Факторы, влияющие на внутреннюю коррозию промысловых трубопроводов

Влияние температуры и рН воды. Зависимость интенсивности протекания коррозии от величины рН и температуры воды проиллюстрирована на рис. 3.

Анализируя представленные зависимости, можно выделить 3 области по величине рН:

· рН<4,3 (сильнокислая среда)–скорость коррозии чрезвычайно быстро возрастает с понижением рН;

· 4,3 < рН <9 – 10 –скорость коррозии мало зависит от рН.

· 9 – 10<рН<13,сильнощелочная среда – скорость коррозии убывает с ростом рН и коррозия практически прекращается при значении равном 13.

 

Рис. 3 – Зависимость интенсивности коррозии от величины рН и температуры воды

Повышение температуры ускоряет анодные и катодные процессы (скорость коррозии) за счёт увеличения скорости движения ионов.

Содержание кислорода в воде. Присутствие в воде растворённого кислорода, как более сильного фактора, влияющего на протекание процесса коррозии, изменит рассмотренные выше зависимости (рис. 4). Как было отмечено выше, трубы подвергается интенсивной коррозии в кислой среде при рН<4,3 и практически не корродирует при рН>4,3, если в воде отсутствует растворенный кислород (рис. 4, кривая 4). Если в воде есть растворенный кислород, то коррозия железа будет идти и в кислой, и в щелочной среде (рис. 4, кривые 1–3).

 

Рис. 4 – Зависимость интенсивности коррозии от содержания кислорода в воде

 

Влияние парциального давления СО₂. Огромное влияние на разрушение металла труб коррозией оказывает свободная углекислота (СО₂), содержащаяся в пластовых водах. Известно, что при одинаковом рН процесс коррозии в углекислотной среде протекает более интенсивно, чем в растворах сильных кислот.

На основании исследований установлено, что системы с Р_СО2£ 0,02 МПа считаются коррозионно-неопасными, при 0,2 ³ Р_СО2 > 0,02 – возможны средние скорости коррозии, а при Р_СО2 > 0,2 МПа - среда является высоко – коррозионной.

Объяснение влияния СО₂ на коррозионную активность среды связано с формами нахождения СО₂ в водных растворах:

· растворенный газ СО₂;

· недиссоциированные молекулы Н₂СО₃;

· бикарбонат ионы НСО₃^-;

· карбонат-ионы СО₃^2-.

В равновесных условиях соблюдается баланс между всеми формами:

СО₂ + Н₂О Û Н₂СО₃ Û Н⁺ + НСО₃^– Û 2Н⁺ + СО₃^2–. (9)

Влияние СО₂ можно объяснить двумя причинами:

· присутствии СО₂ приводит к увеличению выделения водорода на катоде.

· происходит образование карбонатно-оксидных пленок на поверхности металла.

Молекулы Н₂СО₃ непосредственно участвуют в катодном процессе:

 

H₂CO₃ + e ® Н_адс + HCO₃^– (10)

Катодному восстановлению подвергается бикарбонат-ион:

2НСО₃^– + 2e ® Н₂­ + СО₃^2-. (11)

Н₂СО₃ играет роль буфера и поставляет ионы водорода Н⁺ по мере их расходования в катодной реакции:

H₂CO₃ Û H⁺ + HCO₃^– _. (12)

При взаимодействии Fe²⁺ c НСО₃^- или Н₂СО₃ образуется осадок карбоната железа FeСО₃:

Fe²⁺ + HCO₃^– ®FeCO₃ + H⁺ (13)

Fe²⁺ + H₂CO₃ ® FeCO₃ + 2H⁺ (14)

Все исследователи обращают внимание на огромное влияние продуктов коррозии железа на скорость процесса коррозии.

4FeCO₃ + O₂ ® 2Fe₂O₃ + 4CO₂­ (15)

Эти осадки являются полупроницаемыми для коррозионно-агрессивных компонентов среды и замедляют скорость разрушения металла.

Таким образом, можно выделить две характерные особенности действия диоксида углерода.

1. Увеличение выделения водорода на катоде.

2. Образование карбонатно-оксидных пленок на поверхности металла.

Влияние минерализации воды. Растворенные в воде соли являются электролитами, поэтому увеличение их концентрации до определенного предела повышает электропроводность среды и, следовательно, ускорит процесс коррозии.

С другой стороны уменьшение скорости коррозии связано с тем, что при увеличении минерализации происходит:

· уменьшается растворимость газов, СО₂ и О₂, в воде;

· возрастает вязкость воды, а, следовательно, затрудняется диффузия, подвод кислорода к поверхности трубы (к катодным участкам).

Давление. Повышение давления увеличивает растворимость СО₂. и увеличивает процесс гидролиза солей (для предсказания последствий - см. пп. 3 и 4).

Структурная форма потока. Относительные скорости течения фаз (газа и жидкости) в газожидкостных смесях (ГЖС) в сочетании с их физическими свойствами (плотностью, вязкостью, поверхностным натяжением и другими), размерами и положением в пространстве трубопровода определяют формирующиеся в них структуры двухфазных (многофазных) потоков. Выделяют семь основных структур (рис. 5): пузырьковая, пробковая, расслоенная, волновая, снарядная, кольцевая и дисперсная. Каждая структура влияет на характер коррозионного процесса. Вопрос о связи коррозионных процессов в трубопроводах со структурами потоков, транспортируемых по ним ГЖС интересен. Однако, имеющаяся информация о связи структур течения ГЖС с коррозией является еще недостаточно полной.

 

Рис. 5 – Структуры газожидкостных потоков в горизонтальных трубах

На сегодняшнее время известно, что кольцевая (дисперсно-кольцевая) структура ГЖС снижает интенсивность коррозии трубопровода. Снарядная (пробково-диспергированная) может способствовать коррозионно-эрозионному износу трубопровода по нижней образующей трубы на восходящих участках трассы.

Расслоенная (плавная расслоенная) – развитию общей и питтинговой корозии в зоне нижней образующей трубы и в, так называемых, "ловушках" жидкости, особенно при выделении соленой воды в отдельную фазу.

Биокоррозия, коррозия под действием микроорганизмов. С этой точки зрения имеют значения сульфат-восстанавливающие анаэробные бактерии (восстанавливают сульфаты до сульфидов), обычно обитающие в сточных водах, нефтяных скважинах и продуктивных горизонтах.

В результате деятельности сульфат-восстанавливающих образуется сероводород Н₂S, который хорошо растворяется в нефти и в дальнейшем взаимодействует с железом, образуя сульфид железа, выпадающий в осадок:

. (16)

Под влиянием Н₂S изменяется смачиваемость поверхности металла, поверхность становится гидрофильной и легко смачивается водой, и на поверхности трубопровода образуется тонкий слой электролита, в котором и происходит накопление осадка сульфида железа FeS.

Сульфид железа является стимулятором коррозии, так как участвует в образовании гальванической микропары → Fe-FeS, в которой и является катодом, а разрушаться будет металлическое Fe, выполняющее роль анода.

Хлоркальциевый тип воды также оказывает влияние на процесс коррозии. Ионы хлора активируют металлы. Причиной активирующей способности ионов хлора является его высокая адсорбируемость на металле. Хлор-ионы вытесняют пассиваторы с поверхности металла, способствуют растворению пассивирующих плёнок и облегчают переход ионов металла в раствор. Особенно большое влияние ионы хлора оказывают на растворение железа, хрома, никеля, алюминия и других.