【腐蚀与防护】中国石油大学（华东）孙建波教授团队：CO2和H2S对镍基合金028点蚀敏感性及点蚀生长动力学的影响
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2024-10-10 17:36
重庆
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在酸性油气田勘探开发过程中，CO2、H2S和Cl−等腐蚀性物质的存在对井下管材的服役安全构成了重大威胁，同时也对材质的服役性能提出了更高的要求。为适应油气工业所面临的严重腐蚀环境，高性能耐蚀合金在过去几十年中得到了快速发展，其中镍基合金因其优异的耐蚀性在高含硫酸性油气田中获得了广泛应用。众所周知，镍基合金的良好耐蚀性能与其表面膜的保护性能密切相关。然而，在苛刻的井下腐蚀环境中，镍基合金的表面膜容易受到局部击穿的影响，而点蚀损伤则是镍基合金应用面临的重要失效形式之一。
中国石油大学（华东）孙建波教授团队以镍基合金028为研究对象，综合考虑表面钝化膜以及点蚀稳态生长对镍基合金点蚀性能的影响，采用循环极化曲线法、电化学阻抗法、莫特-肖特基曲线法及一维人工凹坑电极-电化学测试技术，研究在Cl−环境、CO2-Cl−环境和H2S-Cl−环境中镍基合金028的钝化膜性能及点蚀坑内金属溶解动力学，探讨CO2和H2S对镍基合金028点蚀敏感性和点蚀生长动力学的影响。
图1为镍基合金028分别在Cl−、CO2-Cl−环境和H2S-Cl−环境中的循环极化曲线。可见，在阳极区一定电位范围内，电流密度基本维持稳态。因此，在3种环境中镍基合金028均表现出明显的钝化行为，说明其表面能够形成钝化膜。相比于Cl−环境，CO2-Cl−环境中镍基合金028的循环极化曲线略微向下偏移，而H2S-Cl−环境中的极化曲线整体向电位负和电流增方向偏移，说明镍基合金028在H2S-Cl−环境中具有更高的腐蚀倾向。此外，在H2S-Cl−环境中，阳极极化曲线的钝化区电位范围明显缩小，而且电流密度波动幅度更大，说明镍基合金028表面形成的钝化膜的稳定性能更差。![]()
图2为在极化电位为0.8 V时镍基合金028一维人工凹坑电极的电流-时间变化曲线。可见，在极化初期，电流较大，电极溶解并形成一维人工凹坑，即点蚀坑。随着极化时间的延长，凹坑内形成盐膜，电流降低并趋于稳态。当电流趋近于极限扩散电流时，电流趋近于稳定值。此时，凹坑内电极溶解由活化极化控制转变为扩散控制。![]()
图2 在恒电位0.8 V极化条件下镍基合金028一维人工凹坑电极的电流与时间变化曲线图3为3种环境中不同凹坑深度下镍基合金028一维人工凹坑电极的向负向电位扫描曲线。随着扫描电位的降低，电流密度基本保持恒定。此时，凹坑内金属表面覆盖盐膜，金属溶解速率受到金属阳离子扩散控制。当电位降低至某一临界电位（红点标记处）时，电流密度开始降低。该临界电位处的电流密度即为极限扩散电流密度（jlim）。此时，凹坑内金属表面的盐膜完全消失，凹坑内金属溶解由扩散控制转变为电荷转移控制。此外，在临界电位上方，电位处存在电流密度轻微增加的现象，这与盐膜溶解造成凹坑内溶液中金属阳离子过饱和有关。![]()
图3 在不同环境中不同凹坑深度的镍基合金028一维人工凹坑电极的向负向电位扫描曲线1）CO2和H2S通过增加钝化膜的溶解速度、降低钝化膜电阻以及提高点蚀坑的形核能力，进而不同程度地增加镍基合金028的点蚀敏感性。相比于CO2-Cl−环境，H2S-Cl−环境中镍基合金028钝化膜稳定性能更差，并且具有更高的维钝电流密度、更低的点蚀电位和再钝化电位。H2S-Cl−环境中的钝化膜电阻和电荷转移电阻均远低于CO2-Cl−环境中的，并且H2S-Cl−环境中的钝化膜厚度更小。此外，H2S的加入使钝化膜中点缺陷密度增大。2）在稳态点蚀的生长阶段，当最大点蚀坑溶解电流密度相同时，CO2和H2S的存在均会降低镍基合金028实现点蚀稳态生长的门槛值（Emax），而H2S-Cl−环境中的Emax更低，进而更容易促进亚稳态点蚀向稳态点蚀发展。在相同的点蚀坑生长驱动力条件下，相比于CO2，H2S能够造成镍基合金028更高的最大点蚀坑溶解电流密度，因此在H2S-Cl−环境中镍基合金028具有更高的点蚀生长稳定性。该文章发表在《表面技术》第53卷第16期。
引文格式：席文强, 孙冲, 樊学华, 等. CO2 和 H2S 对镍基合金 028 点蚀敏感性及点蚀生长动力学的影响[J].表面技术, 2024, 53(16): 78-88.
XI Wenqiang, SUN
Chong, FAN Xuehua, et al. Effects of CO2 and H2S on
Pitting Sensitivity and Pitting Growth Kinetics of Nickel-based Alloy 028[J].
Surface Technology, 2024, 53(16): 78-88.
DOI：10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.16.006
