碳腐蝕

即二氧化碳腐蝕。

二氧化碳腐蝕是油氣工業、石化工業中經常遇到的嚴重腐蝕之一。國內油田隨著石油天然氣工業的不斷發展,由於深層含CO₂氣藏的開發,油田注CO₂強化開採工藝的套用等,使得CO₂腐蝕問題變得日益突出。

基本介紹

• 中文名：碳腐蝕
• 含義：二氧化碳腐蝕
• 常見問題：油氣工業、石化工業
• 研究發展：腐蝕監測等
• 領域：工程技術

簡介

二氧化碳溶入水後對金屬材料有極強的腐蝕性,在相同的pH值下,由於二氧化碳的總酸度比鹽酸高,因此,它對鋼鐵的腐蝕比鹽酸還嚴重。CO₂在水介質中能引起鋼鐵迅速的全面腐蝕和嚴重的局部腐蝕,CO₂腐蝕典型的特徵是呈現局部的點蝕、癬狀腐蝕和台面狀腐蝕,台面狀腐蝕是最嚴重的一種情況,它使管道和設備發生腐蝕失效,並造成嚴重的經濟損失和社會後果。

二氧化碳腐蝕的危害

CO₂腐蝕是油氣生產中遇到的最普遍的一種侵蝕形式，在使用碳鋼和低碳鋼的場合，它可能導致較高的腐蝕速率和嚴重的局部腐蝕。在油氣的開採過程中，由於石油和天然氣中含有CO₂對井下管柱造成腐蝕甚至嚴重危害的事例頻繁發生，不僅給油氣田開發帶來了重大的經濟損失，同時也造成一定的環境污染。

CO₂腐蝕是一個世界性的問題，例如北海油田挪威一側的Ekofish油田Alpha平台的高溫立管，使用僅兩個月就發生爆炸。美國Little Creek油田實施CO₂驅礦場試驗期間，沒有採用任何抑制CO₂腐蝕的措施，不到5個月的時間，採油井油管壁就被蝕穿。CO₂腐蝕都已成為一個不容忽視的問題。

二氧化碳腐蝕機理

自發現CO₂腐蝕以來，便開始了對其腐蝕機理的研究，並且隨著科學技術的發展，其研究越來越深入。而CO₂腐蝕是一種很複雜的現象，仍需要深入探討。目前已提出很多的機理。然而，這些機理要么局限於特定的條件，要么並未得到廣泛的認同。

鋼鐵在CO₂水溶液中的腐蝕總反應可表示為:CO₂+H₂O+Fe→FeCO₃+H₂

腐蝕的陽極反應:

Fe+OH→FeOH+e

FeOH→FeOH⁺+e

FeOH⁺→Fe²⁺+OH^-

關於腐蝕的陰極反應，主要有兩種觀點:

(1) 非催化的氫離子陰極還原反應

CO₂+H₂O→H₂CO₃

H₂CO₃→H⁺+ HCO₃^-

HCO₃^-→H⁺+ CO₃^2-

(a) 當pH<4時( 以下反應式中下標ad和sol分別代表鋼鐵表面吸附的和溶液中的粒子) :

H₃O⁺+ e→Had+ H₂O

(b) 當4<pH<6時:

H₂CO₃+ e→Had+ HCO₃^-

(2) 表面吸附

CO₂的氫離子催化還原反應

CO₂sol→CO₂ad

CO₂ad+ H₂O→H₂CO₃ad

H₂CO₃ad+ e→Had+ HCO₃^-ad

H₃O⁺ad+ e→Had+ H₂O

HCO₃^-ad+ H₃O⁺→H₂CO₃ad+ H₂O

關於高溫高壓下CO₂的腐蝕機理，迄今所作的討論還較少。實際上，CO₂腐蝕是一種典型的局部腐蝕。

腐蝕產物(FeCO₃)或結垢產物(CaCO₃)在鋼鐵表面不同的區域覆蓋度不同，不同覆蓋度的區域之間形成了具有很強自催化特性的腐蝕電偶，CO₂的局部腐蝕就是這種腐蝕電偶作用的結果。這一機理很好地解釋水化學的作用和在現場一旦發生上述過程，局部腐蝕會突然變得非常嚴重等現象。

國內外研究現狀與趨勢

1、國內外研究現狀

由於腐蝕造成巨大的經濟損失，腐蝕與防護研究在國外是一個很興盛的行業。西方國家的大石油公司由於資金雄厚、多數都有自己的相關機構從事腐蝕研究。20世紀60年代以來隨著高含二氧化碳油氣田的相繼開發，對由此產生的嚴重的腐蝕破壞、主要的影響因素/規律、破壞機理和腐蝕防護措施，進行了範圍廣泛的研究，繼含硫油氣的腐蝕防護研究之後，形成了近20年來油氣開發中腐蝕防護研究的一個新熱點，為這類油氣田的開發提供了在工程套用上有明顯效果的腐蝕防護專項技術( 如緩蝕劑、防護塗料和耐蝕材料等)。目前，國內外許多研究機構仍在投入了很大的力量從事腐蝕的研究工作。

2、發展趨勢

從發展趨勢來看，國外在CO₂腐蝕方面的研究已日趨成熟，各種腐蝕控制因素對腐蝕速率的影響已被深入研究，目前的工作重點已轉移到腐蝕監測、腐蝕壽命預測模型等方面。而國內對油氣田高溫高壓環境中的CO₂腐蝕研究則很少，尤其是在CO₂腐蝕環境中的腐蝕壽命預測模型的研究方面更是空白，這表明國內的CO₂腐蝕研究與國外還存在很大的差距，今後應加強這方面的工作:

(1)在工程研究方面，在控制低合金材料嚴重的全面腐蝕的同時，有效地控制局部腐蝕/腐蝕穿孔，仍將是有待於繼續研究解決的重要課題;

(2) 油氣井的CO₂腐蝕主要應以局部腐蝕的程度來作為評價和預測的對象，因為常常是因局部腐蝕引起的穿孔或斷裂而終止設備的壽命，而此時壁厚由均勻腐蝕引起的減薄並不嚴重。因此開展CO₂-H₂O介質中鋼的局部腐蝕包括應力腐蝕開裂及其防護技術和評價預測等研究將是腐蝕領域研究的重點工作;

(3) 各油氣田迫切需要經濟型的抗腐蝕油管。目前，抗腐蝕經濟型油套管的研製在國際上已成為一種發展趨勢。