新型输油气双金属复合管道腐蚀及可靠性分析-corrosion and reliability analysis of a new type of bimetallic composite pipeline for oil and gas transportation.docx

摘要随着高含硫油气田的大量开采，油气管网腐蚀的问题已成为研究的焦点。双 金属复合管不仅具有较高的机械力学性能和抗腐蚀能力，又可降低耐蚀合金管道 的成本，在高腐蚀性油气田中被广泛应用。由于国内双金属复合管使用技术标准 和耐蚀可靠性评价研究不足，焊缝的耐蚀性能评价尚未形成相应的标准，对双金 属复合管抗腐蚀性能和可靠性还需进一步研究。因此，开展复合管基管选材、内 衬管评价、复合管连接、结合强度评价等分析，有助于补充研究的不足，为双金 属复合管的应用提供依据。论文选题结合了能源企业实际应用的需求，同时涉及 到材料学、化学与化工、能源科学等多领域与学科，选题具有实际应用价值和基 础理论意义。本论文以在含 S2-、Cl-的油气输送环境中具有一定代表性的 316L-20G 机械式 双金属复合管材为研究对象，以寻求 316L-20G 双金属复合管抗腐蚀的技术作为研 究目的，以解释 316L-20G 双金属复合管的腐蚀机理为基础，以近代电化学研究方 法为手段，较为系统地研究了 316L-20G 双金属复合管内衬耐蚀合金在含 S2-、Cl- 腐蚀介质中的腐蚀情况与抗腐蚀技术，分析了多种腐蚀因素交互作用下的腐蚀机 理，研究了复合管连接处漏失状况下的电偶腐蚀行为，探讨了不同阴极极化条件 下基层金属与内衬合金的保护电位及机理，实验验证了复合管连接处合金元素迁 移扩散现象，分析了连接处元素迁移扩散机理与焊缝电化学腐蚀行为。根据研究 结果得出如下主要结论：① 复合管内衬合金 316L 和 304 号钢在 Na2S 腐蚀介质中，均表现出随着 Na2S 浓度的增加自腐蚀电位负移、腐蚀电流增加、腐蚀加剧；同时在中低温范围内， 随着温度的升高，自腐蚀电位负移、腐蚀电流增加，加快了管道腐蚀。借助化学 平衡移动的基本原理分析了 Na2S 浓度对腐蚀速度的影响；借助物质传递理论解释 了温度的升高对腐蚀性质的影响；②复合管内衬合金 316L 和 304 号钢在 S2-与 Cl-共存的腐蚀介质中，因金属表 面钝化膜具有一定的完整性，内衬合金的自腐蚀电位稍有正移，自腐蚀电流较低； 随着浸蚀时间延长，由于 Cl-在金属表面发生点蚀，金属表面钝化膜被破坏，自腐 蚀电流急剧增大。但当 Cl-浓度增加到一定程度，达到或超过 S2-浓度时，一定量的 Cl-优先与金属离子结合，阻碍了其它阴离子（S2-）参与电极反应，同时也使溶液 中吸附的氧减少，腐蚀电流逐步降低，腐蚀反而被抑制。③ 在 316L-20G 双金属复合管的基层金属及内衬合金的电偶腐蚀反应中，阴极过程为氧分子还原，它受氧分子扩散控制；阳极过程为金属原子氧化，受电子转移过程控制；两种材料间存在电位差，20G 处于阳极，即活性溶解状态；316L 处于阴极，即被保护状态；当复合管连接处发生漏失，对腐蚀介质中的 20G 和 316L 进行阴极保护时，两者具有电位差，316L 和 20G 在腐蚀介质中形成电偶腐蚀电池， 整体腐蚀加剧，在选择阴极电化学保护中，20G 和 316L 保护电位最好选在氧浓度 扩散区。④ 利用菲克定律及 EDS 元素扫描对 316L-20G 双金属复合管焊缝分析，研究 表明焊缝过渡层中合金元素被碳钢稀释，碳原子向 316L 不锈钢层和焊缝区域扩散， 同时 316L 和焊丝中的合金元素 Cr、Ni 向碳钢迁移。同时，焊缝过渡层对合金元 素的迁移起到了良好的隔离作用，保持了 316L 母材耐腐蚀性能，也降低了碳的活 度，阻碍了碳的扩散，保证了焊缝具有较好的机械性能。⑤ 通过对 316L-20G 双金属复合管焊缝组织进行电化学综合腐蚀实验，对比 交流阻抗谱的 Nyquist 图和 Bode 图，可以得出，316L-20G 双金属复合管焊缝在达 到交流阻抗最大后，阻抗略有减小直至相对稳定，其数量级仍然达到 105，焊缝具 有良好的抗腐蚀能力，可以在油气田污水输送管道中推广使用。关键词：复合管，腐蚀，电化学，管道，可靠性ABSTRACTWith the highly corrosive oil and gas fields of mining, oil and gas pipelines corrosion has become the focus of the study. Bimetal compound pipe not only has high mechanical properties and corrosion resistance, but also reduce the cost of corrosion resistant alloy pipes, which is widely used in highly corrosive oil and gas fields. Due to lack of