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油气田用抑制CO_2腐蚀的咪唑啉类缓蚀剂的缓蚀行为研究

王彬

  随着石油和天然气工业的迅速发展,越来越多的天然气井和输气管线存在气液两相中的CO_2腐蚀,这种问题成为近年来研究的热点。采用缓蚀剂技术抑制油气田中普遍存在的CO_2腐蚀有用量少、成本低、操作方便、能适应许多恶劣环境等优点。咪唑啉类缓蚀剂具有优良的缓蚀性能、无特殊的刺激性气味、热稳定性好、毒性低,在油田管线设备的防护实践中被广泛应用。随着人类环境保护意识的增强和可持续发展思想的深入,对于低毒高效的新型咪唑啉缓蚀剂的开发及机理探讨则显得尤为重要。 (1)本实验室通过分子优化设计合成了一种具有多吸附中心、水溶性良好的咪唑啉磷酸酯季铵盐缓蚀剂,本文首次对该缓蚀剂抑制液相中Q235钢的CO_2腐蚀的缓蚀性能和缓蚀机理进行了系统、深入地研究。 采用失重法、极化曲线法、交流阻抗法(EIS)和扫描电子显微镜(SEM)等测试手段研究了Q235钢在添加不同浓度咪唑啉磷酸酯季铵盐缓蚀剂(IPI)的CO_2饱和的2% NaCl溶液中的缓蚀性能和作用机制,结果表明该IPI缓蚀剂可以有效地抑制液相中Q235钢的CO_2腐蚀,缓蚀率随着缓蚀剂浓度的增加不断增大,浓度为1000 mg·L~(-1)时,293 K和333 K时的缓蚀率最高分别达到93.3%和85.0%,缓蚀率随着浸泡时间的延长下降缓慢,具有非常好的后效性。腐蚀速率随着温度的升高而增加,在同一浓度下,缓蚀率随着温度升高而降低。IPI缓蚀剂对于Q235钢腐蚀反应的阴、阳极反应都有抑制作用,抑制阳极反应较阴极明显,属于典型的阳极型缓蚀剂,作用方式为“负催化效应”。 为了进一步对IPI缓蚀剂吸附膜的性质进行分析与表征,采用了FT-IR和XPS表面分析测试,结果证实IPI缓蚀剂确实可以在碳钢表面形成缓蚀剂吸附膜并且吸附膜的主要成分是其水解产物长链脂肪酰胺(LFA)。 采用量子化学PM6半经验算法计算并验证了LFA的缓蚀性能与分子结构之间的规律,研究了其在Q235钢表面的吸附模式。计算结果表明优化后的LFA分子结构中,多个杂原子N、O、P大致在一个平面上,有利于分子在碳钢表面多中心吸附。LFA分子的吸附主要是通过胺基、酰基和磷酸酯基团与碳钢表面的Fe原子发生相互作用。 (2)本实验室从缓蚀剂分子设计角度出发,在量子化学指导下,开发了另一种具有多吸附中心的的硫脲基咪唑啉缓蚀剂。本文系统地研究了该缓蚀剂在气液两相中抑制Q235钢CO_2腐蚀的缓蚀性能并对缓蚀机理进行了深入地探讨。 采用失重法、极化曲线法和EIS等测试方法研究了硫脲基咪唑啉缓蚀剂(TAI)在不同温度、不同浓度时的气液两相的缓蚀性能及其缓蚀剂吸附膜在Q235钢表面的生长和衰减规律,测试结果表明该TAI缓蚀剂在较低浓度时即对Q235钢的气液两相的CO_2腐蚀具有较好的缓蚀效果。由于吸附模式的改变,液相的缓蚀率在浓度为50 mg·L~(-1)时出现了浓度极值现象。随着浸泡时间的延长,液相的缓蚀率缓慢下降,而气相的缓蚀率出现波动现象,这可能是由于碳钢表面的腐蚀产物与缓蚀剂的协同效应所致。随着温度的升高,气液两相的腐蚀速率均增大,缓蚀率略有降低。TAI缓蚀剂对于Q235钢腐蚀反应的阴、阳极反应都有抑制作用,抑制阳极反应较阴极明显,属于典型的阳极型缓蚀剂。零电荷电位的测定结果表明,Q235钢在空白溶液及不同浓度TAI溶液中表面均带有过量的负电荷,TAI缓蚀剂的加入使零电荷电位正移。 表面分析测试FT-IR、AFM和XPS结果证实TAI缓蚀剂在液相和气相中在Q235钢表面形成的缓蚀剂吸附膜的主要成分分别为TAI分子及其水解产物酰胺AMI分子。相对于空白溶液,加入TAI缓蚀剂之后,Q235钢试样表面的粗糙度减小,在相同的AFM探针—样品距离时,液相试样由于电荷的屏蔽效应检测到的斥力减小,而气相试样检测到的斥力增加。 量化计算结果表明TAI和AMI分子分别通过咪唑啉环、硫脲乙基与酰基、硫脲基官能团与碳钢表面的Fe原子发生相互作用形成了多中心吸附。TAI分子的非极性烃基链与金属表面平行,而AMI的非极性烃基链大致与金属表面垂直。……   
[关键词]:Q235钢;CO_2腐蚀;气液两相;缓蚀剂;电化学测试;AFM;XPS
[文献类型]:博士论文
[文献出处]:中国海洋大学2011年