宁夏高盐高硫油气田地面设施耐蚀合金选材关键技术及工程应用

石油是国家生存和发展不可或缺的战略资源。为保障了国家能源安全和多元化供给，国家不断强化国际能源合作。海外中东、中亚等富油地区多为高硫高盐油气田，介质苛刻复杂，腐蚀和开裂失效问题日益突出，给材料的安全服役、地面设施的安全运行和环境提出重大挑战。

选择耐蚀性良好的不锈钢材料是防腐蚀的重要手段，但不锈钢在H2S-Cl-共存的油气环境下仍可能存在局部腐蚀穿孔、腐蚀开裂等失效问题。不锈钢的优异耐蚀能力主要依赖于其表面存在一层保护性良好的氧化物膜-钝化膜。钝化膜非常稳定，可以将腐蚀介质与金属基体隔绝，阻止腐蚀发生。在H2S环境下，钝化膜内除氧化物外还会存在一些硫化物，这些硫化物是钝化膜保护基体的薄弱环节，腐蚀介质（特别是Cl-）易通过硫化物富集区域与基体接触，诱发基体的局部腐蚀，如下图所示。局部腐蚀发展到临界尺寸后，在外加应力或者材料内部残余应力作用下，还会发生腐蚀开裂。在含硫的油气开采环境下，不锈钢的腐蚀失效风险更高，必须加以重视。

油气田中常用的耐蚀合金牌号包括316L、宁夏2205双相钢、宁夏2507双相钢、宁夏254SMO、宁夏904L超级不锈钢、825合金、625合金等。不同牌号材料耐腐蚀能力不同，成本也存在差异。因此，明确不锈钢的安全服役边界、合理地选用不锈钢材料，不仅能够保障油田开发安全，又是降低企业成本、维持国际竞争力的重要手段。通过大量文献数据、工程应用数据以及实验室腐蚀模拟实验数据，团队建立了含硫油田常用耐蚀材料的服役边界，据此形成了包含油田开发环境下温度、H2S分压、Cl-、CO2分压、原位pH等多项环境参数的选材图谱，开发了软件工具。这样，在具体应用时，可以根据油田腐蚀环境参数数值，直接从耐蚀性角度列出满足防腐需求的全部材料类型；再结合材料的采购价格、施工条件等因素，最终确定适用材质。这一工作，为油气田科学、合理、经济选材和精细化腐蚀控制提供了技术支撑，成功应用于中东地区多个超大型油气田开发项目，节省工程投资3.5亿元，为保障国家能源安全提供了强有力的技术保障。

成果主要创新点：

1、高硫高盐工况下耐蚀合金腐蚀机理（机理）：

揭示了H2S对于不锈钢材料耐蚀性及钝化膜的影响机制，其机理在于其能够改变钝化膜成分，抑制氧化物、促进硫化物的生成，通过对钝化膜内部Cr、Fe、Ni、Mo等钝化元素的溶解-富集行为分析，阐明了高含硫环境下不锈钢耐蚀性显著降低的微观原因。

2、耐蚀合金腐蚀评价方法和技术评价体系（方法）：

在传统点蚀、缝隙腐蚀、晶间腐蚀、应力腐蚀开裂等耐蚀性评价指标的基础上，创新性的将材料表面失泽、表面微裂纹、钝化膜局部损伤、局部硫化等腐蚀特征，以及电化学性能作为耐蚀合金耐蚀能力的评价指标，形成了高硫高盐服役工况下耐蚀合金腐蚀评价方法和技术评价体系。

3、高硫高盐工况下耐蚀合金选材图谱（工具）：

针对高硫高盐油气田介质工况，建立了油气田地面设施常用耐蚀合金奥氏体不锈钢（316L）、双相钢（2205）、超级双相不锈钢（2507）、镍基合金（Alloy 825）在以H2S分压、温度、Cl-为变量时的服役-失效边界及选材图谱，拓展和明确了NACE MR0175/ISO15156中对于油气田常用耐蚀合金的适用边界。

4、高硫高盐材料选择工程应用（应用）：

基于国内外标准、典型工程案例、现场和实验室测试数据，明确了材料选择的考虑因素和材料选择的基本流程，建立了高硫高盐油田地面设施材料选择指南和国际标准化选材图集，有效地补充和完善了国内外选材标准的相关细节，实现了高硫高盐油田安全经济合理的选材和标准化设计。

以上文字来源：中国石油工程建设有限公司北京设计分公司，版权归原作者所有。

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