CO2腐蝕是油氣田生產(chǎn)過程中最為常見的一種腐蝕形式，然而在實際油氣田管道中，一些因素會導致油氣管線內(nèi)部含有O2形成O2/CO2腐蝕環(huán)境。

緩蝕劑作為一種簡單有效且價格低廉的抑制CO2腐蝕的措施，被廣泛應(yīng)用于油氣田生產(chǎn)過程中。緩蝕劑的作用效果不僅受溫度CO2分壓，水介質(zhì)成分的影響，O2對其也有重要影響。目前，O2對緩蝕劑抑制CO2腐蝕的具體影響機制在國內(nèi)外尚未展開系統(tǒng)的研究。

本工作利用旋轉(zhuǎn)圓盤電極（RDE）腐蝕電化學方法，結(jié)合掃描電鏡等手段，研究O2對緩蝕劑抑制碳鋼CO2腐蝕的影響，從O2影響緩蝕劑分子吸附能力的角度，提出了O2減弱緩蝕劑緩蝕效果的作用機制。

一、實驗材料與方法

實驗在常壓下進行，實驗儀器采用數(shù)字型旋轉(zhuǎn)圓盤電極裝置，測試溫度分別為25℃和60℃溶液配好后通CO2氣體除氧8h。進行純CO2條件下實驗時，向溶液里持續(xù)緩慢通入純CO2氣體，使液保持CO2飽和狀態(tài)，并防止測試過程中溶解氧進入；進行O2/CO2共存環(huán)境下的實驗時，向溶液里持續(xù)緩慢地通入O2:CO2體積比1:8的混合氣體，此時溶解氧含量經(jīng)溶氧儀測量約1.4×10-6。

實驗設(shè)計采用電化學“三電極體系"，實驗儀器數(shù)字型旋轉(zhuǎn)圓盤電極裝置主機轉(zhuǎn)速設(shè)定為1000r/min，工作電極為有效面積1cm2的圓盤狀試樣。測試前，用砂紙將試樣打磨到2000#，依次用丙酮除油，去離子水沖洗，酒精清洗，冷風吹干。所用輔助電極為鉑電極，參比電極為飽和甘汞電極（SCE）。

進行不同緩蝕劑濃度下的緩蝕劑電化學性能測試時，測試溫度為25℃，先穩(wěn)定開路電位30min，然后測試交流阻抗，最后再測極化曲線。交流阻抗測試頻率范圍100kHZ至10mHz，交流信號幅值為5mV。動電位極化曲線以0.5mV·S-1掃描速率從-0.35V掃至0.35V相對于開路電位。

進行8×10-5緩蝕劑濃度下EIS連續(xù)監(jiān)測實驗時，測試溫度為60℃，測試開始后，每隔一段時間測試一次EIS，連續(xù)測試30h。測試結(jié)束后，取出試樣，依次用去離子水，酒精清洗，冷風吹干。    

二、結(jié)果與分析
2.1 不同緩蝕劑濃度下極化曲線分析



圖2 為加入不同濃度緩蝕劑后碳鋼的極化曲線。

圖2(a)為25℃，通CO2氣體至飽和，1000r/min轉(zhuǎn)速下，加入不同濃度的緩蝕劑，后所測得的極化曲線。圖2(b)為相同條件下通入11.12%氫氣后所測極化曲線。

由圖2可見，隨著緩蝕劑濃度的增加，極化曲線的陰陽極Tafel斜率都發(fā)生了改變，而自腐蝕電位負移，可見此種緩蝕劑是以抑制陰極反應(yīng)為主的混合型緩蝕劑。

利用Tafel曲線外推法，計算出各種條件下的自腐蝕電流密度icorr和緩蝕效率?，結(jié)果如表所示。當體系中混入O2以后，在各個緩蝕劑濃度下，自腐蝕電流密度icorr都明顯增大，腐蝕速率變大。同時，隨著緩蝕劑度的增加，純CO2環(huán)境下，icorr迅速下降，當緩蝕劑濃度到達8×10-5時，緩蝕效率達到了98%以上。而當混入O2以后，最高緩蝕效率只有80%左右。

圖2(a)可見，緩蝕劑濃度增加后，陰極Tafel曲線明顯變平，緩蝕劑的加入極大地阻滯了陰極過程，從而導致自腐蝕電流密度迅速下降。

對比圖2(b)含氧環(huán)境下的極化曲線，發(fā)現(xiàn)隨著緩蝕劑濃度的增加，陰極Tafel斜率并無明顯改變，只是整個極化曲線向左平移，因此自腐蝕電流密度icorr減小的程度遠不如純CO2條件下的明顯。   

對比陽極極化曲線，有氧和無氧條件下都出現(xiàn)了明顯的平臺區(qū)，這是陽極極化電位達到一定程度時，試樣表面Fe溶解，導致吸附在上面的緩蝕劑脫附所致。平臺區(qū)電位即為緩蝕劑脫附電位，當緩蝕劑濃度較低時，脫附電位并無明顯差異，當緩蝕劑濃度達到8×10-5時，脫附電位明顯變正。

2.2 不同緩蝕劑濃度下阻抗譜分析   

圖3為純CO2和O2/CO2環(huán)境下所測得的阻抗譜.由圖3可知，兩種條件下，不含緩蝕劑及含較低濃度緩蝕劑時，阻抗譜由一個容抗弧構(gòu)成。當緩蝕劑濃度增加時，阻抗譜由雙容抗弧組成。在純CO2環(huán)境下，當緩蝕劑達到8×10-5時，低頻區(qū)還出現(xiàn)了一個小感抗弧，這是緩蝕劑吸附過程所致，而O2/CO2環(huán)境下則沒有出現(xiàn)。 

利用阻抗譜擬合軟件Zsimpwin進行擬合，所得結(jié)果如圖4所示。緩蝕劑濃度較低時，利用圖4(a)所示的等效電路進行擬合，其中Rs為溶液電阻，CPE為常相位角元件，Rct為電荷轉(zhuǎn)移電阻。高緩蝕劑濃度時，利用圖4(b)所示的等效電路進行擬合，其中Rf為試樣表面各種物質(zhì)形成的膜的電阻，Rct為電荷轉(zhuǎn)移電阻。

電荷轉(zhuǎn)移電阻Rct能夠反映緩蝕劑吸附膜屏蔽腐蝕介質(zhì)，阻礙腐蝕反應(yīng)進行的能力，Rct越大，表示緩蝕效果越好，腐蝕速率越低。由表4可知，在純CO2環(huán)境下，加入緩蝕劑以后，Rct迅速變大，同時，Rct隨著緩蝕劑濃度的增加也基本保持變大趨勢，到8×10-5時Rct，急劇變大，達到3444Ω·cm2，緩蝕效率達到最高。但是，在O2/CO2共存環(huán)境下，由表5知，加入較低濃度的緩蝕劑（1×10-5）和（2×10-5）后，Rct基本保持不變，甚至在2×10-5時還略有減小。這可能是因為，一方面，加入緩蝕劑以后自腐蝕電位變負，試樣腐蝕的傾向變大，而另一方面，緩蝕劑的濃度增加導致緩蝕劑吸附量增大，吸附膜覆蓋率增加，而在2×10-5時，電位變負占據(jù)主導地位，從而導致在2×10-5時Rct反常減小。當加入的緩蝕劑濃度達到3×10-5以上時，Rct開始明顯變大，且隨著緩蝕劑濃度的增加而變大，但是與CO2環(huán)境中同緩蝕劑濃度下的Rct相比，仍然要小得多。   

如表4所示，在CO2環(huán)境下Cdll隨著緩蝕劑濃度的增加而急劇下降。當緩蝕劑濃度達到8×10-5時，Cdll從0時的2.665×10-4 F·cm-2降低到了8.88×10-6 F·cm-2。同時從極化曲線計算的緩蝕效率來看，8×10-5時達到98.33%，說明此時緩蝕劑分子在試樣表面吸附量很大，吸附膜覆蓋十分完整，緩蝕效果好。

對比O2/CO2環(huán)境下，如表5所示，緩蝕劑溶度為0時由于表面無緩蝕劑吸附，所以兩種條件下Cdll相近。而當緩蝕劑添加到1×10-5和2×10-5時，由于添加的緩蝕劑濃度比較低，含氧條件下，試樣表面所吸附的緩蝕劑分子極少，雙電層中的水分子只有極少量被取代，所以Cdll基本保持不變。而當緩蝕劑濃度繼續(xù)增加時，緩蝕劑分子吸附量增加，取代的水分子越來越多，Cdll開始逐漸降低，直到8×10-5雙電層電容降為4.40×10-5F·cm-2但仍遠大于純CO2環(huán)境下的Cdll。顯然，加入O2以后，試樣表面吸附的緩蝕劑分子減少了，吸附膜覆蓋度減少，即使在8×10-5條件下，其緩蝕效率也只有80.27%，遠低于純CO2環(huán)境下的緩蝕劑作用效果。

三、結(jié)論

(1) 緩蝕劑對于碳鋼的CO2腐蝕具有良好的緩蝕作用，其緩蝕效率在8×10-5濃度下可以達到98.3%，但是加入O2后會明顯降低其緩蝕效率，緩蝕效率在8×10-5濃度下也僅有80.3%。

(2) O2的混入會使緩蝕劑更傾向于緩蝕劑分子與緩蝕劑分子之間的結(jié)合，而其吸附在碳鋼表面的能力則大幅度減弱，導致無法形成完整的緩蝕劑吸附膜，使得緩蝕劑屏蔽腐蝕介質(zhì)的作用減弱，緩蝕效果變差。

(3) O2的混入使得碳鋼腐蝕速率變大，碳鋼表面腐蝕產(chǎn)物膜生成速度變快，導致緩蝕劑的有效作用時間變短，生成的腐蝕產(chǎn)物主要由Fe2O3及FeO(OH)組成，且腐蝕產(chǎn)物膜疏松多孔，無法像純CO2環(huán)境下的產(chǎn)物膜一樣對基體起到很好的保護作用，同時會導致明顯的點蝕出現(xiàn)。   

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