·290· 北京科技大学学报 第36卷 高温高压条件下金属材料的C02腐蚀是石油 的传质速率与C0,腐蚀速率之间的关系.然而，目 天然气工业中普遍面临的问题，会引起油气开采设 前利用喷射装置所开展的研究大多基于常温常压环 备、输送管道和加工设施失效，导致严重的安全事故 境，这与油气田高温高压实际工况存在一定差距，所 和重大经济损失口.流体流态是CO,腐蚀的重要影 获研究成果的工业化应用存在一定局限性.因此， 响因素之一，它主要通过腐蚀介质传递和力学作用 利用喷射装置开展高温高压不同流态下CO2腐蚀 影响腐蚀过程.在实际生产中，当含有CO2的腐蚀 研究，是对现有研究成果的进一步补充和完善，满足 介质通过阀门、弯头和三通等复杂过流部件时，由于 工业化发展的新要求. 其几何形状的不规则会引起局部流体流态的急剧变 本文利用自主研发的高温高压环路喷射装置并 化，导致过流部件遭受电化学腐蚀和流体冲刷的协 结合流体动力学模拟计算，研究了高温高压C02环 同作用，存在极大的腐蚀失效风险-) 境流体喷射条件下X70钢的腐蚀行为，比较并分析 目前，研究者主要利用泥浆容器、旋转笼囿、 了X70钢在喷射不同位置处三维形貌的统计数据， 管道环路)、旋转圆盘电极网、喷射装置)等来模 明确流体喷射条件下不同流态腐蚀形貌差异的 拟研究流体流态对腐蚀的影响.其中，喷射装置被 原因. 认为是最有效的模拟研究手段，它不仅能实现在同 1 实验材料及方法 种环境条件下不同流体流态的模拟，而且结合流体 动力学模拟计算（computational fluid dynamics, 1.1实验材料 CFD),可深入了解分析流体流态对材料损伤过程及 实验材料为X70管线钢，其组织主要为铁素 影响机理o.Zhang和Cheng利用喷射装置及原 体(a-Fe)和渗碳体(FeC),化学成分见表1. 位电化学测试研究了常温常压条件下X65管线钢 图1所示为实验用高温高压环路喷射装置，流体 的C02腐蚀行为，发现不同流态下X65钢C02腐蚀 通过驱动泵在管路内循环流动，经喷嘴时以一定 过程的差异取决于流体对材料表面腐蚀产物作用的 速度持续喷射冲击试样表面，研究所采用实验参 差异.John等采用喷射装置研究得到了1020钢 数见表2. 表1实验用X70管线钢的化学成分（质量分数） Table 1 Chemical composition of the tested X70 pipeline steel % C Si Mn P Mo Ni Cu Nb Fe 0.055 0.20 1.52 0.008 0.004 0.21 0.22 0.280 0.057 Bal. 进气口 出气口 在环氧树脂中的X70钢试样用SiC砂纸逐级打磨至 1200",并用2000水磨砂纸抛光处理至镜面，丙酮除 喷嘴 油和去离子水清洗。 表2高温高压流体喷射实验参数表 Table 2 Parameters for jet impingement experiments under high temper ature and high pressure environment 实验参数 数值 总压力，Pa/MPa 0.8 流量计萄 旁路阀门 C02分压，Pco2MPa 0.8 实验温度，T/℃ 90 驱动泵 喷射速度，V/(ms1) 3 喷射角度，1() 90 图1高温高压环路喷射装置示意图 喷嘴直径，d/mm 2.5 Fig.I Schematic diagram of loop jet impingement apparatus under 喷嘴到试样垂直距离，H/mm 4 high temperature and high pressure environment 实验周期，t/h 24 喷射试样尺寸为0.8mm×0.8mm×8mm,工作 面积为0.64mm2,采用环氧树脂对试样进行封装， 实验介质为模拟某油气田采出液，用高纯去离 试样A、B、C和D分布如图2所示.实验前，对镶嵌 子水和分析纯化学试剂配制而成，其组分如表3所北 京 科 技 大 学 学 报 第 36 卷 高温高压条件下金属材料的 CO2 腐蚀是石油 天然气工业中普遍面临的问题，会引起油气开采设 备、输送管道和加工设施失效，导致严重的安全事故 和重大经济损失［1］． 流体流态是 CO2 腐蚀的重要影 响因素之一，它主要通过腐蚀介质传递和力学作用 影响腐蚀过程． 在实际生产中，当含有 CO2 的腐蚀 介质通过阀门、弯头和三通等复杂过流部件时，由于 其几何形状的不规则会引起局部流体流态的急剧变 化，导致过流部件遭受电化学腐蚀和流体冲刷的协 同作用，存在极大的腐蚀失效风险［2--4］． 目前，研究者主要利用泥浆容器［5］、旋转笼［6］、 管道环路［7］、旋转圆盘电极［8］、喷射装置［9］等来模 拟研究流体流态对腐蚀的影响． 其中，喷射装置被 认为是最有效的模拟研究手段，它不仅能实现在同 种环境条件下不同流体流态的模拟，而且结合流体 动 力 学 模 拟 计 算 ( computational fluid dynamics， CFD) ，可深入了解分析流体流态对材料损伤过程及 影响机理［10］． Zhang 和 Cheng［11］利用喷射装置及原 位电化学测试研究了常温常压条件下 X65 管线钢 的 CO2 腐蚀行为，发现不同流态下 X65 钢 CO2 腐蚀 过程的差异取决于流体对材料表面腐蚀产物作用的 差异． John 等［12］采用喷射装置研究得到了 1020 钢 的传质速率与 CO2 腐蚀速率之间的关系． 然而，目 前利用喷射装置所开展的研究大多基于常温常压环 境，这与油气田高温高压实际工况存在一定差距，所 获研究成果的工业化应用存在一定局限性． 因此， 利用喷射装置开展高温高压不同流态下 CO2 腐蚀 研究，是对现有研究成果的进一步补充和完善，满足 工业化发展的新要求． 本文利用自主研发的高温高压环路喷射装置并 结合流体动力学模拟计算，研究了高温高压 CO2 环 境流体喷射条件下 X70 钢的腐蚀行为，比较并分析 了 X70 钢在喷射不同位置处三维形貌的统计数据， 明确流体喷射条件下不同流态腐蚀形貌差异的 原因． 1 实验材料及方法 1. 1 实验材料 实验材料为 X70 管线钢，其组织主要为铁素 体( α － Fe) 和 渗 碳 体( Fe3 C) ，化学 成 分 见 表 1． 图 1 所示为实验用高温高压环路喷射装置，流体 通过驱动泵在管路内循环流动，经喷嘴时以一定 速度持续喷射冲击试样表面，研究所采用实验参 数见表 2． 表 1 实验用 X70 管线钢的化学成分( 质量分数) Table 1 Chemical composition of the tested X70 pipeline steel % C Si Mn P S Mo Ni Cu Nb Fe 0. 055 0. 20 1. 52 0. 008 0. 004 0. 21 0. 22 0. 280 0. 057 Bal． 图 1 高温高压环路喷射装置示意图 Fig． 1 Schematic diagram of loop jet impingement apparatus under high temperature and high pressure environment 喷射试样尺寸为 0. 8 mm × 0. 8 mm × 8 mm，工作 面积为 0. 64 mm2 ，采用环氧树脂对试样进行封装， 试样 A、B、C 和 D 分布如图 2 所示． 实验前，对镶嵌 在环氧树脂中的 X70 钢试样用 SiC 砂纸逐级打磨至 1200# ，并用 2000# 水磨砂纸抛光处理至镜面，丙酮除 油和去离子水清洗． 表 2 高温高压流体喷射实验参数表 Table 2 Parameters for jet impingement experiments under high temper￾ature and high pressure environment 实验参数 数值 总压力，Ptotal / MPa 0. 8 CO2 分压，PCO2 /MPa 0. 8 实验温度，T /℃ 90 喷射速度，V /( m·s － 1 ) 3 喷射角度，θ /( °) 90 喷嘴直径，d /mm 2. 5 喷嘴到试样垂直距离，H/mm 4 实验周期，t / h 24 实验介质为模拟某油气田采出液，用高纯去离 子水和分析纯化学试剂配制而成，其组分如表 3 所 · 092 ·