Вплив вуглекислого газу та газоконденсату на швидкість корозії сталі 20 у деаерованих розчинах NACE
Досліджено вплив газоконденсату на швидкість корозії сталі 20 у деаерованому та насиченому СО₂ розчині NACE. Виявлено, що з видаленням кисню шляхом проду- вання розчину азотом за перемішування та 50°С швидкість корозії сталі знижується на 11,5% порівняно з природно аерованим розчином. Після насич...
Gespeichert in:
| Datum: | 2013 |
|---|---|
| Hauptverfasser: | , , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Ukrainian |
| Veröffentlicht: |
Фізико-механічний інститут ім. Г.В. Карпенка НАН України
2013
|
| Schriftenreihe: | Фізико-хімічна механіка матеріалів |
| Online Zugang: | http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/136056 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Вплив вуглекислого газу та газоконденсату на швидкість корозії сталі 20 у деаерованих розчинах NACE / З.В. Слободян, Л.А. Маглатюк, Р.Б. Купович // Фізико-хімічна механіка матеріалів. — 2013. — Т. 49, № 3. — С. 34-38. — Бібліогр.: 5 назв. — укp. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
irk-123456789-136056 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
irk-123456789-1360562018-06-16T03:11:57Z Вплив вуглекислого газу та газоконденсату на швидкість корозії сталі 20 у деаерованих розчинах NACE Слободян, З.В. Маглатюк, Л.А. Купович, Р.Б. Досліджено вплив газоконденсату на швидкість корозії сталі 20 у деаерованому та насиченому СО₂ розчині NACE. Виявлено, що з видаленням кисню шляхом проду- вання розчину азотом за перемішування та 50°С швидкість корозії сталі знижується на 11,5% порівняно з природно аерованим розчином. Після насичення деаерованого розчину вуглекислим газом вона підвищується в 2,5 рази, а після додавання 20 vol.% газоконденсату та 20 vol.% метанолу в деаерованому розчині NACE зменшується у 8,5 рази, а в насиченому СО₂ – у 8,8 рази, що забезпечує ступінь протикорозійного захисту сталі 88…89%. Исследовано влияние газоконденсата на скорость коррозии стали 20 в де- аэрированном и насыщенном СО₂ растворе NACE. Выявлено, что после удаления кислорода продувкой раствора азотом при перемешивании и температуре 50°С она снижается на 11,5% в сравнении с естественно аэрированным раствором. С насыщением деаэрированного раствора углекислым газом повышается в 2,5 раза. После добавки смеси 20 vol.% газоконденсата и 20 vol.% метанола в деаэрированном растворе NACE она снижается в 8,5 раза, а в насыщенном СО₂ – в 8,8 раза, что обеспечивает степень противокоррозионной защиты стали на уровне 88…89%. The influence of gas condensate on steel 20 corrosion rate in deaerated and carbon dioxide saturated NACE solution was investigated. It was shown that oxygen elimination by nitrogen blowing of NACE solution decreases the steel 20 corrosion rate under mixing and at temperature 50°С by 11.5% in comparison with natural aerated NACE solution. Carbon dioxide saturation of deaerated NACE solution increases the corrosion rate in 2.5 times. Addition of 20 vol.% gas condensate and 20 vol.% methanol mixture decreases the steel 20 corrosion rate in deaerated NACE solution in 8.5 times and in saturated carbon dioxide in 8.8 times providing corrosion protection degree on the level 88…89%. 2013 Article Вплив вуглекислого газу та газоконденсату на швидкість корозії сталі 20 у деаерованих розчинах NACE / З.В. Слободян, Л.А. Маглатюк, Р.Б. Купович // Фізико-хімічна механіка матеріалів. — 2013. — Т. 49, № 3. — С. 34-38. — Бібліогр.: 5 назв. — укp. 0430-6252 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/136056 620.197.3 uk Фізико-хімічна механіка матеріалів Фізико-механічний інститут ім. Г.В. Карпенка НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Ukrainian |
| description |
Досліджено вплив газоконденсату на швидкість корозії сталі 20 у деаерованому та
насиченому СО₂ розчині NACE. Виявлено, що з видаленням кисню шляхом проду-
вання розчину азотом за перемішування та 50°С швидкість корозії сталі знижується
на 11,5% порівняно з природно аерованим розчином. Після насичення деаерованого
розчину вуглекислим газом вона підвищується в 2,5 рази, а після додавання 20 vol.%
газоконденсату та 20 vol.% метанолу в деаерованому розчині NACE зменшується у
8,5 рази, а в насиченому СО₂ – у 8,8 рази, що забезпечує ступінь протикорозійного
захисту сталі 88…89%. |
| format |
Article |
| author |
Слободян, З.В. Маглатюк, Л.А. Купович, Р.Б. |
| spellingShingle |
Слободян, З.В. Маглатюк, Л.А. Купович, Р.Б. Вплив вуглекислого газу та газоконденсату на швидкість корозії сталі 20 у деаерованих розчинах NACE Фізико-хімічна механіка матеріалів |
| author_facet |
Слободян, З.В. Маглатюк, Л.А. Купович, Р.Б. |
| author_sort |
Слободян, З.В. |
| title |
Вплив вуглекислого газу та газоконденсату на швидкість корозії сталі 20 у деаерованих розчинах NACE |
| title_short |
Вплив вуглекислого газу та газоконденсату на швидкість корозії сталі 20 у деаерованих розчинах NACE |
| title_full |
Вплив вуглекислого газу та газоконденсату на швидкість корозії сталі 20 у деаерованих розчинах NACE |
| title_fullStr |
Вплив вуглекислого газу та газоконденсату на швидкість корозії сталі 20 у деаерованих розчинах NACE |
| title_full_unstemmed |
Вплив вуглекислого газу та газоконденсату на швидкість корозії сталі 20 у деаерованих розчинах NACE |
| title_sort |
вплив вуглекислого газу та газоконденсату на швидкість корозії сталі 20 у деаерованих розчинах nace |
| publisher |
Фізико-механічний інститут ім. Г.В. Карпенка НАН України |
| publishDate |
2013 |
| url |
http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/136056 |
| citation_txt |
Вплив вуглекислого газу та газоконденсату на швидкість корозії сталі 20 у деаерованих розчинах NACE / З.В. Слободян, Л.А. Маглатюк, Р.Б. Купович // Фізико-хімічна механіка матеріалів. — 2013. — Т. 49, № 3. — С. 34-38. — Бібліогр.: 5 назв. — укp. |
| series |
Фізико-хімічна механіка матеріалів |
| work_keys_str_mv |
AT slobodânzv vplivvuglekislogogazutagazokondensatunašvidkístʹkorozíístalí20udeaerovanihrozčinahnace AT maglatûkla vplivvuglekislogogazutagazokondensatunašvidkístʹkorozíístalí20udeaerovanihrozčinahnace AT kupovičrb vplivvuglekislogogazutagazokondensatunašvidkístʹkorozíístalí20udeaerovanihrozčinahnace |
| first_indexed |
2025-07-10T00:34:31Z |
| last_indexed |
2025-07-10T00:34:31Z |
| _version_ |
1837218057368371200 |
| fulltext |
34
Ô³çèêî-õ³ì³÷íà ìåõàí³êà ìàòåð³àë³â. – 2013. – ¹ 3. – Physicochemical Mechanics of Materials
УДК 620.197.3
ВПЛИВ ВУГЛЕКИСЛОГО ГАЗУ ТА ГАЗОКОНДЕНСАТУ НА ШВИД-
КІСТЬ КОРОЗІЇ СТАЛІ 20 У ДЕАЕРОВАНИХ РOЗЧИНАХ NACE
З. В. СЛОБОДЯН, Л. А. МАГЛАТЮК, Р. Б. КУПОВИЧ
Фізико-механічний інститут ім. Г. В. Карпенка НАН України, Львів
Досліджено вплив газоконденсату на швидкість корозії сталі 20 у деаерованому та
насиченому СО2 розчині NACE. Виявлено, що з видаленням кисню шляхом проду-
вання розчину азотом за перемішування та 50°С швидкість корозії сталі знижується
на 11,5% порівняно з природно аерованим розчином. Після насичення деаерованого
розчину вуглекислим газом вона підвищується в 2,5 рази, а після додавання 20 vol.%
газоконденсату та 20 vol.% метанолу в деаерованому розчині NACE зменшується у
8,5 рази, а в насиченому СО2 – у 8,8 рази, що забезпечує ступінь протикорозійного
захисту сталі 88…89%.
Ключові слова: середовище NACE, газоконденсат, швидкість корозії.
Надійна експлуатація обладнання під час видобутку та транспортування газу
пов’язана з постійним моніторингом його корозійного стану, зокрема швидкості
корозії. Паралельно з безпосередніми корозійними замірами визначають швид-
кість корозії зразків із експлуатованого металу в модельних середовищах за різ-
них температурних та часових умов. Для цього найчастіше використовують роз-
чин NACE, який має слабокислу реакцію (рН ∼ 3). Як відомо, в кислих розчинах
електрохімічна корозія сталі протікає з водневою деполяризацією [1]. При рН < 4
дифузія кисню перестає бути лімітувальним чинником і корозію контролює
швидкість виділення водню. Однак у сильно розведених та слабких кислотах ки-
сень все-таки впливає на сумарну швидкість корозії, як вважають деякі автори,
змінюючи її у розчинах NACE за природної аерації на ∼10% [2]. У реальних умо-
вах експлуатації газонафтових родовищ постулюють відсутність кисню. У мо-
дельних випробуваннях цього досягають, витісняючи його азотом або іншим
інертним газом. Не менш активним корозійним агентом є карбону (IV) оксид.
Швидкість корозії сталі в розчинах, насичених СО2, залежить від багатьох чинни-
ків (природи і концентрації іонів у розчині, парціального тиску газу, часу наси-
чення, вмісту кисню тощо), які інтенсифікують її, особливо в присутності кисню.
Однак іноді фіксували і зниження цього параметра [3].
Не менш відчутний тут і вплив т.зв. газоконденсату – суміші рідких вугле-
воднів (С5Н12 та вище), яка виділяється з природних газів під час експлуатації
газових покладів. Він може містити бензинову або гас-газойлеву фракцію, іноді –
нафтенові або ароматичні вуглеводні. Концентрація газоконденсату в пластових
газах коливається від 5…10 до 500…1000 g/m3. Склад такого продукту вказує на
потенційні інгібувальні властивості.
Мета цього дослідження – вивчити вплив розчиненого кисню, карбону (IV)
оксиду та газоконденсату на швидкість корозії сталі 20 у середовищі NACE без
насичення сірководнем за інтенсивного перемішування та 50°С.
Матеріали та методика. Випробовували зразки зі сталі 20 (стан постачан-
ня). Для масометричних експериментів використовували диски діаметром 20 mm,
Контактна особа: З. В. СЛОБОДЯН, e-mail: maglatyuk@ipm.lviv.ua
35
товщиною 0,16 mm та отвором діаметром 2 mm для закріплення на скляному дер-
жаку. Поверхню зразків шліфували до шорсткості Rа = 0,63 µm, без задирів та
інших пошкод. Далі промивали ацетоном, висушували і поміщали в ексикатор з
прокаленим хлористим кальцієм. Витримані в ексикаторі зразки зважували на
аналітичній вазі другого класу точності, зберігали в ексикаторі і використовували
в той самий день. Всі випроби виконували в розчині NACE (5% NaCl + 0,5%
CH3COOH), який готували на дистильованій воді без насичення H2S. Реактиви
кваліфікації чда. CH3COOH – льодяна оцтова кислота з густиною ρ = 1,062 g/cm3.
Перед початком експериментів та після їх закінчення вимірювали рН розчи-
нів рН-метром И-160М. Після експозиції в корозивному середовищі та усунення
продуктів корозії візуально оцінювали характер корозійних пошкоджень. Засто-
совували установку, що складається з двох термотривких конічних колб з насад-
ками, в які вмонтовані скляні держаки з підвісками для зразків. Спеціальні скляні
відводи з фторопластовими насадками забезпечували подачу N2 та CO2 у систему
і виведення надлишкових газоподібних продуктів через водяну пастку. Шліфові
з’єднання гарантували герметичність системи. Повністю кисень видаляли з роз-
чину впродовж 15…20 min, що контролювали полярографічно за відсутністю йо-
го хвилі. Швидкість корозії сталі у середовищі NACE без насичення H2S за пере-
мішування (500…550 rot/min) та температури 50°С визначали за природної аера-
ції; продування N2; продування N2 та насичення СО2; продування N2 і додавання
суміші 20 vol.% газового конденсату та 20 vol.% метанолу; продування N2, наси-
чення СО2 та додавання вказаної суміші.
Зразки витримували в розчині за перемішування та заданої температури
впродовж 72 h. Після випробувань їх висушували і очищали від продуктів корозії
згідно з ГОСТ 9.907-83. Далі витримували в ексикаторі впродовж 1 h та зважува-
ли. Швидкість корозії розраховували за формулою
Km = ∆m / S·τ , (1)
де ∆m – зміна ваги зразка після експозиції в корозивному середовищі та усунення
продуктів корозії, g; S – площа зразка, сm2; τ – час його експозиції, h.
Коефіцієнт гальмування швидкості корозії визначали так:
γ = Km /King, (2)
де Km, King – швидкості корозії в неінгібованому та інгібованому середовищах,
g/(сm2·h).
Ступінь захисту від корозії розраховували за формулою
Z = Km – King /Km·100 % . (3)
Для поляризаційних досліджень використовували потенціостат IP-Pro з про-
грамним забезпеченням. Робочим електродом служив сталевий циліндричний
зразок, запресований у фторопласт, з площею робочої поверхні 0,0254 cm2. Елек-
трод порівняння – насичений хлорсрібляний, допоміжний – платиновий. Струмо-
ві показники швидкості корозії перераховували на масові за формулою
K = ikA / (nF), (4)
де i – струм корозії, A/cm2; k – коефіцієнт (k = 1, якщо час випробувань вираже-
ний у секундах, а площа – в cm2); A – атомна маса металу (для заліза та сталі
A = 56); n – валентність металу (для заліза 2 або 3); F – стала Фарадея.
Результати та обговорення. Перед початком випробувань заміряли рН се-
редовища. Після пропускання азоту крізь розчин упродовж 20 min рН розчину
практично не змінилось і становило 2,98. Після насичення деаерованого розчину
вуглекислим газом незначно зсунулось у бік підкиснення і становило 2,9. У сла-
бокислому середовищі NACE переважальною стадією корозії є воднева деполя-
ризація, де кисень може бути і деполяризатором, і інгібітором. У нашому випад-
36
ку через його відсутність швидкість корозії сталі дещо знижується (див. таблицю
і рис. 1). Зокрема, відносне її зниження становить 11,5%, що узгоджується з літе-
ратурними даними [4]. Розчинений кисень може виступати не лише як деполяри-
затор згідно з реакцією
½ О2 + Н2О + 2е → 2ОН–, (5)
але й, взаємодіючи з протонами на поверхні металу за реакцією
2Н+ + ½ О2 → Н2О – 2е, (6)
додатково посилювати дисоціацію слабкої кислоти:
CH3COOH ↔ CH3COO– + H+. (7)
Швидкість корозії сталі 20 (Km) у модельному розчині NACE
(t = 50°С; динамічний режим, продування N2 та СО2; τ = 72 h)
Середовище Продування Km·104,
g/(сm2·h) γ Z, % Візуальні
результати
NACE – 5,2 – – Інтенсивна
корозія
–//– N2 4,6 – 11,5 –//–
–//– СО2 і N2 13,2 2,5 – –//–
NACE + 20%
газоконденсату +
+ 20% CH3OH
N2 0,54 8,5 88
Зразки
без пітингів
та виразок
–//– СО2 і N2 1,5 8,8 89 –//–
Примітка: γ – коефіцієнт гальмування швидкості корозії.
Рис. 1. Fig. 1. Рис. 2. Fig. 2.
Рис. 1. Швидкість корозії сталі 20 у ненасиченому H2S розчині NACE:
1 – природна аерація; 2 – продування азотом; 3 – продування N2 та насичення СО2.
Fig. 1. Steel 20 corrosion rate in NACE solution without H2S: 1 – natural aeration;
2 – nitrogen blowing; 3 – nitrogen blowing and carbon dioxide saturation.
Рис. 2. Поляризаційна крива (a) та кінетика стаціонарного потенціалу (b) сталі 20
в розчині NACE за природної аерації (Ecorr = – 586 mV, icorr = 4,41·10–5 A/cm2,
константи Тафеля bc = 82,5 mV, ba = 31,5 mV).
Fig. 2. Polarization curve (a) and kinetics of stationary potential (b) of steel 20
in NACE solution under natural aeration (Ecorr = – 586 mV, icorr = 4.41·10–5 A/cm2,
Tafel constant bc = 82.5 mV, ba = 31.5 mV).
Його участь у корозійному процесі сталі у розчині NACE підтверджують
поляризаційні дослідження. Зокрема, катодна крива має чітку ділянку граничного
дифузійного струму, характерну для кисневої деполяризації (рис. 2). Компроміс-
37
ний потенціал становить –586 mV, що є близьким до такого ж для цієї сталі в
нейтральних середовищах –(532…567) mV. Струмовий показник швидкості коро-
зії 4,41·10–5 A/cm2, перерахований на масовий, задовільно узгоджується зі швид-
костями, отриманими ваговим методом за умови окиснення заліза до Fe2+ (4,7·10–4
супроти 5,2·10–4 g/(сm2·h)).
Швидкість корозії в заздалегідь деаерованому розчині, насиченому CO2, в
2,9 рази вища, ніж без насичення, і в 2,5 рази вища, ніж в недеаерованому (див.
таблицю). Це пов’язано із присутністю в розчині малодисоційованих молекул
карбонатної кислоти Н2СО3, які стають додатковим джерелом поповнення прото-
нів – активного деполяризатора:
Н2СО3 → Н+ + НСО3
–. (8)
Зі збільшенням вмісту СО2 підвищується концентрація карбонатної кислоти
СО2 + Н2О → Н2СО3 (9)
і, відповідно, додатково – швидкість корозії.
У нашому випадку швидкість корозії в перерахунку на глибинний показник
становить 14 mm/year, що відповідає цілковитій відсутності корозійної тривкості
сталі 20 у середовищі NACE, насиченому СО2 (див. рис. 1). Поверхня зразків піс-
ля експозиції в СО2-вмісному розчині вкрита глибшими пітингами, які частково
зливаються у виразки (рис. 3). Порівняно зі зразками, експонованими в природно
аерованому розчині, продукти корозії щільніші та важче видаляються з поверхні.
Рис. 3. Вигляд поверхні зразків після експозиції в розчині NACE: а – за природної аерації;
b – в деаерованому та насиченому СО2; c – деаерованому та насиченому СО2
з додаванням суміші 20 vol.% газоконденсату і 20 vol.% метанолу.
Fig. 3. Appearance of specimens surface after exposition in NACE solution: a – under natural
aeration; b – deaeration and carbon dioxide saturation; c – deaeration, carbon dioxide saturation
with addition of 20 vol.% gas condensate and 20 vol.% methanol mixture.
Суміш, що містить 20 vol.% газоконденсату та 20 vol.% метанолу, під час ін-
тенсивного перемішування утворює емульсію, яка, відстоюючись, розшаровуєть-
ся. Швидкість корозії сталі в деаерованому розчині NACE з додатком суміші га-
зоконденсату і метанолу за перемішування знижується до 0,54·10–4 g/(сm2·h). Ко-
ефіцієнт її гальмування 8,5, а ступінь захисту сягає 88% (див. таблицю і рис. 4).
Таким чином, у динамічних умовах ця суміш виявляє задовільні інгібувальні вла-
стивості, сумірні із захисними ефектами деяких інгібіторів корозії [5]. З її дода-
ванням в насичений СО2 деаерований розчин NACE швидкість корозії сталі зни-
жується в 8,8 рази. Ступінь захисту тут 89%.
На поверхні зразків після експозиції в цих розчинах відсутні пітинги та ви-
разки, однак, після очищення вони темніють, що свідчить про деяку активацію
поверхні (рис. 3с). Отже, суміш газоконденсату та метанолу як в деаерованому
розчині NACE, так і в насиченому СО2 навіть за інтенсивного перемішування та
підвищених температур виявляє задовільні захисні властивості.
38
Рис. 4. Швидкість корозії сталі 20
у розчині NACE за перемішування
та температури 50°С: 1 – продування
азотом; 2 – те саме та насичення CO2;
3 – те саме та додавання суміші
20 vol.% газоконденсату і 20 vol.%
метанолу; 4 – те саме, насичення CO2
та додавання вказаної суміші.
Fig. 4. Steel 20 corrosion rate in NACE solution under mixing and at temperature 50°С:
1 – nitrogen blowing; 2 – nitrogen blowing and carbon dioxide saturation; 3 – nitrogen
blowing with addition of 20 vol.% gas condensate and 20 vol.% methanol mixing;
4 – nitrogen blowing, carbon dioxide saturation with addition of the indicated mixture.
ВИСНОВКИ
Встановлено, що швидкість корозії сталі 20 в деаерованому розчині NACE
(продування азотом) за перемішування та температури 50°С знижується на 11,5%
порівняно з природно аерованим розчином. Участь кисню в корозійному процесі
підтверджують поляризаційні дослідження. Після насичення розчину СО2 швид-
кість корозії збільшується в 2,5 рази. Виявлено, що в деаерованому розчині
NACE з додатком 20 vol.% газоконденсату та 20 vol.% метанолу вона знижується
у 8,5 рази, що забезпечує захист від корозії 88%. Додаткове насичення розчину
СО2 практично не змінює ефективності цієї суміші: коефіцієнт гальмування ста-
новить 8,8 рази, а ступінь захисту 89%.
РЕЗЮМЕ. Исследовано влияние газоконденсата на скорость коррозии стали 20 в де-
аэрированном и насыщенном СО2 растворе NACE. Выявлено, что после удаления кисло-
рода продувкой раствора азотом при перемешивании и температуре 50°С она снижается
на 11,5% в сравнении с естественно аэрированным раствором. С насыщением деаэриро-
ванного раствора углекислым газом повышается в 2,5 раза. После добавки смеси 20 vol.%
газоконденсата и 20 vol.% метанола в деаэрированном растворе NACE она снижается в
8,5 раза, а в насыщенном СО2 – в 8,8 раза, что обеспечивает степень противокоррозион-
ной защиты стали на уровне 88…89%.
SUMMARY. The influence of gas condensate on steel 20 corrosion rate in deaerated and
carbon dioxide saturated NACE solution was investigated. It was shown that oxygen elimination
by nitrogen blowing of NACE solution decreases the steel 20 corrosion rate under mixing and at
temperature 50°С by 11.5% in comparison with natural aerated NACE solution. Carbon dioxide
saturation of deaerated NACE solution increases the corrosion rate in 2.5 times. Addition of
20 vol.% gas condensate and 20 vol.% methanol mixture decreases the steel 20 corrosion rate in
deaerated NACE solution in 8.5 times and in saturated carbon dioxide in 8.8 times providing
corrosion protection degree on the level 88…89%.
1. Антропов Л. И. Теоретическая электрохимия. – М.: Высш. шк., 1984. – 518 с.
2. Моисеева Л. С., Кузнецов Ю. И. Ингибирование углекислотной коррозии нефтепро-
мыслового оборудования // Защита металлов – 1996. – 32, № 6. – С. 565–572.
3. Videm K. and Koren A. M. Corrosion, passivity and pitting of carbon steel in aqueous solu-
tion of HCO3
–, CO2 and Cl– // Corrosion. – 1993. – 49, № 9. – P. 746–754.
4. Effect of solution composition and electrochemical potential in stress corrosion cracking of
X-52 pipeline steel / R. B. Rebak, Z. Xia, R. Safruddin, Z. Szklarska-Smialowska // Ibid.
– 1996. – 52, № 5. – P. 396–405.
5. Міцність і довговічність нафтогазових трубопроводів і резервуарів / Г. М. Никифор-
чин, С. Г. Поляков, В. А. Черватюк та ін. // Механіка руйнування та міцність матеріа-
лів. – 2009. – 11. – 499 с.
Одержано 28.01.2012
|