L360钢在H2S--CO2--Cl-体系中的腐蚀机理研究
随着我国石油工业的发展，利用管道远距离输送石油、天然气成为目前运输石油天然气资源的主要手段。L360钢因其具有优异的力学性能与经济效益常用作石油与天然气集输管道。但存在于油气田采出液中的H2S和CO2气体与运输介质中存在的Cl-产生协同作用会导致管道的腐蚀，对安全运输和环境保护造成严重威胁。因此，研究L360钢在H2S-CO2-Cl-体系中的腐蚀机理可对油气管道的防护措施提供依据。目前人们已经对H2S-CO2-Cl-的腐蚀行为进行了较多的宏观研究，但是随着科技的发展，研究的重点已经从宏观转向微观，利用微观研究的手段有助于更进一步地从本质上揭示腐蚀机理。量子力学作为一种有效的方法，可以从分子和原子尺度上认识腐蚀动力学。利用量子力学模拟方法对H2S-CO2-Cl体系的腐蚀机理进行微观方面的研究，将更进一步加深入们对于该腐蚀体系的理解，并为油气田腐蚀防护技术的发展提供参考。本文基于数值模拟从微观层面探究腐蚀发生时L360管线钢在H2S-CO2-Cl-环境中的腐蚀状况，并结合室内实验对模拟结果进行了初步验证。主要研究内容如下: （1）以密度泛函理论和第一性原理为计算原理，基于分子热力学建立了H2S、CO2和Cl-在L360钢表面的吸附模型。以吸附能为模型稳定的指标，筛选出不同腐蚀性分子和离子吸附时的最稳定模型。在此基础上，以吸附能、功函数、偶极矩、态密度等表征手段，探究H2S、CO2和Cl-吸附于L360钢表面时对于腐蚀的影响。研究发现CO2、H2S之间存在一定的竞争和协同作用，两者共存会加速腐蚀的进程。另外，Cl-会导致CO2、H2S与金属之间的化学键变强，增大腐蚀倾向，但是不会改变CO2、H2S与金属之间的反应产物。 （2）基于分子动力学和气体溶解度建立H2S-CO2-Cl-体系的水溶液模型，以温度和能量的动态平衡为标准，筛选出符合分子动力学计算要求的腐蚀模型，依据界面结合能、态密度、差分电荷密度探究水溶液环境中温度、Cl-浓度的变化对反应体系产生的影响。结果表明温度的上升和Cl-浓度增大会破坏金属表面的化学键，更多的电子从金属一侧向着溶液中的腐蚀介质方向转移。同时还发现水溶液环境中的腐蚀产物主要为碳酸盐、硫化物和氯化物。 （3）利用高温高压反应釜进行L360钢的腐蚀实验，通过计算不同温度和Cl-浓度下L360钢片的腐蚀失重，结合SEM对腐蚀形貌进行观察，探究腐蚀速率的大小与温度和Cl-浓度的关系。基于腐蚀电化学原理进行不同温度和Cl-浓度下的电化学实验，通过研究极化曲线、阻抗谱和拟合电路的结果探寻腐蚀规律。实验表明，温度和Cl-浓度与腐蚀速率呈正相关，温度升高和Cl-浓度增大不仅会导致腐蚀电流密度的增大，还会削弱钝化膜的稳定性和耐蚀性。
L360钢;H2S-CO2-Cl-体系;密度泛函理论;第一性原理;腐蚀机理
西安石油大学
硕士
化学工程
李金灵
2023
中文
TG172
2023-08-28（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）