Исследование коррозионной стойкости конструкционных сталей в пластовой воде

УДК 669:620.193/197

С. Н. Виноградов, В. И. Волчихин, Е. В. Ширина, А. С. Мещеряков

ИССЛЕДОВАНИЕ КОРРОЗИОННОЙ СТОЙКОСТИ КОНСТРУКЦИОННЫХ СТАЛЕЙ В ПЛАСТОВОЙ ВОДЕ

Статья содержит описание коррозионных испытаний низкоуглеродистой, хромистой и нержавеющей сталей в пластовой воде. Приведены исследования скорости коррозии низкоуглеродистой и хромистой сталей в зависимости от катодного потенциала защиты. На основании полученных результатов установлено, что катодная электрохимическая защита данных сталей в пластовой воде является эффективной.

Введение

Очистка пластовой воды от нефти и твердых взвешенных частиц производится в отстойниках, которые изготавливаются из различных конструкционных сталей. Обычно в пластовой воде содержатся хлориды, сульфаты, сульфиды при разнообразном катионном составе, растворенные кислород, диоксид углерода, сероводород, нефтепродукты и механические примеси. Хлориды и сульфаты повышают коррозионную агрессивность пластовой воды. Адсорбируясь на поверхности металла, они образуют соединения, обладающие хорошей растворимостью, что приводит к увеличению скорости коррозии сталей. Пластовая вода способна вызывать общую или локальную коррозию различного вида конструкционных сталей. Достижение пассивного состояния низколегированных и среднелегированных сталей в таких электролитах затруднено, а в некоторых случаях вообще невозможно. Даже для высоколегированных хромом сталей пассивное состояние в данном электролите является не вполне устойчивым, из-за чего возможно появление питтинговой коррозии. Механические примеси, имеющиеся в пластовой воде приводят к усиленной коррозии конструкционных сталей, т.к. они способны разрушать поверхностную пленку, либо усиливают локальные коррозионные процессы вследствие возникновения пар дифференциальной аэрации [1].

Целью исследования является выявление особенностей электрохимического поведения низкоуглеродистых, хромистых и хромоникелевых сталей оборудования отрасли в пластовой воде и создание комплексного метода защиты от коррозии.

1 Методика эксперимента

Исследование проводилось в электролите следующего состава, близком по составу пластовой воде (г/л): №С1 - 48; Са - 7,4; Ка2С03 - 2,65; Ка2804 -

0,5; Ка28 - 0,08; механические примеси - 30; pH 6,54.

Коррозионные испытания конструкционных сталей проводились в стеклянной ячейке емкостью 0,2 л, которая термостатировалась. Исследованиям подвергались низкоуглеродистая сталь (Ст.3), хромистая сталь (08Х18Т) и нержавеющая сталь (08Х18Н10Т) по отдельности и образующие замкнутые системы.

Образцы зачищали наждачной шкуркой и затем травили в разбавленной соляной кислоте.

Исследования проводили без перемешивания электролита, с перемешиванием электролита, а также с перемешиванием электролита, содержащего

песок, в открытой и замкнутой емкостях при температуре 50 °С в течение 24 ч. Для перемешивания электролита применялось роторное перемешивающее устройство. Убыль массы (износ) образца определяли взвешиванием на аналитических весах с погрешностью измерения ±0,0001 г.

2 Результаты исследования

На рис. 1 представлены результаты испытаний низкоуглеродистой стали (Ст.3).

Рис. 1 Скорость коррозии Ст.3 в пластовой воде отдельно и в контакте со сталями 08Х18Т и 08Х18Н10Т: 1 - в закрытой емкости без перемешивания;

2 - в закрытой емкости с перемешиванием; 3 - в закрытой емкости с перемешиванием электролита, содержащего песок; 4 - в открытой емкости без перемешивания; 5 - в открытой емкости с перемешиванием;

6 - в открытой емкости с перемешиванием электролита, содержащего песок

Как видно из диаграммы (рис. 1), низкоуглеродистая сталь (Ст.3) в значительной степени подвержена коррозии. В закрытой емкости без перемешивания электролита скорость коррозии составляет 9,6 г/(м2-сут). При перемешивании электролита скорость коррозии увеличивается до 13 г/(м2-сут). Это связано с тем, что процесс коррозии Ст.3 в пластовой воде протекает с кислородной деполяризацией, и, следовательно, при увеличении скорости подвода кислорода к поверхности образца увеличивается скорость коррозии данной стали [2]. При перемешивании электролита, содержащего песок, скорость коррозии Ст.3 в замкнутой емкости составляет 18 г/(м2-сут). Увеличение скорости коррозии Ст.3 связано с дополнительным механическим изнашиванием поверхности образца.

В открытой емкости при всех вариантах испытаний скорость коррозии низкоуглеродистой стали выше, чем в замкнутой емкости. Так, скорость коррозии Ст.3 без перемешивания электролита в замкнутой емкости составляет 9,6 г/(м2-сут), а в открытой емкости - 22 г/(м2-сутки). Это связано с тем, что процесс коррозии Ст.3 в пластовой воде протекает с кислородной деполяризацией, и поэтому при увеличении диффузии кислорода к поверхности образца скорость коррозии данной стали увеличивается.

При контакте с хромистой и нержавеющей сталями Ст.3 в большей степени подвержена коррозии, по сравнению со скоростью коррозии Ст.3 от-

дельно. В контакте с хромистой сталью скорость коррозии Ст.3 увеличилась в среднем в 1,3 раза, а при контакте с нержавеющей сталью - в 1,5 раза. Повышение скорости коррозии Ст.3 при контакте с хромистой и нержавеющей сталями связано с образованием короткозамкнутого коррозионного элемента, в котором низкоуглеродистая сталь Ст.3 имеет более электроотрицательный потенциал и, следовательно, является анодом в данной системе, поэтому скорость коррозии Ст.3 увеличивается [4]. В открытой емкости скорость коррозии Ст.3 увеличилась в большей степени по сравнению со скоростью коррозии Ст.3 в закрытой емкости. Это связано с тем, что при достаточной аэрации хромистая и нержавеющая стали пассивируются и являются более эффективными катодными электродами, чем в замкнутой емкости, т.к. при недостатке кислорода пассивное состояние хромистой стали неустойчивое [5].

Различное ускорение коррозии в открытой и закрытой емкостях связано с различной диффузией кислорода к поверхности электрода. В открытой емкости аэрация больше, а это способствует увеличению скорости коррозии низкоуглеродистой стали.

Различное увеличение скорости коррозии Ст.3 при контакте с хромистой сталью, по сравнению со скоростью коррозии в контакте с нержавеющей сталью, связано с меньшей ЭДС коррозионного элемента Ст.3 - 08Х18Т (204 мВ), по сравнению с ЭДС коррозионного элемента Ст.3 - 08Х18Н10Т (324 мВ).

На рис. 2 приведены результаты коррозионных испытаний хромистой стали. Как видно из диаграммы, скорость коррозии хромистой стали (08Х18Т) меньше, чем низкоуглеродистой стали (Ст.3), однако данная сталь в пластовой воде подвержена питтинговой коррозии. В замкнутом объеме, т.е. при ограниченном доступе кислорода, скорость коррозии стали 08Х18Т несколько выше, чем скорость коррозии данной стали в открытой емкости. Так, скорость коррозии хромистой стали без перемешивания электролита в замкнутой емкости составляет 7,8 г/(м2-сут), а в открытой емкости - 6 г/(м2-сут). Это связано с тем, что для возникновения устойчивого пассивного состояния хромистой стали необходимо достаточное количество растворенного кислорода в системе [6]. При коррозии в замкнутой емкости аэрация недостаточна для образования прочной пассивной пленки на поверхности образца, поэтому в открытой емкости, при достаточной диффузии кислорода к поверхности, скорость коррозии стали 08Х18Т снижается. Наличие механических примесей в электролите увеличивает скорость коррозии стали в связи с дополнительным механическим изнашиванием и разрушением пассивной пленки.

При контакте с нержавеющей сталью скорость коррозии хромистой стали увеличилась незначительно по сравнению со скоростью коррозии хромистой стали отдельно. Это связано с небольшим значением ЭДС коррозионного элемента «хромистая сталь - нержавеющая сталь», которое составляет 120 мВ.

В контакте с низкоуглеродистой сталью скорость коррозии хромистой стали несколько ниже, чем скорость коррозии хромистой стали в отдельности. Это вызвано образованием короткозамкнутого коррозионного элемента, в котором Ст.3 играет роль анода. Следовательно, при таком контакте хромистая сталь находится в условиях электрохимической защиты.

Результаты коррозионных испытаний стали 08Х18Н10Т представлены на рис. 3.

Рис. 2 Скорость коррозии стали 08Х18Т в пластовой воде отдельно и в контакте со сталями 08Х18Н10Т и Ст.3: 1 - в закрытой емкости без перемешивания;

2 - в закрытой емкости с перемешиванием; 3 - в закрытой емкости с перемешиванием электролита, содержащего песок; 4 - в открытой емкости без перемешивания; 5 - в открытой емкости с перемешиванием;

6 - в открытой емкости с перемешиванием электролита, содержащего песок

10

I Н~~I I Н~~I I И~п I И—I

1 2 3 4 5 6

Условия протекания коррозии

скорость коррозии стали 08Х18Н10Т отдельно

^ скорость коррозии стали 08Х18Н10Т в контакте со сталью 08X18Т

скорость коррозии стали 08Х18Н10Т в контакте с ст.З

Рис. 3 Скорость коррозии стали 08Х18Н10Т в пластовой воде отдельно и в контакте со сталями 08Х18Т и Ст.3: 1 - в закрытой емкости без перемешивания;

2 - в закрытой емкости с перемешиванием; 3 - в закрытой емкости с перемешиванием электролита, содержащего песок; 4 - в открытой емкости без перемешивания; 5 - в открытой емкости с перемешиванием;

6 - в открытой емкости с перемешиванием электролита, содержащего песок

Как видно из диаграммы (рис. 3) нержавеющая сталь (08Х18Н10Т) при коррозии отдельно и в контакте с хромистой сталью во всех вариантах коррозионных испытаний мало подвержена коррозии, скорость изнашивания составляет в среднем 3,8 г/(м2-сут). При контакте с низкоуглеродистой сталью скорость коррозии нержавеющей стали снижается. Это связано с образованием коррозионного элемента, в котором нержавеющая сталь является катодом.

Основываясь на полученных результатах коррозионных испытаний, можно предположить, что устойчивого пассивного состояния хромистой стали в данных условиях не наступает, поэтому возможно применение для ее защиты электрохимической катодной защиты.

Для подтверждения возможности применения катодной электрохимической защиты были проведены исследования скорости коррозии низкоуглеродистой (Ст.3) и хромистой (08Х18Т) сталей в зависимости от катодного потенциала защиты. Для этого образцы подключали к отрицательному полю-

су источника постоянного тока. В качестве вспомогательного электрода использовали нерастворимый графитовый анод. По результатам данного исследования построена зависимость скорости коррозии Ст.3 и стали 08Х18Т от катодного потенциала защиты (рис. 4).

25

& 20

15

10

О

о

1

.2

Е ст —і 1 * Г* Е ст

400 450 500 550 600 650 700 750 800

Потенциал защиты -Е, мВ

Рис. 4 Зависимость скорости коррозии низкоуглеродистой (1) и хромистой (2) сталей от катодного потенциала защиты

Как видно из графика (рис. 4), при смещении потенциала в отрицательную сторону скорость коррозии уменьшается и при определенном потенциале становится практически равной нулю. Для Ст.3 значение такого потенциала равно (-790) мВ, для стали 08Х18Т - (-600) мВ.

На основании полученных данных можно сделать вывод, что катодная электрохимическая защита конструкционных сталей в пластовой воде нефтегазовой промышленности является эффективной.

Заключение

Установлено, что в пластовой воде Ст.3 подвержена сильной коррозии как в закрытой, так и в открытой емкости. При механическом контакте с нержавеющей и хромистой сталью скорость коррозии Ст.3 увеличивается за счет работы коррозионного гальванического элемента, в котором Ст.3 является анодом. Хромистая сталь в меньшей степени подвергается коррозии, при контакте с нержавеющей сталью скорость коррозии несколько увеличивается за счет работы коррозионного элемента. Нержавеющая сталь является коррозионноустойчивой в пластовой воде отдельно и в контакте с Ст.3 и хромистой сталью.

Катодная электрохимическая защита значительно повышает коррозионную стойкость Ст.3 и хромистой стали. Поэтому для изготовления отстойников необходимо применять нержавеющую сталь либо Ст.3 или хромистую сталь с дополнительной катодной электрохимической защитой.

Список литературы

1. Коррозионная стойкость оборудования химических производств. Нефтеперерабатывающая промышленность / под ред. А. М. Сухотина. - Л. : Химия, 1990. - 400 с.

2. Томашов, Н. Д. Теория коррозии и защиты металлов / Н. Д. Томашов. - М. : Изд-во Академии наук, 1960. - 590 с.

3. Томашов, Н. Д. Теория коррозии коррозионно-стойкие конструкционные сплавы / Н. Д. Томашов, Г. П. Чернова. - М. : Металлургия, 1986. - 360 с.

4. Жук, Н. П. Курс теории коррозии и защиты металлов / Н. П. Жук. - М. : Металлургия, 1976. - 472 с.

5. Семенова, И. В. Коррозия и защита от коррозии / И. В. Семенова, Г. М. Фло-рианович, А. В. Хорошилов ; под ред. И. В. Семеновой. - М. : ФИЗМАТЛИТ, 2002. - 336 с.

6. Виноградов, С. Н. Электрохимическое поведение конструкционных сталей в пластовой воде нефтегазовой промышленности / С. Н. Виноградов, Е. В. Ширина // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. - 2007. - № 6 (33). -С. 135-140. - (Естественные науки).