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摘要：利用FCZ10-22/250三电极腐蚀试验磁力驱动反应釜、X射线衍射仪和JXA-8230电子探针显微分析仪等设备和失重方法，研究了温度对N80钢在试验介质中CO2腐蚀的影响。研究结果表明：在不同的CO2分压条件下，腐蚀速率与温度的变化曲线形状基本相同，但温度对N80钢的CO2腐蚀速率有着不同的影响；CO2分压为2MPa时，腐蚀速率在温度等于50℃时最大；CO2分压为4MPa时，腐蚀速率在温度等于80℃时最大；CO2分压为6MPa时，腐蚀速率在温度等于65℃时最大。
关键词：CO2腐蚀 二氧化碳腐蚀 N80钢 油套管
0 引言
CO2是石油天然气钻采过程中的伴生气，以及注高温高压CO2驱油作业技术的应用，使得油套管及油气集输设施遭受CO2的腐蚀破坏而失效[1，2]。N80套管是目前用量最大的石油套管专用管材，其用量约占套管总量的50%。研究CO2对N80钢的腐蚀规律对于正确选用缓蚀剂、延长套管的使用寿命具有重要的经济意义。本文以N80钢为研究对象，以油田产液为腐蚀介质，对N80钢在不同温度、不同CO2分压下的腐蚀介质中的腐蚀进行了试验，分析了腐蚀速率随温度的变化规律。
1 试验方法
试验材料为N80钢管，成分见表1，试验用试样为35mmx15mmx3mm的板状试样。试验用腐蚀介质成分见表2。腐蚀试验设备为FCZ10-22/250三电极腐蚀试验磁力驱动反应釜和FCZ-3L-9.8MPa/180℃高温高压双体反应釜，腐蚀试验时间为144h，流速为0.75m/s，对比参数为0.2。称重采用BS224S电子天平，腐蚀产物成分分析采用的XpertPRO MPD X射线衍射仪，显微组织分析采用DM2500M共聚焦显微镜和JXA-8230电子探针显微分析仪。
2 试验结果与分析
图1是N80钢在CO2分压为2MPa、4MPa和6MPa的试验介质中不同温度下的腐蚀速率。由图1可以看出，在不同的CO2分压（PCO2）试验条件下，试验温度（T）对N80钢在试验腐蚀介质中的腐蚀速率有着很大的影响，三条腐蚀曲线都存在两个腐蚀速率极大值点。在PCO2=2MPa情况下，腐蚀速率两个极大值点为T=50℃和T=80℃，T=
50℃时腐蚀速率最大为5.686mm
/a，T=120℃时腐蚀速率最低为0.344
mm/a。在PCO2=
4MPa情况下，腐蚀速率两个极大值点为T=35℃和T=80℃，T=80℃时腐蚀速率最大
为6.785mm/a，T=
20℃时腐蚀速率为1.068，与T=120℃时的腐蚀速率1.097mm/a相近。在PCO2=6MPa情况下，腐蚀速率两个极大值点为T=35℃和T=65℃，T=65℃时腐蚀速率最大为7.548mm/a，在试验温度超过T=65℃后，腐蚀速率降低，在T=100℃时腐蚀速率降到1.871mm/a，然后试验温度增加，腐蚀速率增加，在T=100℃时腐蚀速率为3.398 mm/a。
图2和图3是N80钢在CO2分压为2MPa和4MPa情况下，在不同温度下腐蚀后的腐蚀表面照片。由图2 可以看出，在CO2分压为2MPa，20℃、35℃和120℃的试验介质腐蚀后表面形貌比较均匀平整，N80钢的腐蚀为均匀腐蚀；50℃的试验介质腐蚀后表面存在面积较大、深度不同的腐蚀花斑，腐蚀主要是癣状腐蚀；65℃和80℃的试验介质腐蚀后出现局部腐蚀坑洞，属典型的局部腐蚀。图3所示，在CO2分压为4MPa，20℃、50℃、100℃和120℃的试验介质腐蚀后表面形貌均匀平整，试件腐蚀属均匀腐蚀；35℃的试验介质腐蚀后腐蚀坑较深且存在腐蚀台阶，呈台地腐蚀；65℃和80℃的试验介质腐蚀后出现较深的腐蚀坑洞，且腐蚀坑洞有明显的集聚现象。N80钢在CO2分压为2MPa、试验介质温度分别为50℃、65℃和80℃的试验介质中腐蚀后的腐蚀膜SEM分析见图4，N80钢在50℃介质中为轮廯状腐蚀，在65℃和80℃介质中为局部腐蚀。
试验的腐蚀产物X射线衍射分析结果见图5。由图5可知，当CO2分压分压为2MPa、温度为50℃时的腐蚀产物为FeCO3，当CO2分压为4MPa、温度为80℃时的腐蚀产物为FeCO3和FeO。
试验结果表明，温度和CO2分压对N80钢在腐蚀介质中的腐蚀有着复杂的影响[3，4]。在一定的分压条件下，存在腐蚀速率转变上、下温度点，在温度低于下转变温度时，腐蚀速率随着温度的升高而增大，腐蚀会在铁表面生成松软的FeCO3，软且无附着力，不具备保护性，金属表面光滑，主要发生的是均匀腐蚀；在温度高于上转变温度时，腐蚀速率随着温度的升高而减小，原因与碳酸亚铁（FeCO3）在试验介质中的溶解度具有负的温度系数有关，溶解度随温度和分压的升高而降低[5-9]。在腐蚀速率转变上、下温度区间，存在一个腐蚀速率极小值温度点，该区间腐蚀速率的变化应与腐蚀膜的致密度随温度的变化有关。
Fig.5 试样腐蚀产物的X射线衍射分析
a）50℃ 2MPa b）80℃ 4MPa
3 结论
①温度对N80钢在试验腐蚀介质中的腐蚀速率有著很大的影响，在不同的CO2分压条件下，腐蚀速率与温度的变化曲线形状基本相同，但温度对N80钢的CO2腐蚀速率有着不同的影响；CO2分压为2MPa时，腐蚀速率在温度等于50℃时最大；CO2分压为4MPa时，腐蚀速率在温度等于80℃时最大；CO2分压为6MPa时，腐蚀速率在温度等于65℃时最大。②在一定的分压条件下，N80钢在试验腐蚀介质中存在腐蚀速率转变上、下温度点，试验温度低于下转变温度点时，腐蚀速率随温度的升高而增大，试验温度高于上转变温度点时，腐蚀速率随温度的升高而减小。在腐蚀速率转变上、下温度区间，由于腐蚀膜的致密度与温度的变化有关，存在一个腐蚀速率极小值温度点。
参考文献：
[1]陈长风，路民旭，赵国仙，等.N80油套管钢CO2腐蚀产物膜特征[J].金属学报，2002，38（4）：411-416.
[2]赵景茂，顾明广，左禹.碳钢在二氧化碳溶液中腐蚀影响因素的研究[J].北京化工大学学报，2005，32（5）：71-74.
[3]艾俊哲，贾红霞，舒福昌，等.油气田二氧化碳腐蚀及防护技术[J].湖北化工，2002（3）：3-5.
[4]黄天杰，王峰，殷安会，等.N80钢在二氧化碳饱和的模拟油田液中的高温高压腐蚀行为研究[J].腐蚀科学与防护技术，2009，21（5）：486-488.
[5]周琦，徐鸿麟，周毅，等.二氧化碳腐蚀研究进展[J].兰州理工大学学报，2004，30（6）：30-34.
[6]VIDEM K，KVAREKAVAAL J，PEREZ T，eta1.Surface effects on the electrochemistry of Iron and carbon steel electrodes in aqueous CO2 solutions[A].NACE.Corrosion[c].Houston：NACE In-
ternational，1998：1-13.
[7]Nesic S，Crolet N T J，Drazic D.Electrochemical prope-
rties of iron dissolution in the presence of CO2-basics revisited[J].Corrosion/96.Paper No.3.1996.
[8]张学元，邸超，雷良才.二氧化碳腐蚀与控制[M].北京：化学工业出版社，2000.24.
[9]梅平，艾俊哲，陈武，等.二氧化碳对N80钢腐蚀行为的影响研究[J].腐蚀与防护，2004，25（9）：379-382.
关键词：CO2腐蚀 二氧化碳腐蚀 N80钢 油套管
0 引言
CO2是石油天然气钻采过程中的伴生气，以及注高温高压CO2驱油作业技术的应用，使得油套管及油气集输设施遭受CO2的腐蚀破坏而失效[1，2]。N80套管是目前用量最大的石油套管专用管材，其用量约占套管总量的50%。研究CO2对N80钢的腐蚀规律对于正确选用缓蚀剂、延长套管的使用寿命具有重要的经济意义。本文以N80钢为研究对象，以油田产液为腐蚀介质，对N80钢在不同温度、不同CO2分压下的腐蚀介质中的腐蚀进行了试验，分析了腐蚀速率随温度的变化规律。
1 试验方法
试验材料为N80钢管，成分见表1，试验用试样为35mmx15mmx3mm的板状试样。试验用腐蚀介质成分见表2。腐蚀试验设备为FCZ10-22/250三电极腐蚀试验磁力驱动反应釜和FCZ-3L-9.8MPa/180℃高温高压双体反应釜，腐蚀试验时间为144h，流速为0.75m/s，对比参数为0.2。称重采用BS224S电子天平，腐蚀产物成分分析采用的XpertPRO MPD X射线衍射仪，显微组织分析采用DM2500M共聚焦显微镜和JXA-8230电子探针显微分析仪。
2 试验结果与分析
图1是N80钢在CO2分压为2MPa、4MPa和6MPa的试验介质中不同温度下的腐蚀速率。由图1可以看出，在不同的CO2分压（PCO2）试验条件下，试验温度（T）对N80钢在试验腐蚀介质中的腐蚀速率有着很大的影响，三条腐蚀曲线都存在两个腐蚀速率极大值点。在PCO2=2MPa情况下，腐蚀速率两个极大值点为T=50℃和T=80℃，T=
50℃时腐蚀速率最大为5.686mm
/a，T=120℃时腐蚀速率最低为0.344
mm/a。在PCO2=
4MPa情况下，腐蚀速率两个极大值点为T=35℃和T=80℃，T=80℃时腐蚀速率最大
为6.785mm/a，T=
20℃时腐蚀速率为1.068，与T=120℃时的腐蚀速率1.097mm/a相近。在PCO2=6MPa情况下，腐蚀速率两个极大值点为T=35℃和T=65℃，T=65℃时腐蚀速率最大为7.548mm/a，在试验温度超过T=65℃后，腐蚀速率降低，在T=100℃时腐蚀速率降到1.871mm/a，然后试验温度增加，腐蚀速率增加，在T=100℃时腐蚀速率为3.398 mm/a。
图2和图3是N80钢在CO2分压为2MPa和4MPa情况下，在不同温度下腐蚀后的腐蚀表面照片。由图2 可以看出，在CO2分压为2MPa，20℃、35℃和120℃的试验介质腐蚀后表面形貌比较均匀平整，N80钢的腐蚀为均匀腐蚀；50℃的试验介质腐蚀后表面存在面积较大、深度不同的腐蚀花斑，腐蚀主要是癣状腐蚀；65℃和80℃的试验介质腐蚀后出现局部腐蚀坑洞，属典型的局部腐蚀。图3所示，在CO2分压为4MPa，20℃、50℃、100℃和120℃的试验介质腐蚀后表面形貌均匀平整，试件腐蚀属均匀腐蚀；35℃的试验介质腐蚀后腐蚀坑较深且存在腐蚀台阶，呈台地腐蚀；65℃和80℃的试验介质腐蚀后出现较深的腐蚀坑洞，且腐蚀坑洞有明显的集聚现象。N80钢在CO2分压为2MPa、试验介质温度分别为50℃、65℃和80℃的试验介质中腐蚀后的腐蚀膜SEM分析见图4，N80钢在50℃介质中为轮廯状腐蚀，在65℃和80℃介质中为局部腐蚀。
试验的腐蚀产物X射线衍射分析结果见图5。由图5可知，当CO2分压分压为2MPa、温度为50℃时的腐蚀产物为FeCO3，当CO2分压为4MPa、温度为80℃时的腐蚀产物为FeCO3和FeO。
试验结果表明，温度和CO2分压对N80钢在腐蚀介质中的腐蚀有着复杂的影响[3，4]。在一定的分压条件下，存在腐蚀速率转变上、下温度点，在温度低于下转变温度时，腐蚀速率随着温度的升高而增大，腐蚀会在铁表面生成松软的FeCO3，软且无附着力，不具备保护性，金属表面光滑，主要发生的是均匀腐蚀；在温度高于上转变温度时，腐蚀速率随着温度的升高而减小，原因与碳酸亚铁（FeCO3）在试验介质中的溶解度具有负的温度系数有关，溶解度随温度和分压的升高而降低[5-9]。在腐蚀速率转变上、下温度区间，存在一个腐蚀速率极小值温度点，该区间腐蚀速率的变化应与腐蚀膜的致密度随温度的变化有关。
Fig.5 试样腐蚀产物的X射线衍射分析
a）50℃ 2MPa b）80℃ 4MPa
3 结论
①温度对N80钢在试验腐蚀介质中的腐蚀速率有著很大的影响，在不同的CO2分压条件下，腐蚀速率与温度的变化曲线形状基本相同，但温度对N80钢的CO2腐蚀速率有着不同的影响；CO2分压为2MPa时，腐蚀速率在温度等于50℃时最大；CO2分压为4MPa时，腐蚀速率在温度等于80℃时最大；CO2分压为6MPa时，腐蚀速率在温度等于65℃时最大。②在一定的分压条件下，N80钢在试验腐蚀介质中存在腐蚀速率转变上、下温度点，试验温度低于下转变温度点时，腐蚀速率随温度的升高而增大，试验温度高于上转变温度点时，腐蚀速率随温度的升高而减小。在腐蚀速率转变上、下温度区间，由于腐蚀膜的致密度与温度的变化有关，存在一个腐蚀速率极小值温度点。
参考文献：
[1]陈长风，路民旭，赵国仙，等.N80油套管钢CO2腐蚀产物膜特征[J].金属学报，2002，38（4）：411-416.
[2]赵景茂，顾明广，左禹.碳钢在二氧化碳溶液中腐蚀影响因素的研究[J].北京化工大学学报，2005，32（5）：71-74.
[3]艾俊哲，贾红霞，舒福昌，等.油气田二氧化碳腐蚀及防护技术[J].湖北化工，2002（3）：3-5.
[4]黄天杰，王峰，殷安会，等.N80钢在二氧化碳饱和的模拟油田液中的高温高压腐蚀行为研究[J].腐蚀科学与防护技术，2009，21（5）：486-488.
[5]周琦，徐鸿麟，周毅，等.二氧化碳腐蚀研究进展[J].兰州理工大学学报，2004，30（6）：30-34.
[6]VIDEM K，KVAREKAVAAL J，PEREZ T，eta1.Surface effects on the electrochemistry of Iron and carbon steel electrodes in aqueous CO2 solutions[A].NACE.Corrosion[c].Houston：NACE In-
ternational，1998：1-13.
[7]Nesic S，Crolet N T J，Drazic D.Electrochemical prope-
rties of iron dissolution in the presence of CO2-basics revisited[J].Corrosion/96.Paper No.3.1996.
[8]张学元，邸超，雷良才.二氧化碳腐蚀与控制[M].北京：化学工业出版社，2000.24.
[9]梅平，艾俊哲，陈武，等.二氧化碳对N80钢腐蚀行为的影响研究[J].腐蚀与防护，2004，25（9）：379-382.