缓蚀剂对高氮钢在油田采出液中耐蚀性的影响*

许东饶，张旭昀，王万宝，宋 欢，任黎明，沈红杰

(东北石油大学 机械科学与工程学院，黑龙江 大庆 163318)

缓蚀剂对高氮钢在油田采出液中耐蚀性的影响*

许东饶，张旭昀，王万宝，宋 欢，任黎明，沈红杰

(东北石油大学 机械科学与工程学院，黑龙江 大庆 163318)

以Cr13钢为对比分析了熔炼制备的高氮钢金相组织，并通过动电位极化曲线及阻抗谱对高氮钢在油田含缓蚀剂介质中的电化学行为进行研究。结果表明，高氮钢的组织由索氏体和莱氏体组成，无偏析现象，高氮钢在油田采出液中的钝化区间宽，击穿电位高，钝化膜比Cr13钢更稳定。随着缓蚀剂浓度的增大，高氮钢维钝电流减小，电荷传递电阻增加，耐蚀性提高，但浓度增大到一定程度后，缓蚀效果增加不明显。

缓蚀剂；高氮钢；电化学

随着油气田的不断开采，人们开始采用水驱、CO2驱等技术提高油气田的产量，但同时也对钢材的性能提出了更高的要求，普通碳钢的性能已不能满足油气田生产的需要。不锈钢的耐蚀性及力学性能都十分优异，在油气田生产中的应用前景广阔。

向钢中加入氮不仅可以提高钢材的耐蚀性能，而且可以提高钢材的屈服强度等力学性能，因此高氮钢是不锈钢中极具应用价值的钢种，越来越多的科研人员对其进行了研究及开发[1-5]，但目前对高氮钢在油田环境中的耐蚀性能进行的研究不多；因此本文将模拟油田中添加缓蚀剂的环境，以Cr13钢作为对比对象，研究缓蚀剂对高氮钢耐蚀性的影响规律，为其在油田中的应用奠定一定的理论基础。

1 试验

采用真空等离子电弧炉，制备含氮量超过0.4%的高氮钢，利用线切割加工成为块状试样。对试样进行逐级打磨、抛光，利用硫酸铜溶液(CuSO44g+盐酸20 mL+H2O20 mL)对合金进行腐蚀，利用德国ZEISS Axiovert 25 CA金相显微镜观察金相组织。

采用美国Gamry PCI4/7500 电化学工作站对试样进行电化学测试，采用三电极系统(参比电极为饱和甘汞电极，辅助电极为铂电极)。EIS扫描频率为10 mHz～10 kHz，极化曲线扫描电位为-0.5～1.2 V，扫描速度为0.166 7 mV/s。试验介质为大庆油田某油井采出液，缓蚀剂为zk682，主要成分为咪唑啉，添加量分别为500、1 000、1 500 mg/L。

2 结果与讨论

2.1 金相组织

Cr13钢与高氮钢的金相组织如图1所示。从图1a可以看出，Cr13钢的组织主要马氏体和残余奥氏体组成，并且夹杂有一定的碳化物，高氮钢试样为熔炼后空冷，未进行热处理；从图1b可以看出，黑色的组织为索氏体，其余部分为莱氏体，组织分布均匀，没有偏析现象。

图1 Cr13钢与高氮钢的金相组织

2.2 电化学测试结果

2.2.1 高氮钢与Cr13钢电化学测试结果

高氮钢与Cr13钢在油田采出液中的动电位极化曲线如图2所示。从图2可以看出，2种不锈钢均表现出明显的钝化行为，其中，与Cr13钢相比，高氮钢的钝化区间大，击穿电位高，说明其在腐蚀介质中的钝化更加稳定，耐蚀性优异。

图2 高氮钢与Cr13钢在油田采出液中的极化曲线

2.2.2 不同缓蚀剂浓度高氮钢电化学测试结果

高氮钢在不同浓度的油田采出液中的极化曲线如图3所示。从图3可以看出，在不同缓蚀剂浓度的采出液中，高氮钢都只有一个稳定的腐蚀电位存在，腐蚀电位相差不大，且都表现出明显的钝化行为，钝化区间范围也基本一致，说明在不同溶液中高氮钢表面均形成良好的钝化膜。随着缓蚀剂浓度的不断增大，高氮钢钝化区间的维钝电流也在逐渐增加，电流越大，其腐蚀速率越快，说明随着缓蚀剂浓度的增大，高氮钢的腐蚀速率逐渐减小；但当缓蚀剂浓度>1 000 mg/L，其缓蚀效果不太明显。

图3 高氮钢在不同浓度缓蚀剂油田采出液中的极化曲线

高氮钢在不同浓度缓蚀剂油田采出液中的电化学阻抗谱如图4所示。从图4可以看出，在不同浓度缓蚀剂采出液中的阻抗谱均为单容抗弧，容抗弧的大小随着溶液缓蚀剂浓度的升高而增大，这表明随着缓蚀剂浓度的增高，高氮钢表面生成的钝化膜对高氮钢的保护能力逐渐增大。浓度为1 000和1 500 mg/L时其容抗弧半径相差不大，说明缓蚀剂浓度增大到一定程度，其缓蚀效果增加不明显，与前面极化曲线分析结果一致。

图4 高氮钢在不同浓度缓蚀剂油田采出液中的电化学阻抗谱

使用ZView软件对阻抗谱进行拟合，其等效电路如图5所示。其中，R1代表溶液电阻，Rct代表电荷传递电阻，CPEf代表与Rct并联的双电层电容。通过该等效电路得出的各项拟合数据见表1。从表1可以看出，Rct值随着缓蚀剂浓度的增大而增加，说明随着缓蚀剂浓度的增大，高氮钢在油田采出液中的耐蚀性增强，与前面极化曲线分析结果一致。

图5 腐蚀界面等效电路

表1等效电路拟合数据

缓蚀剂浓度/mg·L-1R1/Ω·cm2Rct/kΩ·cm2CPEf-T/10-4F·cm-2CPEf-P/F·cm-2041.883.97481.06450.8387850039.974.06831.30810.82302100041.765.34810.930680.82596150038.945.70521.07970.83857

3 结语

Cr13钢的组织为马氏体和残余奥氏体，高氮钢的组织由索氏体和莱氏体组成，且组织分布均匀。高氮钢在油田采出液中的钝化区间宽，击穿电位高，钝化膜稳定性明显优于Cr13钢，耐蚀性更好。

高氮钢钝化区间的维钝电流随着缓蚀剂浓度的增加而减小，电荷传递电阻不断变大，耐蚀性不断增强，但当缓蚀剂浓度增大到一定程度后，缓蚀效果增加不明显。

[1] 乔岩欣,刘飞华,任爱,等.高氮钢和321不锈钢的冲刷腐蚀行为[J].中国腐蚀与防护学报,2012,32(2):141-145.

[2] 张峰,李光强,朱诚意.高氮钢制备及焊接过程中氮的溶解与释放[J].材料与冶金学报,2006,5(1):14-19.

[3] Jargelius-Pettersson R F A. Electrochemical investigation of the influence of nitrogen alloying on pitting corrosion of austenitic stainless steels[J]. Corros.Sci.,1999,41:1639.

[4] 刘百臣.海洋石油平台设备风险维修策略研究[J].新技术新工艺，2014,(1):66-68.

[5] 刘百臣.海洋石油钻井平台防爆设备管理研究[J].新技术新工艺，2014,(2):63-66.

*国家科技重大专项十二五规划课题资助项目(2011ZX05016-003)大庆石油装备高新技术产业基地创新服务平台资助项目(2013GH530190)

责任编辑李思文

EffectsofCorrosionInhibitoronCorrosionResistanceofHighNitrogenSteel

XU Dongrao, ZHANG Xuyun,WANG Wanbao, SONG Huan, REN Liming, SHEN Hongjie

(School of Mechanical Science and Engineering, Northeast Petroleum University, Daqing 163318, China)

The microstructure of high nitrogen steel (HNS) was analyzed comparing with Cr13 steel in the paper. The corrosion behavior of HNS in oilfield produced fluid containing corrosion inhibitor was evaluated by means of potentiodynamic polarization curves and electrochemical impendence spectrum. The results show that the microstructure of HNS is composed of sorbite and eutectic ledeburite. The passive film of HNS is more stable than Cr13 steel because of high breakdown potential and wide passive region. The addition of corrosion inhibitor enhances the corrosion resistance of HNS with the increase of charge transfer resistance and the decrease of passive current, The effect of corrosion inhibitor will not so obvious when it’s addition is high enough.

corrosion inhibitor, high nitrogen steel, electrochemistry

TG 174

：A

许东饶(1991-)，男，本科，主要从事腐蚀与防护等方面的研究。

2014-01-13