1、前言

    近年來，開始研究并實施將加壓的CO2注入井里，提高油氣采收率，同時減排CO2，于是將CO2封存于地下的CO2捕獲和封存（CCS）項目應(yīng)運而生。在CCS中，作為將CO2封存于地下的注入管，開始使用13%Cr鋼。注入條件從常溫到100℃，壓力越大，效率越高。對于與傳統(tǒng)的CO2氣體平衡的水溶液（例如，與3MPa的CO2氣體平衡的3%NaCl水溶液）中的鋼腐蝕，研究了油氣生產(chǎn)過程中的材料選擇。但如果是臨界點（31.1℃、7.38MPa）以上的條件，CO2從氣體變化為超臨界狀態(tài)，超臨界CO2對鋼的腐蝕行為有許多不明之處。在與CO2氣體平衡的水溶液中，碳鋼全面腐蝕，但通過在鋼中添加Cr可以提高耐蝕性。于是，13%Cr鋼在工業(yè)上被廣泛應(yīng)用。關(guān)于與超臨界CO2平衡的水溶液中的碳鋼腐蝕行為研究結(jié)果與現(xiàn)有推測腐蝕速度模型的比較，以及抑制劑的效果等雖有報告，但關(guān)于添加Cr的鋼的耐蝕性改善效果尚不明確。

    本文中以研究30MPa以下的超臨界CO2對13%Cr鋼耐蝕性影響的報告為基礎(chǔ)，介紹了超臨界CO2環(huán)境下應(yīng)用不銹鋼的研究結(jié)果。

    2、 13%Cr鋼的腐蝕試驗結(jié)果

    2.1試驗方法

    2.1.1試驗用材料

    腐蝕試驗使用的試樣，使用了0.19%C-12.3%Cr鋼（420型，以下稱A鋼）和0.02%C-12.0Cr%-2.1%Mo-5.6%Ni鋼（以下稱B鋼），表1是試驗用鋼的化學成分和力學性能。添加Mo的低碳鋼B鋼與A鋼相比，在CO2氣體環(huán)境下呈現(xiàn)出良好的耐蝕性。

    表1 試驗用鋼的化學成分（質(zhì)量分數(shù)）和力學性能

    這些試樣用鋼是從工廠軋制后，經(jīng)淬火回火熱處理的無縫鋼管上切割下來的。

    2.1.2試驗方法

    用壓熱器，在與100℃的試驗氣體（純CO2或CO2-O2混合氣體）平衡的5%NaCl水溶液（CO2溶解于其中的NaCl水溶液）中，將試樣浸漬720h，從重量變化計算出腐蝕速率，并進行外觀觀察，確認有無孔蝕。CO2分壓為2.95-30MPa。進行CCS時，注入氣體一旦冒出地面時，因為對耐蝕性有很大影響的O2存在于大氣中，所以認為O2混入注入氣體。因此，一并研究了氧的影響，O2分壓在0-45kPa變化，在加入氧的環(huán)境，進行了裂隙腐蝕試驗。

    2.2試驗結(jié)果及分析

    2.2.1 CO2分壓的影響

    圖1是5%NaCl水溶液中的CO2分壓對A鋼腐蝕速率的影響。15MPa的CO2對A鋼的腐蝕速率最大，20MPa以上，腐蝕速率減小。Masamura等人針對13%Cr鋼的腐蝕速率，根據(jù)CO2氣體環(huán)境的試驗結(jié)果提出了由CO2分壓、溫度和NaCl濃度推測的模型。在該模型中，CO2分壓越大，溫度越高；NaCl濃度越高，腐蝕速率越大。比較了使用該模型的A鋼腐蝕速率推測值和本試驗結(jié)果，如圖1所示，在15MPa以下CO2環(huán)境下呈現(xiàn)良好的相關(guān)性。而在20MPa以上CO2環(huán)境下，腐蝕速率減少，確認了孔蝕。在15-30MPa的CO2環(huán)境下，B鋼的腐蝕速率為0.01mm/a以下。在25MPa的CO2環(huán)境下確認了孔蝕。推測在15MPa的CO2環(huán)境和30MPa的CO2環(huán)境下，水溶液的體積和CO2在水溶液中的溶解量不同，所以這也許是腐蝕速率減小的原因。此外，在這些環(huán)境下，B鋼比A鋼呈現(xiàn)出優(yōu)越的耐蝕性。

    圖1 CO2分壓對A鋼腐蝕速度的影響

    2.2.2 O2分壓的影響

    如圖2所示，在15MPa的CO2和30MPa的CO2環(huán)境下，如果存在45kPa的O2，B鋼發(fā)生孔蝕。但如果將O2分壓減小到4.5kPa，B鋼沒有發(fā)生孔蝕。在45kPa的O2和4.5kPa的O2兩種條件下，A鋼均發(fā)生了孔蝕。在裂隙腐蝕試驗中，如果存在45kPa的O2，兩種鋼均發(fā)現(xiàn)了裂隙腐蝕。在4.5kPa的O2環(huán)境下，發(fā)生裂隙腐蝕的裂隙部位數(shù)量減少。即使在有氧的條件下，B鋼的耐蝕性也比A鋼優(yōu)越。

    圖2 B鋼在各CO2和O2分壓下的試驗結(jié)果

    （100℃、5%NaCl、浸漬30天）

    2.3結(jié)論

    超臨界CO2環(huán)境對13%Cr鋼腐蝕速率的影響與氣體CO2同等或小于氣體CO2。20MPa以上CO2環(huán)境易發(fā)生孔蝕。如果存在45kPa的O2，兩種鋼均發(fā)現(xiàn)了裂隙腐蝕。在4.5kPa的O2條件下，其腐蝕傾向減小。在超臨界CO2環(huán)境的全部試驗中，添加Mo的低碳鋼B鋼在與CO2氣體環(huán)境中同樣呈現(xiàn)出比A鋼良好的耐蝕性。

    3、結(jié)語

    以超臨界CO2環(huán)境下13%Cr鋼腐蝕行為的研究結(jié)果為中心，歸納了不銹鋼已往的研究結(jié)果。進行了超臨界CO2環(huán)境中雜質(zhì)影響的研究，但在現(xiàn)狀中，不可否認尚未充分掌握腐蝕機理，而且數(shù)據(jù)也不足。另一方面，進行了超臨界CO2環(huán)境本身的研究，希望通過這些研究弄清該環(huán)境下的腐蝕機理，能夠?qū)崿F(xiàn)選擇最佳的不銹鋼。