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臺州淺談天然氣管道中的CO2腐蝕

作者:小編 瀏覽量:5481 時間:2024-03-06 00:00:00

信息摘要:

淺談天然氣管道中的CO2腐蝕, 隨著天然氣的開發(fā)利用,天然氣田相繼出現(xiàn),天然氣管網(wǎng)的日益增多,而管道遭受腐蝕也是最常見的現(xiàn)象,CO2腐蝕也就顯得越來越重要。 在天然氣的開發(fā)加工和輸送過程中,各類管道遭受腐蝕是最常見的現(xiàn)象,近...

   隨著天然氣的開發(fā)利用,天然氣田相繼出現(xiàn),天然氣管網(wǎng)的日益增多,而管道遭受腐蝕也是最常見的現(xiàn)象,CO2腐蝕也就顯得越來越重要。
    在天然氣的開發(fā)加工和輸送過程中,各類管道遭受腐蝕是最常見的現(xiàn)象,近年來,隨著天然氣的廣泛使用推廣,CO2腐蝕是油氣管道中常見的腐蝕類型,眾所周知,油氣管道有外腐蝕和內(nèi)腐蝕。從設(shè)計開始就對外腐蝕采取周密有效的措施,而對內(nèi)腐蝕只重視H2S的腐蝕,對CO2 腐蝕目前來說尚未得到行之有效的措施。其實CO2 也是造成內(nèi)腐蝕的一種重要原因,使得CO2 腐蝕問題變的日益突出。
    1.CO2 腐蝕的機理
    CO2腐蝕長期以來一直被認為是一個問題,而且已經(jīng)進行了廣泛的研究。干燥氣相CO2 本身不具有腐蝕性,CO2極易溶于水,當遇水時,一定量的CO2 將形成具有一定濃度的CO2 溶液——H2CO3(碳酸),H2CO3 和無機酸相比,因為它不能完全被溶解,所以它是一種弱酸。各種機理對腐蝕過程都進行了假設(shè),但都包含有CO2溶于水中所形成的碳酸或碳酸氫根離子——這導(dǎo)致的腐蝕速度比強酸中以相同pH值所得到的腐蝕速度還高。
    碳酸反應(yīng)的步驟可以概括如下:
    CO2(氣)+H2O= H2CO3
    碳酸水解:
    H2CO3 →H+ + HCO3-
    HCO3- → H+ + CO32-
    溶液中的H2CO3和Fe反應(yīng)促使Fe腐蝕:
    Fe  →Fe2+  + 2e    陽極反應(yīng)
    H+ + e →  H          陰極反應(yīng)
    2H  →  H2
    Fe + H2CO3  →  FeCO3  +  H2
    由于H2CO3 第二次水解非常微弱,所以認為H2CO3 溶液中主要存在H+ 和HCO3- 等離子,因此反應(yīng)生成物中大多數(shù)物質(zhì)不是FeCO3 而是Fe(HCO3)2 , Fe(HCO3)2 在一定溫度下發(fā)生分解。Fe(HCO3)2 →FeCO3 + H2O + CO2
    2.CO2腐蝕的影響因素
    CO2腐蝕受到眾多因素的影響,主要包括CO2分壓、溫度、pH值、介質(zhì)流速、碳酸鹽垢、蠟的作用等等。
    2.1.CO2分壓
    CO2溶解于水相生成H2CO3 ,與管道表面發(fā)生化學反應(yīng),產(chǎn)生CO2腐蝕。但是氣相CO2不會發(fā)生反應(yīng)。水中CO2含量與氣液平衡中CO2的分壓緊密相關(guān),因此,預(yù)測CO2腐蝕速度應(yīng)以氣相中的CO2分壓為基礎(chǔ)。
    嚴格的講,對CO2腐蝕產(chǎn)生重要影響的是CO2在水相中的熱運動,而不是他的濃縮度,這種運動將會隨水相中由化學成分決定的濃度而變化。通常認為,當CO2分壓超過20Kpa時,流體具有腐蝕性,這是一條判別準則。在較低溫度下(低于60℃),由于溫度較低,沒有完善的FeCO3 膜的保護不完全,出現(xiàn)坑蝕等局部腐蝕,其腐蝕速度也隨CO2分壓的增大而增大。在150℃左右,致密的FeCO3 保護膜形成,使腐蝕速度大為降低。
   2.2.溫度
    大量研究表明,介質(zhì)溫度是影響CO2腐蝕的一個重要因素。溫度高低影響著表面膜的性質(zhì)、特征和形貌,也影響著CO2腐蝕過程。根據(jù)溫度對腐蝕的影響,鐵的CO2腐蝕可分為:(1)t<60℃時,腐蝕產(chǎn)物膜為FeCO3 ,軟而無附著力,金屬表面光滑,主要發(fā)生均勻腐蝕;(2)t為60~110℃時,鐵表面可生成具有一定保護性的腐蝕產(chǎn)物膜,局部腐蝕較突出;(3)t為110℃時,均勻腐蝕速度較高,局部腐蝕嚴重(一般為深孔),腐蝕產(chǎn)物為厚而松的FeCO3 粗結(jié)晶;(4)t為150℃以上時,生成細致、緊密、附著力強的FeCO3 和Fe3O4 腐蝕速率較低。腐蝕速率先升高后又降低,其主要原因是由于在高溫時容易形成致密的腐蝕產(chǎn)物膜,阻隔了H2CO3 與金屬的接觸所引起。
    2.3.pH值
    pH值不僅影響電化學反應(yīng),而且還影響著腐蝕生成物與其他物質(zhì)的沉淀在特定條件下結(jié)合的水相物質(zhì)中的鹽分能夠緩沖pH值,從而減緩腐蝕速度,是保護膜和銹類物質(zhì)更容易生成。裸露的金屬表面是最易遭受腐蝕的,當pH值<4.5的情況下,溶液中H+的減少對陰極反應(yīng)起決定的作用,pH值高的情況下容易溶解的CO2含量對陰極反應(yīng)起到了決定性的作用。
    2.4.流速
    流速對CO2腐蝕較為復(fù)雜,高流速增大了腐蝕介質(zhì)到達金屬表面的傳質(zhì)速率,且高流速會阻礙表面成膜,隨著流速的增大,腐蝕速度增加,但隨著流速的增大,又能促進可鈍化金屬的鈍化過程,從而提高腐蝕性。另外,在介質(zhì)中含有氣液固三相共存且流動條件下,就能在鋼管表面產(chǎn)生沖刷腐蝕。
    2.5.碳酸鹽垢
    在CO2腐蝕工程中,腐蝕生成物FeCO3 或Fe3CO4以垢的形式在被腐蝕表面形成一層膜,從而減緩腐蝕的速度。這層垢膜的防護能力受許多因素的影響,例如碳酸鐵的溶解度(與pH值和其他鹽類的存在有關(guān))、膜垢下面的鋼鐵表面的腐蝕反應(yīng)速度以及鋼鐵表面的不同狀況(粗造程度、潔凈程度和初始的腐蝕狀況)。這種碳酸鹽垢保護膜可以被高濃度的氯化物和有機酸破壞,也可以被高速流體沖刷侵蝕。
    2.6.蠟的作用
    蠟在油管中的存在能通過兩種相異方式影響CO2,或者加劇腐蝕或者阻滯腐蝕進行,這取決于蠟層性質(zhì),并受流體力學性質(zhì)、溫度及其他物理因素的影響。沉積在鋼管表面的蠟會導(dǎo)致在無氧的CO2溶液中,在碳鋼表面腐蝕成一個個小深坑。這些小深坑基本沿著管線的底部分布,并且這些隨機的小坑在管線開始爬坡的時候更為密集,因為這個部位更易積存水分。一般認為腐蝕的機理通常是這樣:CO2在蠟層中擴散,并認為是提供了大型的陰極區(qū),它使蠟層不連續(xù)鋼鐵表面產(chǎn)生陽極溶解反應(yīng)。造成無蠟質(zhì)覆蓋部位的局部腐蝕。

    實際上,在天然氣管道設(shè)備中,以上的各種因素有可能同時存在,有可能相互影響。CO2腐蝕往往表現(xiàn)為全面腐蝕和典型的沉積物下方的局部腐蝕共同出現(xiàn)。CO2腐蝕受諸多因素的影響,包括環(huán)境、物理、冶金等因素,各因素都交互影響,且各影響程度不同,因此,開展CO2動態(tài)腐蝕及其保護技術(shù)研究有著重要意義。
 

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