充气条件下G105钢在NaCl溶液中腐蚀规律与防护措施的研究
在钻井的过程中，由于井下多属气、液、固多相混合流动的复杂状态，特别是O<,2>、CO<,2>的存在将导致钻具腐蚀更加严重，直接影响了钻井施工的进度和经济效益。为了解决这一问题，必须对O<,2>、CO<,2>的腐蚀规律作深入研究，并选择相应的缓蚀剂对钻具进行防护。
针对充气钻井中钻具的腐蚀，本文首先研究了卤水和3.5wt﹪NaCl溶液中O<,2>含量对G105钢腐蚀行为的影响，并研究了的共存对G105钢腐蚀速率的影响。失重实验结果表明：G105钢在卤水中主要发生的是氧腐蚀，其腐蚀速率与O<,2>含量有关；不同充气条件下G105钢在3.5wt﹪NaCl溶液中腐蚀规律受温度和O<,2>含量的影响：同一温度下腐蚀速率随着混合气体中02含量的增加而增大；G105钢在3.5wt﹪NaCl溶液中的腐蚀速率与溶解氧(DO)含量之间有很好的线性关系；同一充气条件下腐蚀速率随着温度的增加先增大后减小，并在338K附近有一个最大值；共存条件下的腐蚀速率小于两者单独存在时的腐蚀速率之和，其主要原因可能是因为O<,2>去极化的过程中中和了部分的H<'+>或者是因为试样表面腐蚀产物较多起到了一定的保护作用，从而导致腐蚀速率下降。
利用交流阻抗(EIS)技术研究了G105钢在不同介质条件下阳极、防极电极过程，并通过热力学公式推断不同介质条件下阳极、阴极反应。结果表明，在3.5wt﹪NaCl+10﹪O<,2>的介质条件下，G105钻具钢阳极反应主要为Fe→Fe<'2+>+2e，且反应受活化控制，阻极反应主要为1/2O<,2>+H<,2>O+2e→2OH<'->，且反应受扩散控制。在3.5wt﹪NaCl+40﹪CO<,2>的介质条件下，G105钻具钢阳极反应主要以Fe→Fe<'2+>+2e和Fe+HCO<,3><'->→FeCO<,3>+H<'+>+2e为主，且两个反应都受活化控制，阴极反应主要以2H<,2>CO<,3>+2e→2HCO<,3><'->+H<,2>和2HCO<,3><'->+2e→2CO<,3><'2->+H<,2>为主，且反应同时具有扩散控制和活化控制特征。在3.5wt﹪NaCl+10﹪O<,2>+40﹪CO<,2>的介质条件下，G105钻具钢阳极反应以Fe→Fe<'2+>+2e和Fe+HCO<,3><'->→FeCO<,3>+H<'+>+2e为主，陪极氧化过程同时具有扩散控制和活化控制特征，阴极反应主要以1/2O<,2>+2H<'+>+2e→H<,2>O或者2HCO<,3><'->+2e→2CO<,3><'2->+H<,2>为主，阴极过程受扩散控制。合理使用缓蚀剂是防止金属及其合金发生腐蚀的有效方法。
通过失重实验挑选CO<,2>和O<,2>共存条件下的缓蚀剂。三种咪唑啉类缓蚀剂均可有效地抑制G105钢在CO<,2>和O<,2>共存条件下的腐蚀，且缓蚀率均达80﹪以上。采用扫描电镜和体视显微镜观察试样在空白3.5wt﹪NaCt+10﹪O<,2>+40﹪CO<,2>溶液中和添加40mgg/L咪唑啉类缓蚀剂的腐蚀溶液中浸泡168h后的表面状况，结果表明，三种咪唑啉类缓蚀剂均能够很好的抑制G105钢在此介质中的腐蚀。
为了探讨缓蚀剂的作用机理，作者采用极化曲线法、交流阻抗法和循环伏安法对缓蚀剂的缓蚀机理进行了深入地研究。
(1)极化曲线显示，缓蚀剂是抑制阳极过程为主的混合型缓蚀剂。(2)交流阻抗法分析了缓蚀剂的成膜过程，其成膜过程分三个阶段：反应初期，缓蚀剂分子优先在阳极反应或阴极反应活性点上吸附：反应中期，咪唑基团和其他基团的竞争吸附逐渐达到了平衡，金属表面的腐蚀产物膜也不断增厚，电荷转移电阻和高频容抗弧半径随着时间的延长而不断增大；反应后期，吸附较不牢固的基团逐渐脱落，交流阻抗谱图的感抗弧消失。(3)咪唑啉类缓蚀剂的缓蚀性能主要通过吸附和与腐蚀产物成膜达到保护效果。(4)采用极化曲线法，循环伏安法分析了缓蚀剂的阳极脱附行为，结果表明，其中的两种咪唑啉类缓蚀剂均存在阻极脱附现象，当阳极极化电位超过-0.52V(vs.SCE，下同)左右时，极化电流迅速增大，缓蚀剂因发生大量脱附而失去对阳极过程的抑制；缓蚀剂的阳极脱附电位分别是-0.526V和-0.518V。另一种缓蚀剂没有明显的阳极脱附现象。
G105钢;二氧化碳;腐蚀规律;咪唑啉缓蚀剂;缓蚀机理
中国海洋大学
硕士
应用化学
杜敏
2007
中文
TE982
74
2007-08-27（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）