不同因素对Q235钢在H2S介质中腐蚀的影响研究

黄先球 郎丰军 程 鹏 庞 涛 马 颖 刘建容

(武汉钢铁(集团)公司研究院 湖北 武汉：430080)

不同因素对Q235钢在H2S介质中腐蚀的影响研究

黄先球 郎丰军 程 鹏 庞 涛 马 颖 刘建容

(武汉钢铁(集团)公司研究院 湖北 武汉：430080)

采用失重法和电化学方法研究了不同因素对Q235钢在H2S介质中腐蚀的影响，结果表明：H2S饱和的3%NaCl溶液中，Q235钢腐蚀速率随时间延长逐渐变小而后趋向平稳，随温度的升高出现先增大较快而后趋于平缓的变化规律；含3%NaCl的H2S溶液中，随着H2S浓度的增大，Q235钢的腐蚀速率出现先增大后减小的趋势。

Q235钢；H2S；腐蚀速率

0 引言

自上世纪60年代以来，国内外相继发现了一些高含量硫气田，有的硫气田H2S含量高达90%以上，因而开展了对高含量硫气田的开发研究与试采工作[1-4]。国内四川气田大部分属含硫气田，这些含H2S、高矿化度盐水的酸性气田在开发生产过程中不同程度地受到H2S酸性气体的腐蚀，特别是油气井进入生产开发后期，产水量增大，对生产井的液面以下部位和气液面造成相当严重的腐蚀。川中气田表现得尤为突出，发生油管腐蚀断裂，严重影响油气生产。南海西部石油公司W103-C油田N3井于1991年8月投产，投产后油田水中含H2S最高达4000mg/L(一般为1600mg/L)，Cl-含量16600mg/L，腐蚀性物质H2S、Cl-远远超过了API、NACE等有关规范的限定范围，海底输送原油的软管中含水20%-40%，工作温度60℃，工作压力1.3-1.5MPa，易发生SSCC和电化学腐蚀[5]。在石油工业的发展过程中，随着富含H2S气田的开发，H2S引起的腐蚀造成了巨大经济损失、材料浪费，且越来越引起人们的重视[6-8]。

本文采用失重法研究了不同因素对Q235钢在H2S介质中腐蚀速率的影响，并用动电位扫描对Q235钢在不同温度下H2S饱和溶液中的电化学行为进行了测试分析。

1 试验条件及方法

试验材质为Q235钢，试片尺寸为40.1 mm×21.0 mm×3.9mm，其化学成分见表1。

表1 试验钢的主要化学成分(wt%)

将试片依次用200目、400目、1000目砂纸打磨光亮，用无水乙醇、丙酮棉球擦试干净，冷风吹干后置于干燥器中备用。

在自制密封容器中加入一定体积的3%NaCl溶液，密封容器置于恒温的水浴中，试片挂入前，预先通氮气0.5h，然后将预处理好的试片挂入容器中密封，挂入试片后通H2S气体，试验过程中恒定温度为55℃。

试验完后试片用自来水冲洗，橡皮擦试，再用加入一定量缓蚀剂的15%HCl处理数分钟，用水冲洗，无水乙醇、丙酮擦试，冷风吹干后置于干燥器中备用。

材质在腐蚀介质中的腐蚀速度深度指标用下式计算：

式中：R为以深度表示的腐蚀速度(mm/a)；w0为腐蚀前试样的重量(g)；w1为腐蚀后试样的重量(g)；s为试样的表面积(m2)；t为试样的腐蚀时间(h)；d为金属的密度(g/cm3)。

2 试验结果与分析

2.1 时间对Q235钢在H2S介质中腐蚀速率的影响

55℃含3% NaCl 的H2S水溶液中腐蚀速率与时间的关系见图1。55℃常压H2S饱和的3%NaCl溶液中，Q235钢腐蚀速率随时间延长逐渐变小而后趋向平稳。在H2S水溶液环境中，腐蚀刚开始时，Q235钢的腐蚀产物主要为疏松的FeS膜，与Q235钢基体的吸附能力比较弱，随着时间延长，腐蚀产物膜变得致密，腐蚀产物膜保护性增强，阻碍了阳极氧化过程，使得Q235钢的腐蚀速率降低。

图1 H2S水溶液中不同时间Q235钢的腐蚀速率

图2 H2S水溶液中不同浓度下Q235钢的腐蚀速率

2.2 浓度对Q235钢在H2S介质中腐蚀速率的影响

浓度是H2S腐蚀问题的一个主要影响因素之一。55℃含3% NaCl的H2S水溶液中腐蚀速率与浓度的关系见图2，试验表明，H2S浓度从100mg/L增加到200mg/L，Q235钢腐蚀速率迅速增大，在300mg/L左右最大，随浓度增大，腐蚀速率下降，但直到400mg/L左右，腐蚀速率变化不大，400-800mg/L之间迅速下降，800mg/L以后，腐蚀速率基本保持不变。随着H2S浓度的增大，Q235钢的腐蚀速率出现先增大后减小的趋势，腐蚀速率并不一定随H2S浓度增大而增大。在H2S水溶液环境中，由于FeS膜的成膜速度快，Q235钢的主要腐蚀产物膜为FeS膜。H2S浓度较低时，腐蚀产物主要为疏松的FeS膜，由于与Q235钢基体的吸附能力比较弱，导致Q235钢的腐蚀速率随着H2S浓度增大而加快。随着H2S浓度的增大，Q235钢的腐蚀速率会出现一个最大值，由于当溶液中H2S浓度达到一定程度后，腐蚀产物膜主要为致密的FeS，这层致密的FeS产物膜能够很好的吸附在金属表面，阻碍了阳极氧化过程，使得Q235钢的腐蚀速率降低。

2.3 温度对Q235钢在H2S介质中腐蚀速率的影响

不同温度下，含3% NaCl的H2S饱和水溶液中，Q235钢腐蚀速率与温度的关系见图3。由图3可知，Q235钢的腐蚀速率随着温度的升高出现先增大较快而后趋于平缓的变化规律。随着温度的升高，溶液中H2S的溶解度逐渐增大，氢扩散速度加快，腐蚀电化学反应的阴极和阳极反应速率加快，金属离子的腐蚀溶解速率加快，而且在较低温度时，腐蚀产物主要为疏松的FeS膜，与Q235钢基体的吸附能力比较弱，Q235钢的腐蚀速率呈增大趋势。但是当温度继续升高后，H2S气体在溶液中的溶解度达到一定程度，抑制了电化学腐蚀反应过程，而且在较高温度时，腐蚀产物主要为致密的FeS膜，能够很好地吸附在金属表面，阻碍了阳极氧化过程，导致Q235钢的腐蚀速率趋于平缓。因此，Q235钢的腐蚀速率随着介质温度的升高呈现先增大较快而后趋于平缓的变化规律。

图3 H2S饱和水溶液中不同温度下Q235钢的腐蚀速率

图4 H2S饱和水溶液中不同温度下Q235钢的极化曲线(0,0’为55℃下的曲线；1,1’为40℃下的曲线；2,2’为30℃下的曲线)

2.4 极化曲线测试

Q235钢在30℃、40℃、55℃下H2S饱和溶液中的动电位极化曲线测试结果见图4。由图4可知，在30～55℃范围内，随着温度升高，Q235钢的腐蚀电流密度增大，说明随着温度升高，Q235钢的腐蚀速率增大。

3 结论

(1)常压H2S饱和的3%NaCl溶液中，Q235钢腐蚀速率随时间延长逐渐变小而后趋向平稳；

(2)含3%NaCl的H2S溶液中，随着H2S浓度的增大，Q235钢的腐蚀速率出现先增大后减小的趋势；

(3)含3% NaCl的H2S饱和水溶液中，Q235钢的腐蚀速率随着温度的升高出现先增大较快而后趋于平缓的变化规律。

[1] 余汉成，王裕康.高含硫气田的开发与卧63井先导试验[J].天然气工业，1996，16(3)：69-73.

[2] 吕建华，关小军，徐洪庆，等.影响低合金钢材抗H2S腐蚀的因素[J].腐蚀科学与防护技术，2006，18(2)：118-121.

[3] 李东霞，王克峰，苏玉亮.油气田开采过程中H2S腐蚀影响因素研究[J].石油钻探技术，2010，38(1)：93-97.

[4] 程姗姗，王金刚，王治国.油气田金属设备硫化氢腐蚀行为研究[J].石油钻探技术，2011，39(1)：32-35.

[5] 黄红兵.CT2-4水溶性油气井缓蚀剂的合成与应用研究[J].石油与天然气化工，1996，25(4)：231.

[6] 陈明，崔琦.硫化氢腐蚀机理和防护的研究现状及进展究[J].石油工程建设，2010，36(5)：1-5.

[7] 郑举，厉嘉滨，李敏，等.海上油田注水井套管腐蚀机理及腐蚀控制技术研究[J].全面腐蚀控制，2013，27(9)：61-66.

[8] 黄辉，马红莲，何仁祥，等.硫化氢对天然气管线内腐蚀的影响分析[J].管道技术与设备，2014，3(3)：34-38.

(责任编辑：李文英)

Effects of Different factors on Corrosion of Q235 Steel in H2S Solution

HUANG Xianqiu LANG Fengjun CHENG Peng PANG Tao MA Ying LIU Jianrong

(Research and Development Center of WISCO，Wuhan 430080，Hubei)

Effects of different factors on corrosion of Q235 steel in H2S solution were studied by loss-weight test and electrochemical methods. The results showed that in H2S solution of 3%NaCl the corrosion rate of Q235 steel decreased and became steady with time, increased and became steady with increase of temperature, increased at first and decreased with increase of H2S concentration.

Q235 steel； H2S； corrosion rate

2015-03-18

黄先球(1971～)，男，教授级高级工程师.E-mail:hangxq@wisco.com.cn

TG172.3+3

A

1671-3524(2015)02-0031-03