3 Cr钢在CO2环境中的腐蚀研究＊

张仁勇 漆亚全 施岱艳 陈勇彬 张金钟 鞠 岚

（1．中国石油集团工程设计有限责任公司西南分公司）

（2．中国石油天然气集团公司石油管工程重点实验室酸性气田管材腐蚀与防护研究室）

（3．中国石油塔里木油田分公司塔中项目经理部）

一些学者［1－5］在研究3Cr管线钢（w（Cr）为3%左右）的腐蚀方面已取得了成果，但对其耐蚀机理还尚未达到系统的认识，也没能明确规定其应用领域。本试验模拟中海油高温高压的CO2腐蚀环境，研究了3Cr钢的腐蚀速率、产物形貌及成分，为3Cr钢的现场应用提供了理论支持。

1 试验材料和方法

选用来自不同炉号的a、b两组3Cr钢（金相组织见图1）制作试样，每组三个试样分别编号1、2、3用于计算平均腐蚀速率，其尺寸均为80 mm×20 mm×2 mm，试样表面用砂纸逐级打磨，最后用800＃砂纸打磨，用丙酮和酒精清洗后干燥待用。将两组试样分别放入两台容积为3 L的磁力驱动反应釜中进行高温高压腐蚀模拟试验，试验温度为60℃，p（CO2）分压为1．5 MPa，用氮气增压至8．1 MPa，介质流速为1 m／s，试验时间为4天。模拟中海油某区腐蚀环境，腐蚀介质的化学成分见表1。

表1 腐蚀介质成分表Table 1 Corrosion medium composition （mg·L－1）

腐蚀试验完成以后，取出试片后先用自来水冲洗，然后放入丙酮中除油并用脱脂棉擦拭表面，接着放入无水乙醇中浸泡进一步脱脂脱水。将经过脱脂脱水的试片放入酸洗液中除膜，并用脱脂棉擦拭表面再放入干燥皿中，半小时后称量。采用式（1）计算3Cr钢的平均腐蚀速率：

式中：Rc为腐蚀速率，mm／a；W0、W1为腐蚀前、后挂片的质量，g；S为挂片的面积，m2；ρ为试验材料的密度，g／c m3；t为腐蚀时间，h。

未除膜的两片试样用N2保护，干燥后进行SEM和EDS分析。

2 试验结果与分析

2．1 腐蚀速率

模拟腐蚀试验结束后，取出试样进行分析，3Cr钢在本次模拟的腐蚀环境中呈现的是均匀腐蚀。清洗、干燥腐蚀试样，通过失重法计算试样的腐蚀速率见表2，a、b两组3Cr钢试样的平均腐蚀速率分别达到3．85、3．24 mm／a，这表明在此动态环境下，3Cr钢易发生较严重的均匀腐蚀。选取腐蚀最严重的a组2号试样进行表面形貌分析，如图2所示。

表2 a、b两组3Cr钢试样的腐蚀速率 （mm·a－1）Table 2 Corrosion rate of 3Cr steel samples of group a，b

2．2 腐蚀产物分析

Pighacampo的研究［6］表明，Cr的加入能使腐蚀产物膜由晶态向非晶态转变，主要成分包括非晶态的FeCO3、Cr（OH）3和 Cr2O3。在本次试验条件下，3Cr钢表面的腐蚀产物膜出现了两层（图2），外层是形状较规则的晶粒，内层则比外层更致密。EDS结果（图3和表3）表明，3Cr钢的外层结构主要是FeCO3晶粒，内层为含Cr产物膜。FeCO3晶体形状比较规则，但是堆垛疏松，分布不均，且存在空隙，附着力弱，在液体冲刷作用下，3Cr钢表面难以形成完整致密且具有保护性的腐蚀产物膜。

Fe CO3晶体下面出现了大面积的含Cr产物，大量研究证明这些含Cr化合物在脱水后会发生龟裂，容易脱落。本次试验中，3Cr钢的CO2腐蚀产物内层膜w（Cr）约48%，远高于基体的Cr含量。在腐蚀的过程中，由于基体金属被腐蚀溶解后，铁离子与溶液中的HCO3－或者CO32－结合形成沉淀物附着在基体表面形成FeCO3晶体，基体中的Cr保留下来形成Cr的化合物，通常情况下会是Cr（OH）3。

FeCO3在弱酸中不稳定，易水解，而Cr（OH）3的稳定性较好，能长时间附着在基体上。本次试验条件下，可能由于富Cr层的不致密，所以3Cr钢在整体上呈现较高的腐蚀速率。因此，在苛刻的CO2腐蚀环境下，可以采取适当的防腐措施配合3Cr钢的使用，如加注缓蚀剂。

表3 试验条件下3Cr钢不同区域的成分组成Table 3 Compositions of 3Cr steel in different areas under test conditions （%）

3 结论

（1） 两组3 Cr钢试样在60 ℃、p（CO2）1．5 MPa及介质流速为1 m／s腐蚀环境中呈现严重的均匀腐蚀，其腐蚀速率分别达到3．85 mm／a和3．24 mm／a。在较苛刻的CO2腐蚀环境中，可以采取适当的防腐措施配合3Cr钢的使用。

（2） SEM 和EDS检测结果表明，3 Cr钢的CO2腐蚀产物外层结构主要是堆垛疏松、分布不均的FeCO3晶粒，内层为含Cr的产物膜。

［1］ Bijan Ker mani，Juan Carlos Gonzales，Gustavo Lopez Turconi，et al．Develop ment of superior corrosion resistance 3%Cr steels f or downhole applications［C］．Paper 03116 presented at CORROSION 2003，March，2003，San Diego，CA，USA：NACE 2003 Inter national．

［2］ 郭少强，许立宁，常炜，等．3Cr管线钢CO2腐蚀实验研究［J］．金属学报，2011，47（8）：1067－1074．

［3］ 郑凯，麦迪娜·努尔买买提，张丽娜，等．油气开采过程中CO2腐蚀控制措施探讨［J］．石油与天然气化工 ，2011，40（4）：381－384．

［4］ 贾志军，杜翠薇，刘智勇，等．3Cr低合金钢在含饱和CO2的Na Cl溶液中的腐蚀电化学行为［J］．材料研究学报，2011，25（1）：39－44．

［5］ 胡丽华，张雷，许立宁，等．3Cr低合金管线钢及焊接接头的CO2腐蚀行为［J］．北京科技大学学报，2010，32（3）：345－350．

［6］ Pigliaca mpo L，Gonzales J C，Turconi G L．61st NACE Annual Confer．Houston：NACE，2006：06133．