油气田防腐选材关键：应对CO₂/H₂S腐蚀环境的核心策略

2025-08-07 14:25:06 作者：夸克能源工程实验室来源：夸克能源工程实验室分享至：

一、背景介绍

在油气田开发过程中，CO₂（二氧化碳）和H₂S（硫化氢）是两种常见的腐蚀性介质。CO₂溶于水形成碳酸（H₂CO₃），导致金属材料发生“CO₂腐蚀”（又称甜腐蚀）；而H₂S不仅具有强腐蚀性，还会引发硫化物应力开裂（SSC），严重影响管材和设备的安全性。随着油气田开发向深层、高含硫环境拓展，平衡材料服役安全性与选材的经济性成为油气开发的关键问题。

二、国内外选材标准与方法简介

目前在油气环境中的防腐选材方面已形成一系列技术规范及标准，以下简要介绍几种常见选材方法。

ISO 15156/NACE MR0175标准明确了奥氏体不锈钢、镍基合金、铁素体不锈钢、马氏体不锈钢、双相不锈钢在H₂S环境中的安全服役边界，针对不同材料提供了H₂S分压、原位pH、Cl⁻浓度、温度等的上限值。需注意，该标准主要考虑避免材料在H₂S环境中发生腐蚀开裂的安全边界，并未全面涵盖耐蚀合金（CRAs）材料服役时可能发生的其他腐蚀问题。

国际镍协会选材指南则提供了13Cr、316L、22Cr、825、625等材料在CO₂及CO₂-H₂S共存环境下的三维服役边界图。其服役边界确定原则是确保材料不发生应力腐蚀开裂（SCC/SSC），且腐蚀速率低于0.05mm/a。

图1 标准及文献中316不锈钢分别在H₂S环境（左图）和

CO₂环境（右图）的典型服役边界。

此外，日本住友及中国海油等企业也开发了针对CO₂-H₂S环境的选材方法，二者总体技术思路较为相似：当CO₂分压小于0.2MPa时考虑选用碳钢；超过此分压时，则根据H₂S分压及温度确定适用的耐蚀合金类型。

图2 日本住友公司选材流程及方法

上述标准解决了在给定环境条件下选择材料类型的问题。然而，实际应用经验表明，同类型但不同来源的耐蚀合金，其耐蚀性也可能存在差异。这种差异主要源于材料内部关键钝化元素（如Mo）含量及显微组织的控制水平。

为保证耐蚀合金具备应有的耐蚀能力，国外规范通常会附加约束条件，如规定关键元素（如Mo）最低含量、设定最低PREN值（耐点蚀当量），以及对点蚀、晶间腐蚀性能提出要求（如规定需通过ASTM G48 A法实验，满足特定腐蚀速率要求且在20倍显微镜下无点蚀）。

图3 相关规范中对耐蚀合金测试要求的示例表格

另外，中国海油企业标准Q/HS 3172也给出了水下生产系统用奥氏体不锈钢、双相不锈钢、镍基合金的耐蚀性评定推荐做法，提出了材料成分、组织、耐蚀性控制要求。

三、防腐选材几个注意事项

原位pH的应用与挑战

在ISO 15156及Norsok M001等国际标准中，原位pH是选材的重要依据，明确要求根据H₂S分压和原位pH值进行腐蚀风险分区以确认材料抗硫等级。原位pH的概念由EFC根据北海油气田开发经验总结得出，其具体数值通常难以直接测量，目前主要通过气液平衡计算或经验公式给出。例如，ISO 15156附录D提供了根据气体分压和关键离子浓度粗略确定原位pH的经验做法；而ECE等软件则基于气液平衡及电荷守恒进行计算。

为应对这一挑战，本团队在前期研究基础上已独立开发出“油气田气液介质分析软件”（图4），能够实现原位pH、水型等关键参数的准确计算。

图4 团队开发的原位pH计算软件

考虑全生命周期服役环境变化

选材时应尽可能评估管道/设备在整个生命周期内可能面临的环境参数变化。这些变化包括：油气开采不同阶段出现的含水率波动、腐蚀性气体含量变化；海管铺设或运行中可能发生的海水滞留；以及关停井等操作导致的介质滞留、水分凝析等。

因此，选材决策需要评估短期环境参数波动以及长期服役过程中材料可能累积的腐蚀风险，确保选材的合理性与前瞻性。

注:√表示应考虑的腐蚀参数

图5 管道全生命周期可能面临的不同腐蚀风险场景

充分评估杂质气对材料适用性的影响

已有的标准/规范多针对CO₂以及CO₂-H₂S共存环境给出选材建议，考虑的环境因素除CO₂、H₂S外，主要包括Cl-浓度、温度、原位pH。伴随双碳战略提出及实际增产需求，CO₂回注、注氮等工艺的应用，采出腐蚀介质中可能存在O₂、SO₂等杂质气，给管道和设施带来新的服役场景。杂质气引入后通常会显著加剧材料腐蚀，不能直接参考上述选材标准规范，需开展实验评估杂质气对材料适用性的影响。

图6 杂质气引入后耐蚀合金发生严重腐蚀

四、结语

合理选材是平衡油气开发安全性与经济性的重要手段。对于传统的CO₂-H₂S腐蚀环境，已有较多标准/规范可供参考，但需注意不同标准/规范给出的材料适用边界可能存在差异，特别是在一些临界工况下，需要结合过往工程经验或借助必要的实验室模拟测试，进一步验证材料的适用性。面对油气田开发中因新工艺（如CO₂回注、注氮）而出现的含杂质气等复杂新场景，可借鉴的成熟选材依据相对较少，开展针对性的模拟实验验证材料适用性显得尤为重要和必要。

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