石油与天然气化工  2016, Vol. 45 Issue (2): 55-57
L245钢在气田模拟水溶液中的氢渗透行为研究
袁曦 1, 蒙恬 2, 石磊 3, 张强 1, 谷坛 1, 肖杰 1, 江晶晶 1, 汪枫 1, 易大森 4     
1. 中国石油西南油气田公司天然气研究院;
2. 西南石油大学石油与天然气工程学院;
3. 中国石油西南油气田公司川东北天然气项目部;
4. 中国石油天然气第七建设公司
收稿日期：2015-07-08
基金项目：国家863项目“酸性油气田管道腐蚀安全智能监测系统”(2007AA06Z206)
作者简介：袁曦(1982-)，工程师。现就职于中国石油西南油气田公司天然气研究院，从事酸性气田腐蚀与防护工作。E-mail：yuanxi@petrochina.com.cn E-mial:yuanxi@petrochina.com.cn.
摘要：采用Devnathan-Stachurski双电解池技术，在饱和硫化氢的气田模拟水溶液中，测定了不同条件下L245钢的扩散系数(D)和可扩散原子氢浓度(C0)，研究了缓蚀剂CT2-19对原子氢渗透的影响。结果表明，在试验条件下，L245钢可扩散原子氢浓度(C0)与充氢电流(I)呈线性关系，即C0 =0.63+0.12I；缓蚀剂CT2-19在试验浓度下对L245钢原子氢渗透有明显的抑制作用。
关键词：L245钢    氢致开裂    原子氢浓度    原子氢渗透    
Hydrogen permeation of L245 pipeline steel in hydrogen sulfide-saturated aqueous solution of natural gas field
Yuan Xi1 , Meng Tian2 , Shi Lei3 , Zhang Qiang1 , Gu Tan1 , Xiao Jie1 , Jiang Jingjing1 , Wang Feng1 , Yi Dasen4     
1. Research Institute of Natural Gas Technology, PetroChina Southwest Oil and Gasfield Company, Chengdu 610213, China;
2. College of Oil and engineering, Southwest Petroleum University, Chengdu 610500, China;
3. Northeastern Sichuan Project Department, PetroChina Southwest Oil and Gasfield Company, Dazhou 636164, China;
4. China Petroleum and Natural Gas Company of the Seventh Construction, Qingdao 266300, China
Abstract: By an electrochemical method of Devnathan-Stachurski, hydrogen permeation(D) and hydrogen content(C0) in L245 pipeline steel during cathodic charging with hydrogen were measured, and the effect of inhibitor CT2-19 for L245 pipeline steel hydrogen permeation was evaluated. Experimental results showed that during dynamically charging with hydrogen of L245 pipeline steel in field simulation solution, the concentration of diffusible hydrogen(C0) is directly proportional to cathodic current(I), i.e, C0 =0.63+0.12 I; inhibitor CT2-19 is a good inhibitor for inhibiting hydrogen permeation at the experimental concentration.
Key Words: L245 pipeline steel    hydrogen induced cracking    hydrogen concentration    hydrogen permeation    

硫化物应力腐蚀(SSC)和氢致开裂(HIC)是造成含硫输气管道腐蚀破坏的两种主要方式。研究表明，这种腐蚀破坏是由原子氢进入钢中而导致的，其本质是一种特定氢环境下的氢致开裂。近年来，随着高含硫气田的开发，越来越多的含硫区块采用L245钢作为主要的输送管道材质。虽然许多研究者对管线钢氢致断裂进行了研究并取得了一定成果[1-4]，但模拟气田现场环境，对L245钢的原子氢渗透行为进行研究，目前尚未见报道。本实验采用Devnathan-Stachurski双电解池技术，探讨了原子氢在L245钢中的渗透性能，对预防含硫气田L245钢硫化物应力腐蚀开裂和氢致开裂具有一定意义。

1 实验

实验采用L245钢，其化学组分如表 1所示。

表 1    L245钢化学成分 Table 1    Chemical composition of L245 steel

实验溶液为用分析纯试剂和蒸馏水配制的某气田模拟水溶液。溶液组分如表 2所示。

表 2    气田模拟水分析数据 Table 2    Analysis data of gas field water

氢渗透试验采用Devnathan-Stachurski双电解池技术来测量腐蚀过程中原子氢的渗透[5]，氢渗透实验装置如图 1。

图 1     氢渗透实验装置 Figure 1     Hydrongen permeation test device

实验前，将钢依次经过砂纸打磨至1000# -水洗-乙醇丙酮洗净吹干-1:1盐酸中浸泡3 min-水洗-6 mol/L NaOH中浸3 min-水洗吹干。

钢的一面镀镍，镀镍液为150 g/L NiSO4·7H2O+15 g/L NH4Cl+15 g/L H3BO3。镀镍电流为5 mA/cm2，时间10 min。

实验溶液加入前，镀镍侧在0.2 mol/ L NaOH溶液中钝化24 h以上，使背景电流密度小于3 μA/ cm2。

氢渗透试验时，将钢片置于两电解池之间，充氢端为饱和硫化氢的气田模拟水溶液，另一端为0.2 mol/L NaOH溶液。测量阳极电流I，绘制I随时间的变化曲线(即氢渗透曲线)，可求出原子氢扩散系数(D)以及进入钢的可扩散的原子氢浓度C0 [6]。

$ D = \frac{{{L^2}}}{{6{t_{0.63}}}} $ (1)
$ {C_0} = \frac{{1.31 \times {{10}^{ - 6}}{I_\infty }L}}{{DS}} $ (2)

式中：L为钢厚度，cm；I∞为饱和阳极电流，μA；t0.63为原子氢渗透曲线上与I=0.63I∞所对应的时间，s；S为钢阳极端面积，cm2。

2 结果与讨论

L245钢在不同充氢电流I下，用氢渗透法测得的原子氢渗透曲线如图 2所示。

图 2     25 ℃，不同充氢电流下，L245钢在饱和硫化氢气田模拟水溶液中的原子氢渗透曲线 Figure 2     Permeation curves in hydrogen sulfide-saturated aqueous solution of gas field at 25 ℃

从试验结果可以看出，原子氢渗透电流的变化与阴极极化电流密切相关。随着阴极极化越负，原子氢渗透电流逐渐增加。当阴极极化电流较小时，原子氢渗透电流缓慢增加；阴极极化电流较大时，原子氢渗透电流急剧增加。这是因为在强阴极极化条件下，析氢反应起主要作用，电位越负，析氢反应越迅速，聚集在材料表面的氢原子浓度越高，原子氢渗透电流的增大就会越快，氢脆敏感性越高。

图 3和图 4分别为扩散系数D、可扩散原子氢浓度C0随充氢电流I的变化。

图 3     扩散系数D随充氢电流I的变化 Figure 3     Diffusible coefficient D vs cathodic current I

图 4     可扩散原子氢浓度C0随充氢电流I的变化 Figure 4     Concentration of diffusible hydrogen C0 vs cathodic current I

扩散系数是表征材料性质的参数，与材料本身性质、温度有关。由图 3可知，25 ℃时，充氢电流I的变化对原子氢的扩散系数影响很小，L245钢原子氢扩散系数D均值为(1.13±0.12) ×10-6 cm2/s。

由图 4可知，充氢电流I增大，进入钢中的原子氢浓度C0升高。在试验条件下，L245钢可扩散原子氢浓度(C0)与充氢电流I呈线性关系，即C0=0.63+0.12 I。

图 5是25 ℃时，L245钢在饱和硫化氢气田模拟水溶液中的阳极电流-时间曲线。在约5 000 s的时候，此电流达到一稳定值13 μA/cm2，而此值即为饱和硫化氢气田模拟水溶液的原子氢渗透电流，说明在这种体系中，有明显的析氢反应。在12 000 s的时候，向溶液中加入100 mg/L的缓蚀剂CT2-19，此时电流值立刻减小，在500 s的时间内达到另一稳定值3 μA/cm2，低于饱和H2S气田模拟水溶液的原子氢渗透电流13 μA/cm2。可见，缓蚀剂CT2-19的加入，在一定程度上阻碍了原子氢的渗透，抑制渗氢率为76.92%。

图 5     原子氢渗透电流I-t曲线 Figure 5     Atomic hydrogen permeation current I vs time t

抑制渗氢率η ：

$ \eta {\rm{ }} = {\rm{ }}\frac{{\left( {I - I_a^0} \right) - \left( {{I_i} - I_a^0} \right)}}{{(I - T_a^0)}} \times 100\% = 76.92\% $ (3)

式中：I为空白溶液中原子氢渗透电流；Ia0为阳极残余电流；Ii为加入缓蚀剂后的原子氢渗透电流。

3 结论

(1) 25 ℃时，L245钢在饱和硫化氢某气田模拟水溶液充氢时，充氢电流对原子氢在钢中的扩散系数影响很小，钢原子氢扩散系数D均值为(1.13±0.12) ×10-6 cm2/s。

(2) 本实验条件下，L245钢中可扩散原子氢浓度C0随充氢电流I 增大而增加；钢中可扩散原子氢浓度C0与充氢电流I 呈线性关系，即：C0 =0.63+0.12I 。

(3) 缓蚀剂CT2-19对L245钢在某饱和硫化氢气田模拟水溶液中的原子氢渗透具有明显阻碍作用。

参考文献
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