1张亚洲 2李 勇 3闫李鸽
1、2长庆油田分公司第六采气厂
3长庆油田分公司第一采油厂杏河作业区
摘要：油气田的腐蚀往往造成相当大的经济损失、人员伤亡和环境污染。根据中国腐蚀损失的统计，腐蚀损失占国民经济的3%，石化工业的损失约为6%。根据当局的估计，如果充分应用腐蚀技术，30%至40%的腐蚀损失可以恢复。因此，改进防腐技术，加强防腐研究和应用，不仅是对工作安全的重要支持，而且对石油工业具有相当大的经济效益。
关键词：油气田；CO2腐蚀；腐蚀控制；预测模型
在现代社会经济结构中，石油和天然气作为能源产品发挥着越来越重要的作用。石油和天然气行业是受金属腐蚀影响最大的行业之一。随着勘探和开采技术的发展，特别是在含有各种腐蚀介质(如H2 S和CO2)的油气田中，石油工业的腐蚀问题日益得到重视。
一、影响腐蚀程度的因素
对于CO2腐蚀环境，影响腐蚀的因素有很多。
1.离子浓度的影响。随着Cl-含量的增加，腐蚀速率首先增加，然后下降。随着HCO3浓度的增加，腐蚀速率逐渐增大;随着Ca2+的增加，随着Mg2+浓度的增加，腐蚀速率首先增大，然后减小;SO42-腐蚀抑制;K+和Na+对腐蚀影响不大。
2.温度的影响。腐蚀速率随温度升高而增大，在60℃-100℃达到一定值时达到峰值，然后降低。
3.酸碱度影响。腐蚀速率首先降低，然后随着pH值的增加而增加。
4.流量影响。结果表明:对C90、2Cr和L80钢的研究表明，C90和2Cr钢都具有临界流动速率，这取决于钢的等级和腐蚀产物的性质。在此流量以上，腐蚀速率保持不变;另一方面，对于L80钢，点蚀速率随着流量的增加而降低。他们认为这与腐蚀产物的形成有关。高流速会影响Fe2+的溶解动力学和FeCO3的成核，从而形成一个较薄但更具保护性的层。
5.压力的影响。系统总压力P的增加将导致二氧化碳分压的成比例增加，从而增加腐蚀速率。
6.氧气的影响。O2与CO2在水中共存会导致严重的腐蚀，O2与CO2的催化机理中起着重要作用。腐蚀钢的表面没有薄膜保护，碳钢的腐蚀速率随着氧含量的增加而增加，钢表面是由保护膜构成的，氧的存在不会影响钢的腐蚀速率。O2与CO2在饱和腐蚀速率大大增加。
二、CO2腐蚀预测
影响CO2腐蚀的因素有很多，尤其是在石油和天然气领域，CO2腐蚀更加复杂和多变。因此，很难预测CO2的腐蚀。通过国内外研究人员对CO2腐蚀模型的研究，建立了许多预测模型。这些预测模型可分为三类:第一种是主要基于实验室或实地经验数据的经验模型；另一类是理论模型，主要基于流体动力学、腐蚀动力学和传质动力学等物质的性质;第三类是将两者结合起来的半经验半理论模型。
三、CO2腐蚀控制措施
1.防止CO2腐蚀的措施。CO2腐蚀的损害和严重程度可以通过一系列措施来减轻，主要分为两类:选择耐腐蚀良好的材料;为了减少环境的腐蚀性，控制措施包括添加缓蚀剂、pH稳定剂、定期缩短时间等。（1）通过添加少量合金元素，已作出相当大的努力来提高碳钢和低合金钢的耐腐蚀性。现场实践表明，加入少量铬可以提高钢的耐腐蚀性。此外,选择不锈钢361L可显著提高材料的耐腐蚀的二氧化碳,但抗点蚀和应力开裂的氯化物离子必须详细评价为高温和氯化物含量很高。（2）缓蚀剂。缓蚀剂在油气生产和输送过程中的腐蚀控制中发挥着重要作用。添加适当的缓蚀剂可以有效地控制管道和设备的内腐蚀。
缓蚀剂主要通过物理吸附和化学吸附在金属表面形成稳定的保护膜，控制电化学腐蚀的阳极和阴极反应，从而控制腐蚀。缓蚀剂的吸附过程取决于环境(如温度、pH值、液体剪切力等)、金属的表面状态(如结垢、氧化膜、表面损伤程度和碳酸盐膜)以及与其他表面活性物质(如阻垢剂、破乳剂)的竞争。此外，在选择缓蚀剂时，必须进行全面的相容性试验，以确认在一定的限制条件下，同一组中不同的化学品不会相互产生不利影响。此外，缓蚀剂的实验室评价结果与现场应用效果可能存在一定差异。考虑到油气田环境的可变性，在设计过程中应对注注缓蚀剂下游进行腐蚀监测，以评价现场应用缓蚀剂的效果。（3）pH稳定剂。该技术已于20世纪80年代应用于输送系统中添加pH稳定剂，其防腐原理是通过调节水相pH值来减轻碳钢的电化学腐蚀。在高pH范围(pH>7-8)，碳钢的腐蚀不会加剧。在无硫湿气体输送管道中成功地实现了水合抑制剂的pH值控制，是一种经济有效的防腐方法。然而，应该指出的是，在钙和镁含量高的水中，pH值高会导致气藏水中石灰石的形成，pH值无法控制，以防止腐蚀。醋酸不是二氧化碳的缓冲液。在游离醋酸存在的情况下，现场的pH值逐渐变化，必须通过添加新的pH调节器来补偿，因此有必要定期监测pH值，以检测和纠正pH值的任何变化。（4）清管器清扫。一般来说，只有当湿气管道的流量小于最小值时才进行清洗。清洗的基本要求是检查段塞的尺寸，并将管道内的压降控制在可接受的范围内。然而，清洗在防腐方面有以下优点:当腐蚀抑制装置位于两两清管器之间时，可用于在整个管上形成腐蚀抑制膜;它有助于去除表面的固体物质，防止形成缓蚀剂膜。
2.腐蚀裕量设计。为了保证管道的完整性，在设计过程中必须提供腐蚀裕度。腐蚀边缘的设计应与腐蚀评价结果和防护措施相结合。目前，CO2腐蚀的预测模型很多，评价结果也不尽相同。国际知名公司开发了腐蚀预测工具，并确定了腐蚀防护的设计要求。由于我国尚未建立类似的评价体系，建议采用挪威m-506标准进行腐蚀预测。在估计设计腐蚀裕量时，应同时考虑遮缓蚀和未经缓蚀的腐蚀速度。考虑到非腐蚀抑制，可以估计端部增厚和内部局部条件（没有有效的腐蚀抑制）的后果。在无缓蚀剂的预测潜在腐蚀速率较高且设计腐蚀裕量较小的情况下，这一点尤为重要。设计腐蚀边际计算如下:
腐蚀裕量=腐蚀速度×设计寿命
需要注意的是，实验室腐蚀试验环境与现场环境存在一定的差异，短期腐蚀试验数据不能完全代表油气田长期的腐蚀情况。因此，根据国外经验，对短期试验数据应谨慎处理，尤其是得到的腐蚀速率远低于预期。因此，试验室试验结果可供设计参考，但不建议作为设计依据。建议采用挪威m-506标准进行腐蚀预测。然而，腐蚀预测并不局限于这种方法。设计人员可根据自己的经验采用可靠的腐蚀评估方法。
3.腐蚀检测与监测。为了保证管道和设备在运行阶段的完整性，在设计和运行中应采用适当的腐蚀检测和监测方法。腐蚀检测和监测方法可分为非插入式和插入式两类。（1）非插件。常用的非侵入式腐蚀检测和监测方法有超声波法、现场信号法（FSM）等，超声波法通常是人工定点壁厚检测，但也有自动系统。这种方法的原理是基于声波的反射。声波由连接在管道外部的一个或多个探头发出。从声波传回到探头的时间来确定管道壁厚，其灵敏度通常为壁厚的1%。现场信号法是基于管道内壁腐蚀引起管壁阻抗变化的原理而提出的。（2）插上电源。插入式监测法是一种通过插入挂片或探头来检测腐蚀速率的方法，主要应用于海洋或地面面条设施。目前常用的插件技术有线性极化阻抗探针（LPR）、电阻探针（ER）、动电位扫描、电化学阻抗谱（EIS）、电化学噪声测量（ECN）等失重挂片法。
腐蚀程度受许多因素的影响，包括氯离子浓度、温度、pH速率、氧含量等。最常用的减重方法简单易行，但只能测量平均腐蚀，不能判断局部腐蚀的影响。有各种各样的缓蚀剂，但很少有缓蚀剂可以广泛使用，而且价格便宜，需要进一步研究。
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