碳钢在CO_(2)环境中无机垢下腐蚀研究进展

垢下腐蚀(UDC)是油气管道失效的重要原因之一。垢层下腐蚀环境区别于无垢层覆盖区域,可能产生严重的局部腐蚀,甚至引起管道穿孔。针对CO_(2)环境下的无机物垢层,对油气管道中碳钢的垢下腐蚀研究进展进行了综述,简述了垢下腐蚀的作用机理、影响因素和控制方法。由于化学成分和环境的多样性,垢下腐蚀的作用机制并不唯一,发现在CO_(2)环境下电偶腐蚀机理被普遍讨论,根据阴阳极的分布情况,从3个方面对电偶腐蚀机理进行了概括。垢下腐蚀速率主要与垢层性质和介质环境有关,总结了无机物垢层性质、pH值和不同工况条件对碳钢垢下腐蚀的影响。概述了垢下腐蚀的主要控制方法,着重介绍了缓蚀剂的作用机理,发现缓蚀剂的效果很大程度上受到垢层性质的影响。最后,对垢下腐蚀未来的研究方向及发展趋势进行了展望,为进一步揭示无机盐与CO_(2)腐蚀产物混合层的保护性,有必要从半导体电子微观的角度进行分析。同时,在高浓度CO_(2)环境下探讨垢下腐蚀的作用机制与影响规律,也是未来的研究方向之一。

CO_(2)/O_(2)环境对柴油着火及燃烧特性的影响

为研究CO_(2)/O_(2)环境对柴油着火和燃烧特性的影响,以正庚烷为柴油表征燃料,利用CONVERGE计算了不同CO_(2)/O_(2)环境下正庚烷的着火和燃烧过程,并搭建了可视化定容燃烧弹试验平台进行了验证。使用高速摄影机记录了初始温度850 K,初始压力3 MPa,CO_(2)体积分数分别为35%、40%、50%和60%时正庚烷燃烧的自发光强度,利用CHEMKIN中定容均质反应器分析了CO_(2)物理和化学作用对着火的影响。研究结果表明:在CO_(2)体积分数35%时存在爆燃的现象,随着CO_(2)体积分数增长,着火延迟时间增长,着火位置远离喷嘴,稳态燃烧阶段火焰的长度和宽度也增大,CO_(2)体积分数在50%~60%之间时火焰自发光强度峰值明显下降;CO_(2)的物理作用抑制了着火,第三体作用对着火的促进作用大于直接参与反应对着火的抑制作用,造成CO_(2)的化学作用缩短了着火延迟时间,并且随着CO_(2)体积分数增大,化学作用对着火的促进作用更加明显。

正庚烷在O_(2)/CO_(2)环境中的着火特性

为准确预测正庚烷(n-C_(7)H_(16))在O_(2)/CO_(2)环境中的着火延迟,提出了Chalmers 1(C1)化学动力学机理。该机理包含32个组分和96个反应,考虑了CO_(2)对正庚烷着火延迟的影响,计算了不同CO_(2)体积分数条件下的着火延迟时间。建立了定容燃烧弹(constant volume combustion chamber,CVCC)可视化试验平台在5个工况下对机理进行了验证,对CO_(2)的热效应、第三体效应和各基元反应对着火的敏感性进行了分析。结果表明:该机理能够预测正庚烷在不同体积分数比的O_(2)/CO_(2)环境中的着火延迟时间,与试验数据相比,最大误差6.5%,最小误差1.4%。CO_(2)的第三体效应导致着火延迟在工况1(65%O_(2)/35%CO_(2))中缩短了6%,在工况5(30%O_(2)/70%CO_(2))中缩短了27.3%。

低碳中铬钢在模拟CO_(2)驱油环境中的电化学行为

通过模拟动态腐蚀试验和电化学测试,分析了自主冶炼的低碳中铬钢Cr5和Cr7在模拟长庆油田CO_(2)驱油(CO_(2)-EOR)环境中的腐蚀行为,采用失重法、扫描电镜(SEM)和X射线光电子能谱仪(XPS)等方法,对比分析了两种材料的耐蚀性。结果表明:Cr5钢的腐蚀速率为0.73475 mm/a,Cr7钢的腐蚀速率为0.21732 mm/a;Cr5钢和Cr7钢表面的腐蚀产物膜均为双层结构,腐蚀产物膜主要成分是FeCO_(3)和Cr(OH)_(3),Cr7钢表面的腐蚀产物膜更致密;当温度为30℃时,Cr5钢和Cr7钢的电化学行为均由电极活化控制,当温度为50℃和70℃时,Cr5钢的电化学行为转变为由电极活化和扩散混合控制,而Cr7钢的电化学行为仍由电极活化控制。

高浓度CO_(2)对70%正庚烷+30%甲苯着火延迟的影响

为了研究柴油在O_(2)/CO_(2)环境下的着火延迟时间,建立了以70%正庚烷+30%甲苯作为柴油表征燃料的着火延迟时间模型。该模型考虑了高浓度CO_(2)对着火的阻燃作用,得到了着火延迟时间函数,包括温度、环境密度以及O_(2)、CO_(2)气体浓度。结合正庚烷/甲苯机理的仿真计算和定容燃烧弹可视化试验,对不同CO_(2)体积分数下的着火延迟时间和影响着火发生的重要基元反应进行深入研究。结果表明:本文模型能够预测柴油在O_(2)/CO_(2)环境下的着火延迟时间,且在50%CO_(2)环境下计算和实验的平均误差值为5.71%;CO_(2)的热效应对着火延迟时间的影响起主导作用,同时当CO_(2)体积分数大于60%时,CO_(2)的第三体碰撞效应对着火发生的促进作用显著增强。

NH_(4)^(+)浓度对N80钢在饱和CO_(2)的3%NaCl溶液中腐蚀行为的影响

利用失重法和电化学方法研究了N80钢在不同NH_(4)^(+)浓度下饱和CO_(2)的3%NaCl溶液中的腐蚀行为,通过SEM、3D轮廓仪、XRD和XPS对腐蚀形貌和腐蚀产物进行表征,阐释了腐蚀机理。结果表明,NH_(4)^(+)浓度对N80钢的腐蚀速率产生促进和抑制双重效果。当NH_(4)^(+)浓度为0~500 mg/L时,N80钢的均匀腐蚀速率随NH_(4)^(+)浓度增加而增加;当NH_(4)^(+)浓度增加至1000~2000 mg/L时,N80钢的均匀腐蚀速率随NH_(4)^(+)浓度增加而降低,且点蚀速率随NH_(4)^(+)浓度的变化规律与均匀腐蚀基本相同;当NH_(4)^(+)浓度为500 mg/L时,均匀腐蚀速率和小孔腐蚀速率最大。当NH_(4)^(+)浓度≤500 mg/L时,NH_(4)^(+)和Cl^(-)在金属表面发生了竞争吸附;当NH_(4)^(+)浓度大于500 mg/L时,NH_(4)^(+)在金属表面发生吸附对腐蚀起抑制作用。

液氧固碳闭式循环柴油机着火机理研究

为研究液氧固碳闭式循环柴油机的着火特性,提出柴油表征燃料正庚烷(n-C7H16)在O_(2)/CO_(2)环境中的化学反应机理(简称COCD机理)。该机理考虑CO_(2)的两种效应(热效应和第三体效应)对正庚烷着火过程的影响,计算多个工况下的着火延迟时间,采用定容燃烧弹(Constant volume combustion chamber,CVCC)可视化试验平台模拟液氧固碳闭式循环柴油机的真实工况并进行试验,对COCD机理的计算结果进行验证。研究CO_(2)的两种效应对着火延迟时间的影响,采用敏感性分析和产率分析的方法研究不同工况下着火过程中的关键反应。结果表明,COCD机理的预测值在61%O_(2)/39%CO_(2)、53%O_(2)/47%CO_(2)、45%O_(2)/55%CO_(2)以及40%O_(2)/60%CO_(2)的工况下的最大误差为7.5%,最小误差为1.3%。在O_(2)/CO_(2)环境中,反应C_(7)H_(14)O_(2)H+O_(2)→C_(7)H_(14)O_(2)HO_(2)和H2O_(2)+M→2OH分别是影响正庚烷第一阶段和第二阶段放热的主要反应。