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摘 要：在油气田集输工艺流程中。操作介质往往含有CO2成分，CO2腐蚀现象尤为严重。本文就油气田集输过程中含CO2成分的介质对设备的腐蚀及防护问题进行分析。
关键词：CO2的腐蚀机理、影响CO2腐蚀的因素、腐蚀问题的方法
1.前言
在一些油气田集输工艺流程中，操作介质往往含有CO2成分，而在整个工艺过程中又不能够完全脱掉介质中水分和CO2。因此在设备设计中需要考虑CO2腐蚀问题，CO2在有水分的情况下，除了具有弱酸腐蚀外，还可能对设备产生点蚀。在以前的设计中对CO2引起的腐蚀过程注意较少，随着CO2引起的腐蚀事故增多，以及油气井出水量的增多，由CO2引起的局部腐蚀越来越成为急需解决的问题，怎么解决这些问题，除在集输系统中采取措施：如在介质中加缓蚀剂等。表现在设备方面主要有：设备制造材料的选择、合理的内部结构、合理的内部结构、内表面防腐、设备的腐蚀余量的选取以及设备在设计、制造、生产中的特殊技术要求等方面。
2.CO2的腐蚀机理
钢铁在除O2水中CO2腐蚀机理，其阳极反应主要是Fe的溶解，可简写为：
Fe Fe2+ + 2e （1）
对阴极过程观点不一，一般占主导的观点认为，在环境温度下，裸钢在水中的腐蚀是受氢析出动力学控制的，而阴极析氢机理除了一般的电化学还原H3O+离子放电反应析氢外：
H3O+ + e H + H2O （2）
还可以通过下述表面吸附催化作用，H+的还原反应进行：
CO2 + H2O =H2CO3 （3）
H2CO3 + e =H+ + HCO3_ （4）
HCO3- +H30+ =H2CO3 + H2O （5）
然而实际中，钢铁表面总是被某些物质覆盖着，如扎皮、氧化膜或介质中的腐蚀产物膜等，这些覆盖物使析氢反应不是在裸钢表面进行，而是在膜或覆盖物上进行，这就影响了CO2的腐蚀性特性。
3.影响CO2腐蚀的因素
由于操作介质中的成分比较复杂，各种成分的含量也不相同，因此在多种条件下，影响CO2腐蚀特性的因素很多，归纳起来基本分为以下几个因素：（1）温度的影响（2）CO2分压（PCO2）影响（3）腐蚀产物膜的影响（4）流速的影响等，这些因素可能导致钢的多种腐蚀破坏，比如：可能产生高的腐蚀速率、严重的局部腐蚀穿孔，甚至可能发生应力腐蚀开裂等。
3.1.温度的影响
温度是CO2腐蚀的重要影响参数，由于碳酸亚铁的溶解度具有负的温度系统，随着温度的升高而降低，因此在60℃～110℃之间，钢表面可生成具有一定保护性的腐蚀产物膜层，使腐蚀速率出现过渡区，该温区内局部腐蚀较突出。而低于60℃时不能形成保护性膜层，钢的腐蚀速率在此区出现极大值（含Mn钢在40℃附近、含Cr刚在60℃附近）。在110℃或更高的温度范围内，由于可能发生下列反应：
3Fe + 4H2O =Fe3O4 + 4H2 （5）
因而在110℃附近显示出钢的第二个腐蚀速率极大值，表面产物膜层也由Fe3O4变成杂质有Fe3O4和FeCO3膜并随温度升高，Fe3O4量增加，达到更高温度下成为Fe3O4在膜中占主导地位。
3.2.CO2分压（PCO2）影响：
CO2分压（PCO2）对碳钢、低合金钢腐蚀速率的影响，在温度小于60℃时，裸钢未形成保护性腐蚀产物膜情况下有重要影响，一般情况下可以认为CO2分压高于0.21MPa时通常要出现腐蚀，在0.021MPa～0.21MPa之间可能出现腐蚀，低于0.021MPa时腐蚀不严重。
3.3.腐蚀产物膜的影响：
腐蚀产物表面膜对钢的CO2腐蚀具有显著的影响，在含CO2介质中，钢表面腐蚀产物膜的组成、结构、形态及特性会受介质组成、PCO2、温度、pH值和钢的组成的影响，膜的稳定性、渗透性等会影响钢的腐蚀特性，完整、致密、附着力强的稳定性膜可减少均匀腐蚀速率，而膜的缺陷、膜脱落可以诱发局部腐蚀，配合其它因素而形成孔蚀、台地状侵蚀、涡状腐蚀、冲刷腐蚀及应力腐蚀开裂等。
3.4.流速的影响
流速对CO2腐蚀有重要影响，腐蚀速率随流速增加而递增，可能导致严重局部腐蚀，由于油、气工业中流动很复杂，从静止到高速湍流状态都存在，所以在各种流动状态下的腐蚀特性还有待于研究。
4.解决CO2腐蚀问题的方法
通过查找资料，结合工程项目进行研究，对于CO2腐蚀问题采取的解决方法主要有以下三种：
4.1.流程中加注缓蚀剂装置
缓蚀剂又称腐蚀抑制剂，是指一些用于腐蚀环境中抑制金属腐蚀的化学添加剂，对于一定的金属和腐蚀介质体系，只要在其中加入少量的缓蚀剂就能有效地降低该金属的腐蚀速率，由于缓蚀剂使用量较少，介质环境的性质基本上不会改变，也不需要太多的辅助设备，因此加注缓蚀剂是减缓酸性油、气田井下及地面管道、设备电化学腐蚀、延长使用寿命的主要技术措施之一。
4.2.管道内部刷防腐涂料
在金属设备的表面涂防腐涂料是防止和控制金属腐蚀的最常见手段之一，现在人们把能再物体表面形成有机涂层的化学物质材料统称为涂料，把涂敷涂料的过程称为涂装。
4.3.合理选材方面
从设备的安全角度来讲，材料的选择是最重要的一环，如果从材料方面能够解决的腐蚀问题，在设备造价允许的情况下，设备应首先选用优良的材料来进行设计。
我国目前还没有单独防止CO2腐蚀的材料，但可以根据一定的原则来进行选材并在制造上采取一定的有效措施：
4.3.1.应选用比较软的材料，比如：Q245R，一般不轻易使用Q345R材料。
4.3.2.焊接方面应做到一次成功，避免焊缝不合格时进行补焊。
4.3.3.设备制造完毕后，应进行整体热处理。
4.3.4.焊缝及其热影响区应进行测试，一般应控制其硬度HB220以下。
4.3.5.一般情况下在设计中选取腐蚀裕量应大于等于4mm。
作者简介：
钱媛（1980-）女，工程师，2007年毕业于中国石油大学过程装备与控制工程专业，现从事化工设备与机械设计工作
关键词：CO2的腐蚀机理、影响CO2腐蚀的因素、腐蚀问题的方法
1.前言
在一些油气田集输工艺流程中，操作介质往往含有CO2成分，而在整个工艺过程中又不能够完全脱掉介质中水分和CO2。因此在设备设计中需要考虑CO2腐蚀问题，CO2在有水分的情况下，除了具有弱酸腐蚀外，还可能对设备产生点蚀。在以前的设计中对CO2引起的腐蚀过程注意较少，随着CO2引起的腐蚀事故增多，以及油气井出水量的增多，由CO2引起的局部腐蚀越来越成为急需解决的问题，怎么解决这些问题，除在集输系统中采取措施：如在介质中加缓蚀剂等。表现在设备方面主要有：设备制造材料的选择、合理的内部结构、合理的内部结构、内表面防腐、设备的腐蚀余量的选取以及设备在设计、制造、生产中的特殊技术要求等方面。
2.CO2的腐蚀机理
钢铁在除O2水中CO2腐蚀机理，其阳极反应主要是Fe的溶解，可简写为：
Fe Fe2+ + 2e （1）
对阴极过程观点不一，一般占主导的观点认为，在环境温度下，裸钢在水中的腐蚀是受氢析出动力学控制的，而阴极析氢机理除了一般的电化学还原H3O+离子放电反应析氢外：
H3O+ + e H + H2O （2）
还可以通过下述表面吸附催化作用，H+的还原反应进行：
CO2 + H2O =H2CO3 （3）
H2CO3 + e =H+ + HCO3_ （4）
HCO3- +H30+ =H2CO3 + H2O （5）
然而实际中，钢铁表面总是被某些物质覆盖着，如扎皮、氧化膜或介质中的腐蚀产物膜等，这些覆盖物使析氢反应不是在裸钢表面进行，而是在膜或覆盖物上进行，这就影响了CO2的腐蚀性特性。
3.影响CO2腐蚀的因素
由于操作介质中的成分比较复杂，各种成分的含量也不相同，因此在多种条件下，影响CO2腐蚀特性的因素很多，归纳起来基本分为以下几个因素：（1）温度的影响（2）CO2分压（PCO2）影响（3）腐蚀产物膜的影响（4）流速的影响等，这些因素可能导致钢的多种腐蚀破坏，比如：可能产生高的腐蚀速率、严重的局部腐蚀穿孔，甚至可能发生应力腐蚀开裂等。
3.1.温度的影响
温度是CO2腐蚀的重要影响参数，由于碳酸亚铁的溶解度具有负的温度系统，随着温度的升高而降低，因此在60℃～110℃之间，钢表面可生成具有一定保护性的腐蚀产物膜层，使腐蚀速率出现过渡区，该温区内局部腐蚀较突出。而低于60℃时不能形成保护性膜层，钢的腐蚀速率在此区出现极大值（含Mn钢在40℃附近、含Cr刚在60℃附近）。在110℃或更高的温度范围内，由于可能发生下列反应：
3Fe + 4H2O =Fe3O4 + 4H2 （5）
因而在110℃附近显示出钢的第二个腐蚀速率极大值，表面产物膜层也由Fe3O4变成杂质有Fe3O4和FeCO3膜并随温度升高，Fe3O4量增加，达到更高温度下成为Fe3O4在膜中占主导地位。
3.2.CO2分压（PCO2）影响：
CO2分压（PCO2）对碳钢、低合金钢腐蚀速率的影响，在温度小于60℃时，裸钢未形成保护性腐蚀产物膜情况下有重要影响，一般情况下可以认为CO2分压高于0.21MPa时通常要出现腐蚀，在0.021MPa～0.21MPa之间可能出现腐蚀，低于0.021MPa时腐蚀不严重。
3.3.腐蚀产物膜的影响：
腐蚀产物表面膜对钢的CO2腐蚀具有显著的影响，在含CO2介质中，钢表面腐蚀产物膜的组成、结构、形态及特性会受介质组成、PCO2、温度、pH值和钢的组成的影响，膜的稳定性、渗透性等会影响钢的腐蚀特性，完整、致密、附着力强的稳定性膜可减少均匀腐蚀速率，而膜的缺陷、膜脱落可以诱发局部腐蚀，配合其它因素而形成孔蚀、台地状侵蚀、涡状腐蚀、冲刷腐蚀及应力腐蚀开裂等。
3.4.流速的影响
流速对CO2腐蚀有重要影响，腐蚀速率随流速增加而递增，可能导致严重局部腐蚀，由于油、气工业中流动很复杂，从静止到高速湍流状态都存在，所以在各种流动状态下的腐蚀特性还有待于研究。
4.解决CO2腐蚀问题的方法
通过查找资料，结合工程项目进行研究，对于CO2腐蚀问题采取的解决方法主要有以下三种：
4.1.流程中加注缓蚀剂装置
缓蚀剂又称腐蚀抑制剂，是指一些用于腐蚀环境中抑制金属腐蚀的化学添加剂，对于一定的金属和腐蚀介质体系，只要在其中加入少量的缓蚀剂就能有效地降低该金属的腐蚀速率，由于缓蚀剂使用量较少，介质环境的性质基本上不会改变，也不需要太多的辅助设备，因此加注缓蚀剂是减缓酸性油、气田井下及地面管道、设备电化学腐蚀、延长使用寿命的主要技术措施之一。
4.2.管道内部刷防腐涂料
在金属设备的表面涂防腐涂料是防止和控制金属腐蚀的最常见手段之一，现在人们把能再物体表面形成有机涂层的化学物质材料统称为涂料，把涂敷涂料的过程称为涂装。
4.3.合理选材方面
从设备的安全角度来讲，材料的选择是最重要的一环，如果从材料方面能够解决的腐蚀问题，在设备造价允许的情况下，设备应首先选用优良的材料来进行设计。
我国目前还没有单独防止CO2腐蚀的材料，但可以根据一定的原则来进行选材并在制造上采取一定的有效措施：
4.3.1.应选用比较软的材料，比如：Q245R，一般不轻易使用Q345R材料。
4.3.2.焊接方面应做到一次成功，避免焊缝不合格时进行补焊。
4.3.3.设备制造完毕后，应进行整体热处理。
4.3.4.焊缝及其热影响区应进行测试，一般应控制其硬度HB220以下。
4.3.5.一般情况下在设计中选取腐蚀裕量应大于等于4mm。
作者简介：
钱媛（1980-）女，工程师，2007年毕业于中国石油大学过程装备与控制工程专业，现从事化工设备与机械设计工作