·1092· 工程科学学报，第40卷，第9期 uct film,FeCO,corrosion product chips and Fe,C are present on the steel. KEY WORDS carbon steel;flow loop:high speed gas:wet gas:localized corrosion 海底管道是海上油气田的重要组成部分，是连 破损的情况下，流体的冲刷使得外层腐蚀产物膜疏 续输送大量油（气）最快捷，最可靠的运输方式.因 松剥落.腐蚀产物膜破坏程度与流体的流速有紧密 其出入口温度、压力变化大，输运介质中含有C02、 的关系，流速越大腐蚀产物膜越易破裂.Su等 H,S、02、Cl等腐蚀性物质，海底管道遭受着巨大的 利用环路模拟低速湿气环境下环状流对碳钢底部腐 冲蚀一腐蚀风险.近年来，我国许多管道逐步进入了 蚀和顶部腐蚀.研究表明，环状流的液膜使得管道 中后期服役阶段，冲蚀一腐蚀风险呈上升趋势，多起 顶部FeCO3腐蚀产物膜减薄，导致顶部腐蚀速率略 海底故障中内腐蚀因素导致的占故障总数的比例呈 高于底部腐蚀. 上升趋势，已经接近50%.另一方面，天然气的生产 对于以气相为主湿气环境下碳钢的冲蚀，虽然 过程中，巨大的调峰需求促进储气设备快速的发展. 工程上有一些限制注采速度的经验公式，0).但 储气库具有库容大、安全性好、储转费低等优点.但 是实验室研究却并不完善.这是因为目前对于高气 在天然气注采的过程中，天然气中会携带一定量的 速冲刷腐蚀的模拟基本上通过壁面剪切力等方法进 行等效，再利用旋转笼或者冲击溅射装置进行实验 地层残留的钻井液、盐酸、凝析水、CO2以及H,S等 腐蚀介质.同时，由于储气库的注采流量通常很大， 室模拟2-)，而全水相的模拟与以气相为主的实际 因此储气库注采气流速很高，而高的气相流速必然 工况之间必然存在许多差异，这也导致了这些实验 会带来高的壁面剪切力，与腐蚀介质共同作用下，极 结果可能无法准确地反映高气速湿气环境中碳钢的 腐蚀行为及腐蚀机理.本文采用高温高压湿气环 易对储气库的注采管柱造成冲蚀腐蚀的风险.近年 来，许多专家针对C0,湿气环境下的顶部腐蚀进行 路，可以很好的模拟以高速气相为主的湿气腐蚀环 大量的研究，发现温度、C02浓度、气体流速和多相 境.通过环路实验，对L80钢在高速湿气环境下的 腐蚀行为和腐蚀机理进行了深入的研究.研究结果 流流态等因素均对腐蚀速率有一定的影响-习， 将会对天然气管道输送及储气库工艺设计提供大量 冲蚀腐蚀对管材的影响机理主要有以下3个方 的数据支撑及理论依据 面：电化学腐蚀、冲蚀以及腐蚀和冲蚀的交互作 用回.一方面，碳钢暴露于含有盐的水及C0,环境 1 实验材料及方法 中，金属表面会发生电化学反应，使得表面金属溶解 本实验所用材料为L80,其主要成分如表1所 发生腐蚀，并在金属表面形成腐蚀产物。另一方面， 示.试样呈圆环状，内径6mm,外径16mm.实验 管线内壁由液体流动和/或颗粒撞击引起冲蚀. 前，将试样用砂纸打磨到800°，随后用去离子水和 流体的流动对于金属的腐蚀具有促进作用，流体不 酒精清洗干净，吹干备用.所用溶液为某储气库的 仅加快了金属与介质之间的传热传质.同时，流体 采出液的模拟溶液，其成分为0.3g·L-的NaCl和 对金属表面产生的壁面剪切力能够改变金属表面腐 0.35gL-1的CaCl2 蚀产物膜的形态，以及金属表面的流体状态的.在 表1[80钢的化学成分（质量分数） 实际工程实践中，高速的天然气对于碳钢注采管柱 Table 1 Composition of the 180 steel % 存在冲蚀，存在导致管材失效的风险.Salam园报道 C Si Mn P Mo Ti Ni S Fe 了，实际工程中采气速度达到87ms1,最终管道连 0.240.221.190.0130.0210.0120.0280.004余量 接处因为天然气携带液滴的冲蚀而失效.Zheng 等)利用冲击溅射电化学装置研究了碳钢在NaCl 本实验所使用的实验装置是高温高压湿气腐蚀 溶液中的电化学表现.研究表明，碳钢在无固体颗 模拟实验环路.环路主体材料为316L不锈钢，结构 粒的NaCl溶液中，流速对于阴极反应的影响要大于 示意图如图1所示.该环路的运行模式为通过计量 阳极溶解.因此碳钢的开路电位随着流速的升高而 柱塞泵泵入溶液，与高压气体充分混合，然后利用大 向正向移动.Ruzic等圆利用旋转笼进行纯液相实 型风机驱动，使湿气通过试验段管道，腐蚀试样暴露 验，他认为化学溶解和机械冲刷相互交互作用使得 面平齐安置于试验段顶部.实验前将配好的溶液导 碳钢表面的FC0,腐蚀产物膜破损.化学溶解使得 入除氧罐中密封，持续不断的通入超纯C02进行溶 与金属基体接近的内层膜溶解，在内层腐蚀产物膜 液除氧.将实验段上的排气口与真空泵连接，利用工程科学学报，第 40 卷，第 9 期 uct film，FeCO3 corrosion product chips and Fe3C are present on the steel． KEY WOＲDS carbon steel; flow loop; high speed gas; wet gas; localized corrosion 海底管道是海上油气田的重要组成部分，是连 续输送大量油( 气) 最快捷，最可靠的运输方式． 因 其出入口温度、压力变化大，输运介质中含有 CO2、 H2 S、O2、Cl － 等腐蚀性物质，海底管道遭受着巨大的 冲蚀--腐蚀风险． 近年来，我国许多管道逐步进入了 中后期服役阶段，冲蚀--腐蚀风险呈上升趋势，多起 海底故障中内腐蚀因素导致的占故障总数的比例呈 上升趋势，已经接近 50% ． 另一方面，天然气的生产 过程中，巨大的调峰需求促进储气设备快速的发展． 储气库具有库容大、安全性好、储转费低等优点． 但 在天然气注采的过程中，天然气中会携带一定量的 地层残留的钻井液、盐酸、凝析水、CO2 以及 H2 S 等 腐蚀介质． 同时，由于储气库的注采流量通常很大， 因此储气库注采气流速很高，而高的气相流速必然 会带来高的壁面剪切力，与腐蚀介质共同作用下，极 易对储气库的注采管柱造成冲蚀腐蚀的风险． 近年 来，许多专家针对 CO2 湿气环境下的顶部腐蚀进行 大量的研究，发现温度、CO2 浓度、气体流速和多相 流流态等因素均对腐蚀速率有一定的影响［1--2］． 冲蚀腐蚀对管材的影响机理主要有以下 3 个方 面: 电 化 学 腐 蚀、冲蚀以及腐蚀和冲蚀的交互作 用［3］． 一方面，碳钢暴露于含有盐的水及 CO2 环境 中，金属表面会发生电化学反应，使得表面金属溶解 发生腐蚀，并在金属表面形成腐蚀产物． 另一方面， 管线内壁由液体流动和/或颗粒撞击引起冲蚀［4］． 流体的流动对于金属的腐蚀具有促进作用，流体不 仅加快了金属与介质之间的传热传质． 同时，流体 对金属表面产生的壁面剪切力能够改变金属表面腐 蚀产物膜的形态，以及金属表面的流体状态［5］． 在 实际工程实践中，高速的天然气对于碳钢注采管柱 存在冲蚀，存在导致管材失效的风险． Salam［6］报道 了，实际工程中采气速度达到 87 m·s － 1，最终管道连 接处因为天然气携带液滴的冲蚀而失效． Zheng 等［7］利用冲击溅射电化学装置研究了碳钢在 NaCl 溶液中的电化学表现． 研究表明，碳钢在无固体颗 粒的 NaCl 溶液中，流速对于阴极反应的影响要大于 阳极溶解． 因此碳钢的开路电位随着流速的升高而 向正向移动． Ｒuzic 等［8］利用旋转笼进行纯液相实 验，他认为化学溶解和机械冲刷相互交互作用使得 碳钢表面的 FeCO3 腐蚀产物膜破损． 化学溶解使得 与金属基体接近的内层膜溶解，在内层腐蚀产物膜 破损的情况下，流体的冲刷使得外层腐蚀产物膜疏 松剥落． 腐蚀产物膜破坏程度与流体的流速有紧密 的关系，流速越大腐蚀产物膜越易破裂． Sun 等［9］ 利用环路模拟低速湿气环境下环状流对碳钢底部腐 蚀和顶部腐蚀． 研究表明，环状流的液膜使得管道 顶部 FeCO3 腐蚀产物膜减薄，导致顶部腐蚀速率略 高于底部腐蚀． 对于以气相为主湿气环境下碳钢的冲蚀，虽然 工程上有一些限制注采速度的经验公式［6，10--11］． 但 是实验室研究却并不完善． 这是因为目前对于高气 速冲刷腐蚀的模拟基本上通过壁面剪切力等方法进 行等效，再利用旋转笼或者冲击溅射装置进行实验 室模拟［12--13］，而全水相的模拟与以气相为主的实际 工况之间必然存在许多差异，这也导致了这些实验 结果可能无法准确地反映高气速湿气环境中碳钢的 腐蚀行为及腐蚀机理． 本文采用高温高压湿气环 路，可以很好的模拟以高速气相为主的湿气腐蚀环 境． 通过环路实验，对 L80 钢在高速湿气环境下的 腐蚀行为和腐蚀机理进行了深入的研究． 研究结果 将会对天然气管道输送及储气库工艺设计提供大量 的数据支撑及理论依据． 1 实验材料及方法 本实验所用材料为 L80，其主要成分如表 1 所 示． 试样呈圆环状，内径 6 mm，外径 16 mm． 实验 前，将试样用砂纸打磨到 800# ，随后用去离子水和 酒精清洗干净，吹干备用． 所用溶液为某储气库的 采出液的模拟溶液，其成分为 0. 3 g·L － 1的 NaCl 和 0. 35 g·L － 1的 CaCl2 ． 表 1 L80 钢的化学成分( 质量分数) Table 1 Composition of the L80 steel % C Si Mn P Mo Ti Ni S Fe 0. 24 0. 22 1. 19 0. 013 0. 021 0. 012 0. 028 0. 004 余量 本实验所使用的实验装置是高温高压湿气腐蚀 模拟实验环路． 环路主体材料为 316L 不锈钢，结构 示意图如图 1 所示． 该环路的运行模式为通过计量 柱塞泵泵入溶液，与高压气体充分混合，然后利用大 型风机驱动，使湿气通过试验段管道，腐蚀试样暴露 面平齐安置于试验段顶部． 实验前将配好的溶液导 入除氧罐中密封，持续不断的通入超纯 CO2 进行溶 液除氧． 将实验段上的排气口与真空泵连接，利用 · 2901 ·