间延长至6,9,12 d(工况3,4,5)时,表面存在明显的局部腐蚀坑,并且局部腐蚀坑的面积随腐蚀时间的延长而增大,说明局部腐蚀随时间延长越发严重。
2.2 局部腐蚀形貌
由图2可知:在未添加单质硫腐蚀6 d时,825合金表面较平整,腐蚀痕迹轻微;添加单质硫后,随着腐蚀时间由3 d延长至12 d,合金表面的局部腐蚀坑最大深度由7.95 μm增大到48.29 μm,并且局部腐蚀坑的面积也增大。与未添加单质硫腐蚀6 d条件下(局部腐蚀最大深度2.63 μm)相比,添加单质硫腐蚀6 d时合金的局部腐蚀坑最大深度增加到15.41 μm,局部腐蚀程度加重。
2.3 腐蚀速率
工况1、工况2、工况3、工况4、工况5下合金的腐蚀速率分别为0.007 7,0.055 2,0.073 6,0.088 0,0.114 5 mm·a−1。对比可知,添加单质硫腐蚀6 d时,825合金的腐蚀速率相比于未添加单质硫腐蚀6 d时增大了8.56倍,这可能是因为单质硫使825合金表面形成的钝化膜结构与成分发生了变化[14],对基体的保护作用有所减弱。添加单质硫条件下825合金的腐蚀速率随着腐蚀时间的延长逐渐增大。
2.4 微观腐蚀形貌与腐蚀产物组成
由图3和表3可以看出:在未添加单质硫腐蚀6 d条件下,825合金表面光滑,仍可见加工痕迹,几乎未被腐蚀,腐蚀产物极少,腐蚀产物中的硫含量极低,碳、氧含量也较低,判断表面形成FeCO3产物膜[15-16];在添加单质硫条件下,随着腐蚀时间的延长,合金表面腐蚀产物增多,腐蚀产物中碳、氧、硫含量均增加,铁、铬、镍含量均降低,判断腐蚀产物主要为FeCO3与FeS[17-18]。与未添加单质硫腐蚀6 d时相比,添加单质硫腐蚀6 d时合金表面的腐蚀产物明显增多。
工况 | 质量分数/% | |||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
C | O | S | Cr | Fe | Ni | Ti | Cu | |
1 | 5.71 | 0.91 | 0.28 | 21.72 | 29.93 | 38.66 | 0.99 | 1.80 |
2 | 6.52 | 0.83 | 0.92 | 21.09 | 30.33 | 37.66 | 0.83 | 1.82 |
3 | 7.63 | 1.36 | 1.99 | 20.74 | 29.78 | 36.15 | 0.80 | 1.55 |
4 | 8.02 | 3.28 | 3.40 | 20.69 | 27.85 | 34.46 | 0.87 | 1.43 |
5 | 9.57 | 4.67 | 4.52 | 20.09 | 24.75 | 34.32 | 0.68 | 1.40 |
由图4可见,在添加单质硫腐蚀12 d条件下,825合金表面呈现出2种腐蚀形貌,一部分表面较平整,另一部分表面破裂且存在腐蚀产物的堆积。碳元素和氧元素的分布规律一致,结合铁元素的分布判断腐蚀产物为FeCO3。结合铁元素与硫元素的分布可知,表面破裂区域的FeS腐蚀产物膜发生剥落,导致硫元素继续向内部沉积并富集,从而加剧了腐蚀[19-20]。当温度高于单质硫熔点(120 ℃)时,合金表面的单质硫极易发生歧化反应生成H2S与H2SO4,产生大量H+造成局部酸化,使钝化膜溶解;生成的S2−可与Cl−及OH−竞争吸附于部分氧空位处,并逐渐在钝化膜表层形成金属硫化物FeS,同时S2−借助空位迁移扩散到钝化膜内层,降低钝化膜的完整性,并形成点蚀核。随着腐蚀时间的延长,基体与腐蚀介质接触的时间延长,导致腐蚀区域扩大,从而形成局部腐蚀坑[21-22]。综上,在含单质硫条件下,825合金的局部腐蚀严重,因此在实际应用中,建议使用溶硫剂等措施来增加825合金的安全服役寿命。
3. 结论
(1)在132 ℃、H2S分压4.8 MPa、CO2分压1.6 MPa、氯离子质量浓度42 750 mg·L−1的模拟地层水环境中,825合金几乎不发生腐蚀,但添加单质硫后,825合金发生了严重的局部腐蚀,且随腐蚀时间由3 d延长至12 d,腐蚀程度加剧,局部腐蚀坑面积增大,腐蚀坑最大深度由7.95 μm增大到48.29 μm。
(2)添加单质硫腐蚀6 d时825合金的腐蚀速率相比未添加单质硫腐蚀6 d时增大8.56倍,且随着腐蚀时间的延长,腐蚀速率逐渐增大。在不含单质硫条件下合金表面腐蚀产物极少,主要为FeCO3,在含单质硫条件下,随着腐蚀时间的延长,表面腐蚀产物增多,主要为FeCO3与FeS。在高于单质硫熔点(120 ℃)的高温条件下,单质硫发生歧化反应产生H+和S2−,使825合金表面腐蚀产物膜破裂,从而加剧局部腐蚀,降低了825合金的耐腐蚀性能。
文章来源——材料与测试网