注氣驅(qū)套材質(zhì)管耐氧腐蝕規(guī)律及機理研究定稿

1、<p>　　本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計 (論文)</p><p>　　題 目：注氣驅(qū)套管材質(zhì)耐氧腐蝕規(guī)律及機理研究</p><p><b>　　學(xué)生姓名：邢 宇</b></p><p>　　學(xué) 號：11095125</p><p>　　專業(yè)班級：材料物理13-1班</p><p>

2、　　指導(dǎo)教師：胡松青 教授</p><p>　　2017年6月18日</p><p>　　注氣驅(qū)套管材質(zhì)耐氧腐蝕規(guī)律及機理研究</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　注氣驅(qū)是油田三次采油常用的采油技術(shù)，但由于所注的空氣中含一定量的氧氣，同時，油田本身復(fù)雜的環(huán)境因素，實際生產(chǎn)中設(shè)備、管線等面臨著

3、嚴(yán)重的腐蝕問題。為了得出油田提供的20#和L360鋼兩種鋼材在一定的溫度（80 ℃）、壓強（10 MPa）、氧含量（10%）條件下的主控腐蝕因素以及腐蝕規(guī)律和機理。本文通過實驗失重法和電化學(xué)測試法，利用微區(qū)腐蝕記錄儀和金相顯微鏡對腐蝕前后的樣品進行宏觀和微觀形貌觀察，利用XRD對腐蝕產(chǎn)物進行成分分析，以此推斷腐蝕發(fā)生的過程。綜合以上研究，L360和20#兩種材質(zhì)鋼的腐蝕速率都隨溫度、含氧量和壓強的升高而增大，其中氧含量的變化對腐蝕的影響

4、最明顯，XRD結(jié)果得出腐蝕產(chǎn)物以鐵的氧化物為主。由電化學(xué)方法與金相顯微鏡觀察結(jié)果得出，L360試樣腐蝕電流密度要小于20#鋼，以及在一定條件下L360鋼微觀腐蝕形貌上的點蝕數(shù)目少于20#鋼。通過以上實驗結(jié)果得出油田在生產(chǎn)中應(yīng)該嚴(yán)格控制氧含量才能避免嚴(yán)重腐蝕的發(fā)生。</p><p>　　關(guān)鍵詞：注氣驅(qū)；氧腐蝕；失重法；電化學(xué)試驗</p><p>　　Study on the rule and

5、 mechanism of oxygen resistant corrosion of casing in gas injection drive</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　Gas injection is the three oil recovery of oil field commonly used product

6、ion technology, but because the note containing a certain amount of oxygen in the air, at the same time, the environmental factors of oil itself complex, the actual production equipment and pipelines are facing serious c

7、orrosion problems. In order to get the oil 20# and L360 steel two steel in a certain temperature (80 ℃) and pressure (10 MPa), oxygen content (10%) the main control factors under the condition of corrosion </p>&l

8、t;p>　　Keywords: Gas injection drive; Oxygen corrosion; Weight loss met; Electrochemical test</p><p><b>　　前言</b></p><p><b>　　1.1 注氣驅(qū)簡介</b></p><p>　　油田在經(jīng)過一次

9、采油后，地層中的壓力明顯降低[1]。為了能進一步采收剩余的原油，通常就需要通過注水或注氣這些非常規(guī)采油法來提高采收率[2]。其中注氣驅(qū)可以選擇注入二氧化碳、氮氣、空氣、天然氣或烴類氣體等。美國的注氣驅(qū)項目在提高采收率項目中所占的比例已經(jīng)從1984年時的22.5%上升到了2008年的66%[3]，在2008年美國的注氣項目達(dá)到122個，此外全球的其他國家比如墨西哥、委內(nèi)瑞拉、加拿大等也把注氣驅(qū)技術(shù)作為提高采收率的主導(dǎo)技術(shù)[4-8]。<

10、;/p><p>　　注空氣驅(qū)與其他非常規(guī)采油技術(shù)相比具有成本低廉、氣源資源豐富、不受氣源輸送的限制等優(yōu)點[9]，已被證明是一種發(fā)展前景很好并且越來越受到各大油田青睞的一項成熟技術(shù)[10-13]。不過在油田的生產(chǎn)作業(yè)中注空氣驅(qū)也會產(chǎn)生新的問題，其中最為顯著的是空氣中氧氣，與注入氮氣、二氧化碳、天然氣相比，因為空氣中含有高達(dá)21%的氧氣，同時，油田本身存在著高溫、高壓、礦化度、pH等復(fù)雜的環(huán)境因素[13-15]，所以油田

11、管道等設(shè)備面臨著嚴(yán)重而復(fù)雜的腐蝕問題。根據(jù)文獻(xiàn)報道可知，氧氣是極強的去極化劑，氧腐蝕是油田中最為嚴(yán)重的腐蝕方式之一[16]。氧腐蝕產(chǎn)生的點蝕、潰瘍腐蝕等對油田管材等設(shè)備的性能造成嚴(yán)重的影響，如果處理不及時往往造成很嚴(yán)重的事故，所以采用注空氣驅(qū)對輸油輸氣管道等設(shè)備的防腐技術(shù)有了更高的要求；同時，還需要精確掌握注空氣驅(qū)腐蝕的規(guī)律與機理。</p><p>　　圖1-1 氧腐蝕穿孔管道</p><p&

12、gt;　　Fig.1-1 Oxygen corrosion perforation pipeline</p><p>　　1.2 氧腐蝕現(xiàn)狀研究</p><p>　　根據(jù)文獻(xiàn)調(diào)研可知，在中性和堿性水溶液中，當(dāng)氧氣分壓達(dá)到一個大氣壓時，由于溶液中溶解一定含量的氧氣，氧還原反應(yīng)的平衡電極電位為0.815 V，而氫還原反應(yīng)的平衡電極電位僅有-0.413 V，氧還原反應(yīng)的電位要明顯高于氫還原反應(yīng)的

13、電位，所以一般的金屬材質(zhì)在堿性或中性的溶液中的反應(yīng)往往是溶解氧的還原反應(yīng)而不是析氫反應(yīng)[17-19]。并且，吸氧腐蝕對金屬的危害極大，在常溫下就會有較大的腐蝕速率。而在實際的生產(chǎn)作業(yè)中，金屬材質(zhì)設(shè)備面臨著更加復(fù)雜的環(huán)境，其中的腐蝕問題更明顯也更嚴(yán)重，往往還會給設(shè)備帶來一定的安全隱患。</p><p>　　目前針對輸氣管道內(nèi)外腐蝕的監(jiān)測都已經(jīng)有了一些系統(tǒng)的方法。如Wang等[20]利用管道網(wǎng)絡(luò)模擬和成熟的氣體數(shù)據(jù)采

14、集與檢測系統(tǒng)能夠及時的檢測輸氣管道的腐蝕情況；而Safizadeh等[21]采用一種脈沖渦流技術(shù)，檢測輸氣管道也有很好的效果；另外李蓮明等[23]發(fā)明了一種在線檢測輸氣管道腐蝕情況的裝置，此裝置由生產(chǎn)管線、掛片裝置、閥門和分流管線等組成，可以在多種溫度、壓力情況下，在線準(zhǔn)確的檢測出輸氣管線的腐蝕狀況。這些技術(shù)為及時掌握管線氧腐蝕提供了極大的便利，同時也在一定程度上減小了腐蝕帶來的安全隱患。</p><p>　　1

15、.2.1 氧腐蝕類型</p><p>　?。?）全面腐蝕：指金屬與腐蝕介質(zhì)接觸的整個表面發(fā)生的腐蝕，腐蝕面均勻且較平整。全面腐蝕發(fā)生時，腐蝕介質(zhì)（如O2、H2S、Cl-、CO2等）能夠均勻地抵達(dá)金屬表面的各部位，而且金屬的成分和組織也比較均勻[24]。同時形成的氧腐蝕原電池的陰、陽極面積都非常小，用微觀方法也很難辨認(rèn)，而且微陰極與微陽極的位置也隨時變化，在這個時候整個金屬表面都處于活化狀態(tài)。雖然全面腐蝕造成金屬的

16、大量損失，金屬整體均勻減薄，引起金屬材質(zhì)的整體強度下降，但是腐蝕所引起的強度變化可以預(yù)測，所以均勻腐蝕一般不會造成突發(fā)事故。</p><p>　?。?）點蝕：是局部腐蝕的一種，點蝕發(fā)生會在金屬表面上形成疏密不等、深淺不一的圓形腐蝕坑，通常它的深度常常要比直徑大的多，嚴(yán)重的會造成金屬的穿孔[25-26]。當(dāng)介質(zhì)中有侵蝕性陰離子與氧化劑共存時，這些侵蝕性離子首先被吸附在金屬表面某些點上，從而破壞金屬表面經(jīng)氧化而形成的

17、鈍化膜。一旦這層保護膜被破壞并且金屬缺乏自鈍化能力時，在保護膜破壞的地方，基體金屬露出，環(huán)境中的腐蝕介質(zhì)直接與露出的金屬接觸。在這個區(qū)域內(nèi)，膜未被破壞處和破壞處可以形成活化鈍化電池，而破壞處的幾何形狀比未破壞的小得多，此時形成大陰極與小陽極的電化學(xué)腐蝕形態(tài)，所以陽極電流密度大，在氧化劑的作用下，腐蝕向深處發(fā)展，金屬表面就容易穿孔[27-30]。</p><p>　　圖1-2油管的點蝕形貌</p>&

18、lt;p>　　Fig.1-2 The pitting surface of the tubing</p><p>　　（3）潰瘍腐蝕：是指在金屬表面發(fā)生損壞較深且創(chuàng)傷面較大的腐蝕。在注氣驅(qū)套管的氧腐蝕中，出現(xiàn)的是直徑不等的鼓皰，直徑通常為1~30 mm，而且可以觀察到鼓皰表面的顏色是由黃褐色到磚紅色不等，在這層較稀疏的腐蝕產(chǎn)物下，是黑色粉末狀的腐蝕物，當(dāng)把這些腐蝕產(chǎn)物清洗干凈后，可以看到金屬表面出現(xiàn)的腐蝕坑

19、，其幾何形狀要比點蝕大[31]。</p><p>　　點蝕和潰瘍腐蝕都是典型的局部腐蝕，而腐蝕事故80%以上的是由局部腐蝕造成的[32]。在這兩種腐蝕情況下，雖然金屬質(zhì)量上損失不大，但因其腐蝕面積小，縱向發(fā)展，腐蝕深度較深，在腐蝕的預(yù)測與防護方面要比均勻腐蝕更難，所以危害往往比全面腐蝕嚴(yán)重，一旦發(fā)生事故就會是突發(fā)性的、災(zāi)難性的。</p><p>　　1.2.2 氧腐蝕機理</p>

20、;<p>　　氧腐蝕與其他腐蝕的過程類似，腐蝕機理較為復(fù)雜，通常情況下為多個步驟共同控制[33]，空氣中的氧氣溶于溶液后遷移到陰極的表面發(fā)生還原反應(yīng)，這個過程包括一系列步驟：</p><p>　　氧穿過空氣/溶液界面融入溶液中；</p><p>　　在溶液對流作用下，氧遷移到陰極表面附近；</p><p>　　在陰極表面的擴散層（禁止層）范圍內(nèi)，氧在濃

21、度梯度作用下開始擴散；</p><p>　　在陰極表面部位氧分子發(fā)生還原反應(yīng)。</p><p>　　以上4個階段，其中①和②通常不作為控制步驟，因氧擴散受阻滯而成為控制步驟的是當(dāng)氧通過擴散層這一環(huán)節(jié)。擴散層厚度大約為0.1~0.5 mm，即便擴散層的厚度不大，但在以上作用過程中，氧通過擴散層只有唯一的擴散傳質(zhì)方式。所以通常情況下，擴散步驟可作為控制步驟；同時需要在流動或加強攪拌的腐蝕介質(zhì)中

22、，當(dāng)氧氣供應(yīng)充分，步驟④也可成為控制步驟。氧腐蝕的電化學(xué)反應(yīng)如下：</p><p>　　陽極反應(yīng)：Fe→Fe2++2e- （1-1）</p><p><b>　　陰極反應(yīng)：</b></p><p>　　酸性環(huán)境有氧存在 O2+4H++4e-→2H2O

23、 （1-2）</p><p>　　中性或堿性有氧存在O2+2H2O+4e-→4OH- （1-3）</p><p>　　4Fe(OH)2+O2+2H2O→4Fe(OH)3 （1-4）</p><p>　　2Fe(OH)3→Fe2O3? H2O+2H2O

24、 （1-5）</p><p>　　Fe(OH)3→FeO(OH)+H2O （1-6）</p><p>　　8FeO(OH)+Fe2++2e-→Fe3O4+4H2O （1-7）</p><p>　　我們用以上7個化學(xué)方程式展示了氧腐蝕的過程[34]

25、，具體機理為：</p><p>　　首先氧氣能夠直接把陽極反應(yīng)生成的Fe2+氧化為Fe3+，在中性和堿性溶液中，陰極反應(yīng)產(chǎn)物OH-與Fe3+反應(yīng)生成Fe(OH)3沉淀，部分Fe(OH)3沉淀是Fe3+直接水解生成。此后，又有部分Fe(OH)3沉淀通過水解或者脫水生成了FeO(OH)。同時，在生成的腐蝕產(chǎn)物之間，F(xiàn)eO(OH)也可與Fe2+發(fā)生反應(yīng)，生成黑色且較為致密的Fe3O4，這層致密的產(chǎn)物膜能對侵蝕性離子的穿

26、透起到一定的阻礙作用。但在產(chǎn)物中，占比較多的Fe2O3和FeO(OH)都是疏松多孔的物質(zhì)，很容易被腐蝕介質(zhì)穿透，而且與基體的附著能力也很差，所以它們的保護作用很差。</p><p>　　由于在注空氣驅(qū)油中，適當(dāng)?shù)暮趿靠梢宰屟跖c原油發(fā)生氧化反應(yīng)，從而提高產(chǎn)油量。在這一反應(yīng)過程中，會生產(chǎn)二氧化碳、一氧化碳，然后這些氣體在與氮氣及與其他烴類氣體一起組成煙道氣來進行驅(qū)替，這一過程既有煙道氣的驅(qū)替，也有氧化反應(yīng)熱效應(yīng)的作

27、用。而生產(chǎn)的二氧化碳溶于介質(zhì)中，產(chǎn)生偏酸性的溶液，這也加速了腐蝕，同時也使油管等設(shè)備腐蝕因素變得更加復(fù)雜[35]。</p><p>　　1.2.3 氧腐蝕的影響因素</p><p>　　在注氣驅(qū)氧腐蝕過程中，腐蝕速率與多種因素有關(guān)，比如氧的濃度、壓強、溫度、介質(zhì)pH值、離子濃度、流速等等，以下是對腐蝕因素進行詳細(xì)的概括。</p><p><b>　　氧的濃

28、度</b></p><p>　　溶解氧濃度大可以加速腐蝕速率，原因有兩點，一是氧氣的去極化作用，很容易與陰極附近的H+結(jié)合，從而消耗掉陰極附近的電子，使腐蝕速率加快；二是氧可以直接把陽極反應(yīng)生成的Fe2+氧化為Fe3+而導(dǎo)致腐蝕加劇，生成的氫氧化鐵在金屬表面形成一層致密的保護膜，但因為溶液中Cl-破壞了保護膜，從而加劇了氧腐蝕[36]。</p><p><b>　　溫

29、度</b></p><p>　　與大部分的化學(xué)反應(yīng)一樣，在適當(dāng)?shù)臏囟葏^(qū)間內(nèi)，當(dāng)氧濃度確定時，氧腐蝕的速率會隨溫度的升高而加快，同時在這個過程中，隨著溫度的升高，溶液的粘度會有所降低，這也有助于氧在溶液中的擴展從而加速腐蝕。但處于敞開體系中時，當(dāng)溫度升高接近介質(zhì)的沸點時，氧在介質(zhì)溶解中的溶解度會急劇的下降，此時，氧在溶液中溶解度下降的效應(yīng)遠(yuǎn)大于溫度升高對溶解氧的擴散效應(yīng)及電極反應(yīng)的效應(yīng)，所以此時腐蝕速率

30、會降低。實驗研究表明，在常溫的條件下，氧腐蝕腐蝕產(chǎn)物較松軟，得到的蝕坑面積較大；而在高溫的條件下，形成的腐蝕產(chǎn)物也較堅硬具有一定的屏蔽效果，所以高溫條件下的腐蝕速率下降[37]，另外高溫條件下，氧腐蝕坑面積也較小。</p><p><b>　　壓強</b></p><p>　　氣體在溶液中的溶解度會隨壓強的增大而有所增加。所以在一定的壓強限度內(nèi)，氧在介質(zhì)溶液中的溶解度

31、也會隨壓強的增大而增加，從而也加速了氧的去極化速率，即壓強增大會促進氧腐蝕速率。但與溫度及氧含量兩個因素相比，壓強的影響較小[38]。</p><p><b>　　pH值</b></p><p>　　pH值對腐蝕也有較大的影響。具體規(guī)律為：</p><p>　　當(dāng)pH值<4時，腐蝕速率會隨著pH值的減小而增大，這是因為強酸環(huán)境下，對金屬表

32、面的保護膜破壞極大，同時酸也可以直接與金屬發(fā)生析氫反應(yīng)，此時腐蝕速率較大。</p><p>　　當(dāng)pH值為4~10時，這個階段溶液pH值對腐蝕幾乎不產(chǎn)生影響，在這個階段氧的擴散速度控制腐蝕過程，而pH值的變化幾乎不影響氧的擴散速度，所以這個階段氧腐蝕不受pH值影響，所以在此條件下碳鋼的氧腐蝕速率會在一定的范圍內(nèi)變化。</p><p>　　但當(dāng)pH值在10~14之間時，腐蝕速率會隨pH值的增

33、大而下降。在這個階段，溶液中的H+濃度很小，而OH-濃度較大，OH-可以促進鋼材表面可以形成較完整的保護膜，從而阻隔了氧向管道基體的擴展，抑制了氧腐蝕，也就降低了反應(yīng)速率[39]。</p><p><b>　　（5）地層水中離子</b></p><p>　　地層的腐蝕介質(zhì)中含有很多種類的離子，這些離子對腐蝕的影響有較大差別，比如溶液中Cl-和SO42-會加速腐蝕，它們

34、會破壞金屬表面的氧化膜，因而其濃度增加時，氧腐蝕速率就會加大[40]；而水中OH-離子可促進氧化膜的形成，即溶液的pH值較大時，腐蝕會受到抑制。</p><p><b>　?。?）流速</b></p><p>　　在一般情況下，當(dāng)流速增大時，碳鋼氧腐蝕的速率也會加快。這是主要因為隨著介質(zhì)流速加快，氧的擴散速度也有所增加，但是這個過程有限度，當(dāng)流速達(dá)到一定值時，金屬表面

35、溶解氧的濃度會達(dá)到鈍化的臨界濃度，鋼鐵出現(xiàn)鈍化現(xiàn)象，導(dǎo)致腐蝕速率下降；而當(dāng)流速進一步增加時，介質(zhì)沖刷鈍化膜使其破壞，此刻腐蝕速率會重新上升[41]。</p><p>　　1.2.4 氧腐蝕危害</p><p>　　管道系統(tǒng)的采購及建設(shè)都需要投入大量的人力物力，成本比較高。除了磨損，大部分的事故是由腐蝕破壞了管道而造成的。由于氧腐蝕更多是以點蝕方式進行，在得不到及時排查和修復(fù)時，腐蝕短期內(nèi)就

36、會發(fā)展的很嚴(yán)重，此時套管往往會有穿孔甚至斷裂的危險，輕者破壞套管的完整性，減短管材設(shè)備的使用壽命，重者會發(fā)生突發(fā)性的安全事故，給人民的生命財產(chǎn)安全帶來嚴(yán)重?fù)p失[42]。所以腐蝕問題不容忽視，應(yīng)提前從管道選材開始，結(jié)合后期的各種防腐手段及工作后的定期檢查來維護安全生產(chǎn)。</p><p>　　圖1-3 某地管道孔蝕穿孔</p><p>　　Fig.1-3 Pitting corrosion o

37、f a pipe</p><p>　　1.2.5 氧腐蝕預(yù)防</p><p>　　目前常見的預(yù)防注氣驅(qū)氧腐蝕的方法有三種：</p><p>　　一是通過調(diào)節(jié)腐蝕介質(zhì)pH至9以上，這可以通過加入Na2CO3或者NaOH來實現(xiàn)，此時溶液中H+含量很少，而OH-濃度較大，因為OH-促進了鋼材表面形成完整保護膜，從而抑制了氧和其他腐蝕介質(zhì)向管道基體的擴展，從而降低了反應(yīng)速率

38、；</p><p>　　第二種是使用除氧劑除氧，因為在實際的注氣驅(qū)過程中，一定含量的氧氣有助于提升產(chǎn)量，所以通過除氧劑把氧含量控制在一個較低值，在有助于增加產(chǎn)量的同時還可以大大減緩氧腐蝕；</p><p>　　第三是添加緩蝕劑或抑氧劑降低甚至消除殘余氧的腐蝕影響。目前這類緩蝕劑及抑氧劑的研究已有突破。比如Nowsco鉆井公司開發(fā)出一款空氣鉆井很有效的抑氧劑，它由磷酸脂和磷酸酯混合而成。作用

39、原理是它可在金屬表面形成一層保護膜，這種保護膜的滲透性很差，從而將腐蝕介質(zhì)中的溶解氧隔離開，使其無法到達(dá)基體與金屬發(fā)生反應(yīng)。這樣既可以達(dá)到防止氧腐蝕的目的，同時也抑制鋼管表面的結(jié)垢[43]。</p><p>　　在實際使用中，這些緩蝕劑或抑氧劑對氧分壓較低的情況很有效，而實際注氣驅(qū)生產(chǎn)中，通常是高溫高壓以及多種腐蝕介質(zhì)共存的環(huán)境，單一的防腐蝕技術(shù)難以達(dá)到有效防治的效果，所以需要結(jié)合多種防腐技術(shù)使用。當(dāng)今關(guān)于預(yù)防氧

40、腐蝕的措施主要有以下幾種：比如選擇耐氧腐蝕的鋼管，對管材進行不同類型的涂層/鍍層處理，添加緩蝕劑、除氧劑以及對緩蝕劑與緩蝕劑進行復(fù)配、除氧劑與緩蝕劑進行復(fù)配，提高溶液的pH等措施[44]。</p><p>　　1.3 本文的主要研究內(nèi)容</p><p>　　本文通過實地考察調(diào)研，分析腐蝕介質(zhì)及環(huán)境，掌握油田管道工作的溫度、壓力、含氧量等條件，利用實驗室高溫高壓反應(yīng)釜做模擬實驗；利用電化學(xué)腐

41、蝕測鋼材的塔菲爾曲線，研究腐蝕機理，進而評價20#鋼和L360鋼在不同條件下的腐蝕規(guī)律和機理。</p><p>　　本文的研究內(nèi)容分以下幾點：</p><p>　　研究不同實驗條件下20#鋼和L360鋼的腐蝕情況。</p><p>　　利用高溫高壓反應(yīng)釜控制變量，分別設(shè)溫度為30 ℃、45 ℃、60 ℃、80 ℃，反應(yīng)壓強為2 MPa、5 MPa、10 MPa，氧含

42、量為3%、5%、8%、10%。研究在特定溫度、壓強及氧含量下2種材質(zhì)的腐蝕規(guī)律。</p><p>　　分析不同條件下材質(zhì)的腐蝕形貌及腐蝕產(chǎn)物成分。</p><p>　　使用腐蝕微區(qū)記錄儀和金相顯微鏡觀察研究樣品在不同條件下反應(yīng)后的腐蝕形貌，對比分析腐蝕程度。利用XRD掃描儀對腐蝕產(chǎn)物進行成分分析，研究腐蝕發(fā)生的過程及腐蝕原理。</p><p>　　測量20#鋼和L3

43、60鋼的Tafel曲線，得出腐蝕電位和腐蝕電流。</p><p>　　利用電化學(xué)工作站分別測量兩種材質(zhì)的塔菲爾曲線，通過對圖像的處理與數(shù)據(jù)的擬合，得出它們的腐蝕電流及腐蝕電位，從而判斷兩種鋼材的電化學(xué)性能。</p><p>　　第2章 試驗設(shè)備與方法介紹</p><p>　　2.1 試驗材料及儀器</p><p>　　2.1.1 試驗材料&

44、lt;/p><p>　　實驗所用的鋼片是山東省陽信縣晟鑫科技有限公司生產(chǎn)的20#鋼和L360鋼。其成分為：</p><p>　　表2-1 20#鋼L360鋼試樣中各元素含量（%）</p><p>　　Tab.2-1 Element content (%) in 20# steel L360 steel sample</p><p>　　2.1.2

45、 試驗儀器</p><p>　　表2-2 實驗所用儀器規(guī)格</p><p>　　Tab.2-2 Experiment instrument specification</p><p>　　2.1.3 溶液配制</p><p>　　通過對油田水樣的水質(zhì)成分分析，得到試驗溶液可以由氯化鈉、硫酸鈉、碳酸氫鈉、氯化鈣和氯化鉀配制而成，其各成分配比如圖

46、2-3所示。</p><p>　　表2-3 每升溶液中各成分含量</p><p>　　Tab.2-3 The content of each component in 2 liter solution</p><p>　　為了驗證配置水樣的合理性，我們選擇在80 ℃、2 MPa、5%含氧量條件下，分別用油田水和配置水對了對比實驗，得到如下結(jié)果：</p>

47、<p>　　表2-4 20#和L360鋼在油田水和配置水中的腐蝕速率</p><p>　　Tab.2-4 Corrosion rates of 20# and L360 steel in oilfield water and disposal water</p><p>　　通過兩種金屬試樣在不同水樣介質(zhì)中的腐蝕速率對比可以看出：在油田水樣中材質(zhì)的腐蝕速率略大于配置水的腐蝕速率

48、，這可能是由于油田水水中還有未檢查出的其他雜質(zhì)離子的影響。但是金屬材質(zhì)在配置水樣與油田水樣中的腐蝕速率相近，從而驗證了用配置水代替油田水的可行性。</p><p>　　2.2 腐蝕速率及傾向評價方法</p><p>　　2.2.1 失重法試驗</p><p>　　由于腐蝕的破壞作用，材料的質(zhì)量在腐蝕前后會有比較明顯的變化。由材料質(zhì)量的變化，可以研究材料在不同環(huán)境下的

49、腐蝕速率。失重法試驗具有試驗條件要求低、容易操作、高準(zhǔn)確度等特點。本文通過失重法研究20#鋼和L360鋼在不同條件下的腐蝕規(guī)律與腐蝕機理。</p><p>　　本實驗測量2種金屬在不同條件下的腐蝕速率。首先用丙酮除油，然后用乙醇清洗試樣除水，待試樣干燥后，用游標(biāo)卡尺測量試片的長、寬、高及孔直徑，然后用電子天平（精度為0.0001）稱重并記錄數(shù)據(jù)。記長為a，寬為b，高為h，孔直徑為d，初始質(zhì)量為m0。為減少誤差以上

50、數(shù)據(jù)均測量三次，然后結(jié)果取平均值。</p><p>　　對腐蝕后的試樣用標(biāo)準(zhǔn)酸洗液（六次甲基四銨0.7 g，鹽酸20 ml，加水至200 ml）清洗，并且冷風(fēng)吹干。測量樣品質(zhì)量三次，取平均值，記做m。</p><p>　　計算樣品腐蝕速率的公式：</p><p>　　V為腐蝕速率，單位mm/a；</p><p>　　m0、m分別為腐蝕前后的樣

51、品的質(zhì)量，單位為g；</p><p>　　A為樣品的暴露面積，單位為cm2；</p><p>　　t為實驗時間（從充氣到開始降溫之間的時間），單位為h；</p><p>　　ρ為式樣的密度，單位g/cm3；</p><p>　　V為腐蝕速率，單位mm/a；</p><p>　　m0、m分別為腐蝕前后的樣品的質(zhì)量，單位為

52、g；</p><p>　　A為樣品的暴露面積，單位為cm2；</p><p>　　t為實驗時間（從充氣到開始降溫之間的時間），單位為h；</p><p>　　ρ為式樣的密度，單位g/cm3；</p><p>　　通過式（2-1）或（2-2）求出的V，即為樣品的年平均腐蝕速率。</p><p>　　2.2.2 電化學(xué)法&

53、lt;/p><p>　　本實驗是利用電化學(xué)工作站，測量樣品的塔菲爾（Tafel）曲線，通過對數(shù)據(jù)的處理與擬合，得出材質(zhì)的腐蝕電流和腐蝕電位的數(shù)值，通過對兩種材質(zhì)腐蝕電流與腐蝕電位的分析得出鋼材電化學(xué)方面的耐蝕性能。</p><p>　　利用電化學(xué)法測量金屬的腐蝕電流和腐蝕電位具體做法是，首先制作測量材料的電極（本實驗為20#鋼和L360鋼），對電極利用不同粗糙度的砂紙進行打磨，除去試樣表面的銹

54、跡與氧化膜，再用丙酮進行除油清洗；將制作好的電極放進配置好的溶液中（本實驗是3.5%的NaCl溶液），按照操作說明接好線路，打開軟件對機器進行預(yù)熱，最后對兩種試樣的電化學(xué)性能進行測試，測出工作電極的塔菲爾（Tafel）曲線。最后對所得到的曲線進行擬合，得到試樣的腐蝕電位與腐蝕電流密度。</p><p>　　測試時，通常采用三電極體系，由工作電極、參比電極、對電極三種電極構(gòu)成。</p><p&g

55、t;<b>　　工作電極</b></p><p>　　工作電極的制備與處理，是電化學(xué)測定中非常重要的問題。本實驗中是采用固態(tài)金屬制作的電極。先用電絡(luò)鐵將試樣與導(dǎo)線進行焊接，再用哥倆好膠水將制備好的電極片進行密封處理，除了反應(yīng)面其他部位全部涂抹膠水，待膠水干燥后，即可做到絕緣。然后通過微粒由大到小型號的砂紙依次打磨反應(yīng)面，使表面光亮劃痕減少，再次用拋光膏拋光，直到電極表面觀察不到劃痕為止。拋光

56、后再用丙酮和酒精溶液清洗表面，完成除油和清洗，以達(dá)到表面潔凈的目的。</p><p><b>　　參比電極</b></p><p>　　參比電極是用來測量實驗中研究電極的電極電位，對性能要求較高，它直接影響著電極電位測量值的準(zhǔn)確性。在實驗室較常用的參比電極是飽和甘汞電極。</p><p><b>　　對電極</b><

57、/p><p>　　對電極又被稱之為輔助電極，它通常是與某一個電位下的工作電極串聯(lián)，組成一個回路，從而使研究電極上的電流暢通。而且在實驗過程中，要求工作電極的反向電流暢通的通過對電極，所以要求對電極本身電阻要小，而且要在測試條件下不易發(fā)生極化。實驗室常用的是鉑電極，它的性能穩(wěn)定，阻值小滿足電化學(xué)中對電極的性能的需求。</p><p>　　測量得到塔菲爾（Tafel）極化曲線后，采用Tafel直線

58、外推法處理，來獲得兩種鋼材的腐蝕速率。</p><p><b>　　陰極電流：</b></p><p><b>　　ic=icorr</b></p><p><b>　　= icorr</b></p><p>　　iA=i1 -i2 =icorr</p><

59、p><b>　　= icorr</b></p><p>　　一般當(dāng)過電位> 70 mv時，第二項可以忽略，此時腐蝕動力學(xué)方程可以簡化為：</p><p>　　ηc =-bclogicorr+bclogic</p><p>　　ηA =-bAlogicorr+bAlogiA</p><p>　　在電化學(xué)工作站G

60、amry軟件，對極化曲線進行擬合，就可以得到陽極極化曲線的斜率bA、以及陰極極化曲線的斜率bC以及腐蝕電流icorr。</p><p>　　圖2.1 Tafel直線外推法測定金屬腐蝕速率</p><p>　　Fig.2.1 Determination of metal corrosion rate by Tafel linear extrapolation method</p>

61、<p>　　測得腐蝕電流密度icorr（A/cm2）后，即可根據(jù)此值，對金屬的耐蝕性能進行評價。</p><p>　　2.3 腐蝕形貌評價方法</p><p>　　圖2.2 金相顯微鏡</p><p>　　Fig.2.2 Metallurgical microscope</p><p>　　金相顯微鏡是將光學(xué)顯微鏡技術(shù)、計算機圖

62、像處理技術(shù)及光電轉(zhuǎn)換技術(shù)結(jié)合在一起而開發(fā)出的具有較高科技的產(chǎn)品。金屬的微觀組織形貌可以清晰的呈現(xiàn)在電腦上，從而可以對金相圖譜進行分析、評級等。它可以用來鑒別和分析各種非金屬材料、合金材料以及金屬材料的組織結(jié)構(gòu)。</p><p>　　實驗室的金相顯微鏡可以放大的倍數(shù)有四種，分別為100倍、200倍、400倍及1000倍。我們選擇100倍來拍攝20#鋼和L360鋼腐蝕前后的表面的金相圖像，根據(jù)放大后金屬表面的圖像可以

63、直觀的看到腐蝕類型及腐蝕程度。</p><p>　　2.4 腐蝕產(chǎn)物評價方法</p><p>　　XRD分析是指通過對材料進行X射線衍射實驗，結(jié)合同時得到的材料的衍射圖譜分析，從而可以獲得材料組成成分、分子結(jié)構(gòu)或內(nèi)部原子、晶粒尺寸等信息。X射線是電磁波波長較短的一種（約為20~0.06埃），是介于伽瑪射線與紫外線之間的電磁輻射。在1895年，X射線被德國物理學(xué)家W.K倫琴發(fā)現(xiàn)，所以X射線又

64、稱為倫琴射線。</p><p>　　在使用XRD分析時首先需要進行樣品的制備，本實驗中分兩步來制作樣品，（a）將在不同腐蝕條件下腐蝕后收集到的20#和L360鋼的腐蝕樣品干燥后，用瑪瑙研缽研磨成衍射試驗用的粉末；（b）將樣品粉末放入玻璃槽中制備成具有平整表面的試片。</p><p>　　在采用XRD分析試樣的腐蝕產(chǎn)物前，首先需要用酒精清洗載玻片，取少量的腐蝕產(chǎn)物粉末放到載玻片上壓實。打開循

65、環(huán)水冷卻設(shè)備使其進入工作狀態(tài)，打開XRD儀器開關(guān)和工作電腦，然后打開試驗儀器門，將已經(jīng)放入玻璃槽中的壓平的試片放入儀器內(nèi)，并固定，關(guān)閉儀器門；打開X射線衍射軟件，設(shè)定掃描方式為步進掃描，采樣角度20°到80°，步長設(shè)置為0.09，點擊開始按鈕開始掃描樣品；待掃描結(jié)束后，保存并命名樣品的X射線衍射圖譜，然后關(guān)閉軟件，等待片刻，待儀器高壓降下來后關(guān)閉儀器；繼續(xù)等待15 min后關(guān)閉循環(huán)水冷卻設(shè)備。操作實驗結(jié)束。</

66、p><p>　　然后通過分析實驗得到的圖譜，從而分析腐蝕產(chǎn)物成分，進而推斷其腐蝕原理。</p><p>　　2.5 試驗裝置及試驗步驟</p><p>　　2.5.1 高溫高壓磁力反應(yīng)釜</p><p>　　腐蝕試驗是在C-276磁力驅(qū)動高溫高壓反應(yīng)釜中進行。該裝置由FK-D型精密控制柜與高壓高溫釜所組成的材料腐蝕試驗裝置，它可以模擬實際工況環(huán)境

67、進行腐蝕試驗。其中反應(yīng)釜最高可以承受24 MPa的高壓以及320 ℃的高溫，容積是3 L，釜內(nèi)直徑Φ=110 mm。該試驗設(shè)備與介質(zhì)接觸部分全部采用美國進口C276哈氏合金鑄造，反應(yīng)容器的釜體、釜蓋由C276材料加工而成，釜體和釜蓋法蘭通過8個周向均勻分布的M22*2主螺栓相連接，主密封采用R錐硬密封，具備很好的密封性和耐蝕性。反應(yīng)釜的加熱系統(tǒng)和保溫層可以保證容器內(nèi)部維持試驗所需要的溫度及壓強。儀器如圖2-3所示。</p>

68、<p>　　圖2-3 C-276型磁力驅(qū)動高溫高壓反應(yīng)釜</p><p>　　Fig.2-3 C-276 type magnetic drive high temperature and high pressure reactor</p><p><b>　　試驗步驟：</b></p><p>　　（1）試驗前先清洗和測量樣片。依次

69、用丙酮和酒精清洗每一個樣品，待其干燥后測量試片的原始尺寸長、寬、高及孔直徑，每組數(shù)據(jù)測量三次，求平均值，然后求出樣品的表面積、體積及密度。還要用電子天平（精度為0.0001）測量樣品的質(zhì)量，也是每個樣片測三次，求出平均值記為m0。因為每個樣品鋼片都有序號，所以要對應(yīng)記錄。</p><p>　　（2）清洗反應(yīng)釜反應(yīng)容器的內(nèi)部，以后每次做完每組實驗都要及時清理，以達(dá)到上次環(huán)境不影響下次實驗的目的。</p>

70、<p>　?。?）掛片安裝試樣。將試樣按照一定順序安裝在夾具上，擰緊，防止其掉落。</p><p>　?。?）取預(yù)先配置好的腐蝕溶液倒入C276型磁力驅(qū)動高壓釜反應(yīng)容器中，通常使用2 L，保證試樣完全浸泡在試驗溶液中，然后緩慢降下反應(yīng)釜蓋。</p><p>　　（5）緊固密封應(yīng)力反應(yīng)釜。具體方法為三次緊固螺母，為了使密封效果更好，擰螺母時要注意均勻。第一、二次緊固螺母按對角線

71、順序依次擰緊，其中第二次緊固螺母的順序剛好與第一次相反；第三次緊固螺母是按順時針依次擰緊螺母，這樣可以達(dá)到反應(yīng)釜與釜蓋被均勻的壓緊。在擰螺母的過程中，需要調(diào)節(jié)扭矩扳手的扭矩，我們分別利用60、90、120、150、180、210六個扭矩，每個扭矩都要三輪緊固。</p><p>　?。?）打開應(yīng)力反應(yīng)釜電源開關(guān)，打開冷卻水開關(guān)，接通循環(huán)泵冷卻水。</p><p>　　（7）借號接好溫度感應(yīng)器

72、，并且檢查排氣孔及充氣孔是否封閉。</p><p>　　（8）設(shè)置反應(yīng)條件所需要的溫度。本實驗中用過30 ℃、45 ℃、60 ℃、80 ℃。按下開始加熱的開關(guān)。</p><p>　　（9）待溫度升到預(yù)定溫度后，先通氮氣除氧。然后按照實驗條件充入所需要量的氮氣及氧氣。</p><p>　　（10）試驗時間為72 h。試驗結(jié)束后，關(guān)閉加熱開關(guān)，然后靜置降溫。</p

73、><p>　?。?1）開釜取出反應(yīng)樣品。按放入時對應(yīng)的順序取出試樣放置試樣，分別拍照，以便于觀察腐蝕形貌。</p><p>　　（12）將拍完照的樣品依次用配置好的酸洗液、丙酮和酒精清洗，并用冷風(fēng)吹干。將清洗完之后的樣品再次進行拍照，對比觀察清洗前后的樣品形貌。測量每個樣片的質(zhì)量三次，對其取平均值記為m。最后將樣品封袋包裝記錄保存。</p><p>　　2.5.2 電化

74、學(xué)試驗</p><p>　　電化學(xué)工作站是電化學(xué)測量系統(tǒng)的總稱。實驗室電化學(xué)工作站采用三電極體系，由工作電極、參比電極、對電極三種電極構(gòu)成。本實驗是利用電化學(xué)工作站，測量樣品的塔菲爾（Tafel）曲線，通過對曲線的處理，得出材質(zhì)的腐蝕電流和腐蝕電位的數(shù)值，通過腐蝕電流密度與腐蝕電位的分析，得出20#鋼和L360鋼的耐蝕性能。</p><p>　　圖2.4 電化學(xué)工作站</p>

75、<p>　　Fig.2.4 Electrochemical workstation</p><p><b>　　試驗步驟：</b></p><p>　　（1）首先制作測量材料的電極（本實驗為20#鋼和L360鋼）。先用哥倆好膠水將切好的電極片與導(dǎo)線連接，除了反應(yīng)面，其他部位全部涂抹膠水，待膠水干燥后，即可做到絕緣。然后通過微粒由大到小型號的砂紙依次打磨反應(yīng)

76、面，使表面光亮，劃痕減少，再次用拋光膏拋光，直到電極表面觀察不到劃痕為止。拋光后，用丙酮和酒精溶液清洗表面，完成除油和清洗，使電極表面潔凈；</p><p>　　（2）配制3.5%的氯化鈉溶液，倒入潔凈的燒杯中；</p><p>　?。?）正確鏈接導(dǎo)線和電極。使工作電極、對電極、參比電極在同一高度，同時對電極（鉑電極）與工作電極相對，參比電極擺放在距離工作電極較近的位置，并處于工作電極與對

77、電極連線的一側(cè)。</p><p>　　（4）打開軟件，設(shè)置參數(shù)，開始測量；</p><p>　　（5）測量結(jié)束后保存數(shù)據(jù)、圖像，清洗和整理儀器；</p><p>　　（6）對樣片拍照記錄，以便于觀察腐蝕形貌。</p><p>　?。?）處理數(shù)據(jù)和工作電極的塔菲爾（Tafel）曲線，找到陰極極化曲線和陽極極化曲線的切線交點，就是所需要的點，這個

78、點對應(yīng)的電位為腐蝕電位，對應(yīng)的電流密度為腐蝕電流密度。</p><p>　　第3章 不同腐蝕因素研究</p><p>　　3.1 腐蝕因素評價</p><p>　　本章將控制含氧量、溫度及壓強三個因素來分析20#鋼和L360鋼兩種管材的腐蝕情況，通過腐蝕速率和腐蝕形貌的研究，找出影響腐蝕的主導(dǎo)因素。</p><p>　　3.1.1 氧含量對

79、腐蝕速率的影響</p><p>　　利用高溫高壓反應(yīng)釜模擬現(xiàn)場的工況條件，通過失重法研究20#鋼和L360鋼兩種金屬材質(zhì)在T=80 ℃，P=2 MPa條件時，氧含量分別為3%、5%、8%、10%四種情況下的腐蝕速率。通過實驗數(shù)據(jù)計算得出如下規(guī)律圖：</p><p>　　圖3.1 氧含量對兩種鋼材腐蝕速率的影響</p><p>　　Fig.3.1 Effect of

80、oxygen content on corrosion rate of two steels</p><p>　　圖3.2 宏觀圖腐蝕形貌圖</p><p>　　Fig.3.2 Macroscopic morphology</p><p>　　圖3.3 金相顯微鏡下不同含氧量的金屬腐蝕形貌圖</p><p>　　Fig.3.3 The cor

81、rosion morphology of metal with different oxygen content under metallurgical microscope</p><p>　　由圖3.1氧含量對兩種鋼材腐蝕速率影響的曲線圖可以看出，隨著氧含量的增大，腐蝕速率也隨之增加，并且兩種鋼材的腐蝕速率沒有明顯的差別；氧含量在3-5%范圍內(nèi)，兩種鋼材的腐蝕速率變化不是很明顯，但是氧含量從5%以后，腐蝕速率

82、開始急劇加快，腐蝕速率變?yōu)橹暗?倍左右。這主要是因為隨著氧含量的增加，溶于溶液中的氧含量也隨之增加，導(dǎo)致氧的極限擴散電流密度也增大，同時氧的離子化反應(yīng)的速度也加快，因而導(dǎo)致了氧去極化的腐蝕速度增大。</p><p>　　圖3.2宏觀腐蝕形貌圖是腐蝕實驗結(jié)束后，用酸洗液除去試片表面的腐蝕產(chǎn)物，并用微區(qū)腐蝕記錄儀拍攝所得到的。我們能夠直觀的看到，在宏觀情況下，腐蝕基本是以均勻腐蝕為主，腐蝕后的形貌也隨著氧含量的增加

83、而變得更加粗糙。</p><p>　　圖3.3是用金相顯微鏡放大100倍，觀察試片在未反應(yīng)前及不同氧含量反應(yīng)后的微觀圖?？梢悦黠@的看到，在未反應(yīng)前，兩種鋼片表面都有明顯的劃橫，但沒有腐蝕坑。當(dāng)放入含氧的環(huán)境下反應(yīng)后，從低氧時的局部腐蝕開始，到全面腐蝕。之后再到點蝕在不斷加重。到含氧量為8%和10%時，已經(jīng)非常嚴(yán)重。所以建議在實際生產(chǎn)環(huán)節(jié)，要盡量把氧氣含量控制在5%以下。同樣在微觀條件下，通過點蝕孔的密集程度和深度

84、，能夠看到L360鋼的耐蝕性要比20#鋼稍好一點。</p><p>　　溶液中溶解氧濃度大可以加速材質(zhì)的腐蝕速率，原因有兩點，一是氧氣具有較強的去極化作用，碳鋼在腐蝕環(huán)境中，很容易與陰極附近的H+結(jié)合，從而消耗掉陰極附近的電子，加速了陽極鐵的溶解，使腐蝕速率加快；二是氧可以直接把陽極反應(yīng)生成的Fe2+氧化為Fe3+而導(dǎo)致腐蝕加劇，生成的氫氧化鐵在金屬表面形成一層致密的保護膜，但由于溶液中存在Cl-，它可以破壞這層

85、保護膜，從而加劇了氧腐蝕。</p><p>　　3.1.2 溫度對腐蝕速率的影響</p><p>　　溫度組的實驗也是利用高溫高壓反應(yīng)釜來完成。采用控制變量法，保持壓強P=2 MPa，氧含量為3%，分別測量計算溫度為（30 ℃、45 ℃、60 ℃和80 ℃）時，兩種鋼片的腐蝕速率。</p><p>　　圖3.4 溫度對兩種鋼材腐蝕速率的影響</p>&

86、lt;p>　　Fig.3.4 Influence of temperature on corrosion rate of two kinds of steel</p><p>　　圖3.5 宏觀圖腐蝕形貌圖</p><p>　　Fig.3.5 Macroscopic morphology</p><p>　　圖3.6 金相顯微鏡下不同溫度時金屬腐蝕形貌<

87、/p><p>　　Fig.3.6 Corrosion morphology of metal at different temperatures under metallographic microscope</p><p>　　由圖3.4溫度對兩種鋼材腐蝕速率影響的曲線圖可以直觀的看到，在80 ℃范圍內(nèi)，隨著溫度的升高，兩種鋼材的腐蝕速率都在加快。而且兩種鋼的腐蝕速率在不同溫度下都很接近。&

88、lt;/p><p>　　由圖3.5在四種不同溫度腐蝕后，兩種鋼材的宏觀形貌圖，基本看不出二者的差異，在80 ℃時，兩種鋼材看起來有了稍微明顯的腐蝕。45 ℃和60 ℃，腐蝕很小，差異也很小。</p><p>　　圖3.6腐蝕后兩種試樣的微觀圖能夠比較清晰的看到試樣表面發(fā)生的變化。在30 ℃時，原來平整的表面開始出現(xiàn)全面腐蝕，但腐蝕程度并不嚴(yán)重。隨著溫度升高到45 ℃，20#剛出現(xiàn)了比L360更

89、明顯的點蝕。而到了60 ℃時，兩種鋼表面的點蝕都變得很密集了。腐蝕明顯加重。再到80 ℃時，點蝕孔變大，靠得較近的腐蝕孔開始相連在一起，形成較大的腐蝕的坑。在微觀視野中總體而言，20#鋼比L360點蝕要嚴(yán)重。</p><p>　　在適當(dāng)?shù)臏囟葏^(qū)間內(nèi)，當(dāng)氧濃度確定時，氧腐蝕的速率會隨溫度的升高而加快，同時在這個過程中，隨著溫度的升高，腐蝕介質(zhì)的運動能力也明顯增強。這也有助于氧在溶液中的擴展，進而加速腐蝕。實驗表明，

90、常溫下氧腐蝕得到的蝕坑面積較大，以全面腐蝕為主，腐蝕產(chǎn)物較松軟（主要為Fe2O3、FeO(OH)），而在高溫時，氧腐蝕坑面積小，以點蝕為主，腐蝕產(chǎn)物也較堅硬（主要為Fe3O4）。</p><p>　　但處于敞開體系中時，當(dāng)溫度升高接近介質(zhì)的沸點時，氧在介質(zhì)溶解中的溶解度會急劇的下降，此時，氧在溶液中溶解度下降的效應(yīng)遠(yuǎn)大于溫度升高對溶解氧的擴散效應(yīng)及電極反應(yīng)的效應(yīng)，所以此時腐蝕速率會降低。</p>&

91、lt;p>　　3.1.3 壓強對腐蝕速率的影響</p><p>　　壓強對腐蝕速率的影響分三組實驗完成，同樣是控制變量法，保持溫度為30 ℃，含氧量為3%不變，分別做壓強為2 MPa、5 MPa及10 MPa條件下，20#鋼和L360鋼的腐蝕實驗，所得結(jié)果如圖3.7所示。</p><p>　　圖3.7 壓強對兩種鋼材腐蝕速率的影響</p><p>　　Fig.

92、3.7 Effect of pressure on corrosion rate of two kinds of steel</p><p>　　圖3.8 宏觀圖腐蝕形貌圖</p><p>　　Fig.3.8 Macroscopic morphology</p><p>　　圖3.9 金相顯微鏡下不同壓強時金屬腐蝕形貌</p><p>　　F

93、ig.3.9 Corrosion morphology of metal under different pressure in metallographic microscope</p><p>　　由圖3.7壓強對兩種鋼材腐蝕速率影響的曲線圖可以直觀的看到，在一定的壓強（10 MPa）范圍下，隨著壓強的升高，兩種鋼材的腐蝕速率整體都在加快；從5 Mpa之后，兩種試樣的腐蝕速率增速稍微變緩，整體上20#要比L3

94、60的腐蝕速率略快，可能由于L360中含有其他的微量元素，從而在某種程度上提高了L360的耐蝕性能。從腐蝕程度上來看，壓力的影響沒有引起兩種鋼材發(fā)生嚴(yán)重的腐蝕。</p><p>　　通過兩種鋼材的宏觀形貌圖，L360鋼與20#鋼沒有明顯的差別，兩種試樣都隨著壓力的升高出現(xiàn)明顯的腐蝕形貌；并且在2 Mpa與5 Mpa條件下，試樣的宏觀腐蝕形貌沒有明顯的區(qū)別；在10 MPa時，兩種鋼材看起來有了稍微明顯的腐蝕。2 M

95、Pa和5 MPa條件下，腐蝕很小，差異也很小。</p><p>　　圖3.9腐蝕后兩種試樣的微觀圖放大100倍后，能夠比較清晰的看到試樣表面發(fā)生的變化。在2 MPa時，原來平整的表面開始出現(xiàn)全面的腐蝕，但腐蝕程度并不嚴(yán)重。隨著增壓到5 MPa，20#剛出現(xiàn)了比L360更明顯的點蝕。到10 MPa時，靠得較近的腐蝕孔開始相連在一起，形成較大的腐蝕的坑。</p><p>　　氣體在溶液中的溶解

96、度會隨壓強的增大而有所增加。所以在一定的壓強限度內(nèi)，氧在介質(zhì)溶液中的溶解度也會隨壓強的增大而增加，從而也加速了氧的去極化速率，即壓強增大會促進氧腐蝕速率。但與溫度及氧含量兩個因素相比，壓強的影響較小。</p><p><b>　　3.2 產(chǎn)物分析</b></p><p>　　我們利用XRD對實驗的部分產(chǎn)物進行了成分分析。從而更好的推斷反應(yīng)機理及驗證實驗。圖3.10是對

97、在30 ℃和80 ℃下腐蝕產(chǎn)物分析的XRD曲線。</p><p>　　圖 3.10 在30℃和80℃下產(chǎn)物的XRD圖譜</p><p>　　Fig.3.10 The XRD characteristic curve of the product at 30℃ and 80℃</p><p>　　由圖可知，在30 ℃的腐蝕產(chǎn)物主要有FeO(OH)、Fe3O4以及Fe2

98、O3，其中Fe3O4產(chǎn)物可以在一定條件下形成保護膜；而FeO(OH)、和Fe2O3均是疏松的腐蝕產(chǎn)物，并且附著力較低。由80 ℃腐蝕產(chǎn)物的XRD圖譜可以得知，兩種鋼材的主要成分是Fe3O4和Fe2O3，主要由于FeO(OH)性能不穩(wěn)定，溫度升高使得FeO(OH)受熱分解，轉(zhuǎn)化為其他類型的鐵的氧化物。由此可知，溫度不僅影響材質(zhì)的腐蝕速率，同時還影響腐蝕產(chǎn)物的類型。</p><p><b>　　3.3 電化

99、學(xué)分析</b></p><p>　　圖3.11 20#鋼和L360鋼在濃度為3.5%的NaCl溶液中塔菲爾曲線</p><p>　　Fig.3.11 Tafel curve of 20# steel and L360 steel in NaCl solution with concentration of 3.5%</p><p>　　表3.1 極化曲線

100、擬合結(jié)果</p><p>　　Tab.3.1 The results of Tafel fitting</p><p>　　對圖3.11極化曲線擬合可得兩種材質(zhì)腐蝕電流密度與腐蝕電位結(jié)果如表3.1所示，其中L360鋼的極化電流小于20#鋼的極化電流，并且L360鋼腐蝕電位低于20#鋼。雖然通過高溫高壓腐蝕實驗沒法區(qū)分兩種材質(zhì)的耐蝕性能，但由于L360鋼中含有一定量的微觀元素，在極少量氧的條

101、件下，微觀元素的作用使得L360的耐蝕性比20#更好。</p><p><b>　　3.4 小結(jié)</b></p><p>　　本章首先利用磁力驅(qū)動高溫高壓反應(yīng)釜模擬腐蝕環(huán)境，研究了氧含量、溫度及壓強對20#鋼和L360鋼腐蝕速率的影響，得出：在一定的溫度（80 ℃）和壓強（10 MPa）范圍內(nèi)，隨著氧含量的增加，腐蝕速率急劇增加；并且溫度與壓力的提高也導(dǎo)致腐蝕的變大。

102、由于腐蝕速率受氧擴散所控制，兩種材質(zhì)腐蝕速率沒有明顯的區(qū)別。</p><p>　　其次利用電化學(xué)工作站對兩種金屬的電化學(xué)性能進行了測試，通過測量它們的Tafel曲線，并處理實驗曲線擬合結(jié)果，得出兩種鋼材的極化電流和極化電壓，通過對比數(shù)據(jù)，看到L360鋼的極化電流（9.67×10-6 A/cm2）小于20#鋼的極化電流（6.91×10-5 A/cm2），得出結(jié)論，L360鋼的耐蝕性比20#鋼要好

103、。</p><p><b>　　第4章 結(jié)論</b></p><p>　　本文通過模擬油田的實際工況環(huán)境，分別對油田所提供的注氣驅(qū)套管用20#和L360兩種鋼材進行了高溫高壓反應(yīng)釜腐蝕實驗、電化學(xué)實驗、腐蝕產(chǎn)物XRD分析以及腐蝕形貌觀察等試驗，根據(jù)實驗數(shù)據(jù)及詳細(xì)分析結(jié)果得出了以下結(jié)論：</p><p>　?。?）20#與L360兩種鋼材在有氧

104、的條件下發(fā)生的是氧去極化腐蝕，氧含量為腐蝕的主導(dǎo)控制因素，并且材質(zhì)的腐蝕速率隨著氧含量的增加而急劇增加。所以油田在實際生產(chǎn)中應(yīng)該嚴(yán)格控制注空氣中的氧含量；</p><p>　?。?）由于材質(zhì)的腐蝕受氧的擴散所控制，因而兩種材質(zhì)在不同的溫度、壓力及氧含量情況下的腐蝕速率基本沒有區(qū)別，其腐蝕速率都隨著壓力、溫度的升高而升高；</p><p>　?。?）通過對20#和L360兩種金屬材質(zhì)的微觀腐

105、蝕形貌觀察，發(fā)現(xiàn)兩種金屬在模擬的腐蝕環(huán)境中發(fā)生著均勻腐蝕與點蝕，微觀形貌可以看出L360表面點蝕程度更輕；根據(jù)電化學(xué)結(jié)果可知，L360腐蝕電流密度要小于20#鋼，耐點蝕性能更好。</p><p>　?。?）利用XRD衍射儀分別分析了20#和L360兩種材質(zhì)在高溫與低溫下的腐蝕產(chǎn)物成分，腐蝕產(chǎn)物主要是Fe3O4和Fe2O3，另外在低溫時，還出現(xiàn)不太穩(wěn)定的FeO(OH)，說明溫度不僅影響腐蝕速率，還影響腐蝕產(chǎn)物成分。

106、</p><p><b>　　致 謝</b></p><p>　　首先，衷心感謝指導(dǎo)老師胡松青教授。我為自己能夠進入胡老師的課題組做畢業(yè)設(shè)計而感到榮幸。在完成畢業(yè)設(shè)計的這幾個月里，在老師和師兄的指導(dǎo)下，自己親自動手系統(tǒng)的去做一件事，這很難得。短短的3個多月，每次聽胡老師的指導(dǎo)及點評，都被老師嚴(yán)謹(jǐn)求實的工作態(tài)度及腳踏實地的工作作風(fēng)感動，老師多次強調(diào)，要通過專注做事來讓

107、我們自己的能力和認(rèn)知得到提升，對待求知和工作，老師是我們很好的榜樣，這使我受益匪淺。在此，向胡老師致以最崇高的敬意和深切的感激。</p><p>　　其次，在完成畢業(yè)設(shè)計的過程中，還要特別感謝孫霜青老師、王秀民老師、劉曉龍師兄和翁選洲師兄。在我們做實驗過程中，王秀民老師詳細(xì)給我們講解重要儀器，還有兩位師兄，每周都會多次問我的實驗進展并根據(jù)進度給出指導(dǎo)。這些都使我做實驗的過程中進展順利，另外最初遇到的儀器不熟悉、操

108、作不規(guī)范到后期完全可以自由操作。在完成論文的過程中，師兄同樣給了很多建議和指導(dǎo)，感謝兩位師兄的辛苦付出。</p><p>　　其次，這幾個月在實驗室，郝義磊師兄、程孟師兄也給了我很多指導(dǎo)，還有一起做畢設(shè)的同學(xué)，謝守猛、王俊答同學(xué)，在生活和學(xué)習(xí)中也給了很多幫助。同樣感謝各位同學(xué)及師兄。</p><p>　　最后，要感恩父母這么多年的養(yǎng)育，感謝家人一路的支持。同樣感謝自己能夠一路走到現(xiàn)在。&l