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油氣工業常用緩蝕劑

發表時間:2020-01-07
油氣田使用的緩蝕劑,特別是在含CO2的油氣田等腐蝕環境中,主要為“界面型”緩蝕劑,它們本身或它們的反應產物吸附在金屬表面上,形成一層連續的或不連續的吸附層和保護性膜層,阻滯腐蝕過程的陰極、陽極或同時阻滯陰陽極反應,從而產生緩蝕作用。
CO2腐蝕緩蝕劑的早期研究主要針對金屬在水相環境中的腐蝕,其種類較多,包括酰胺、咪唑啉、季銨鹽、雜環化合物等,已被廣泛應用于石油、石化領域,發揮著極為重要的作用。隨著研究的深入及工業技術的發展,管道頂部腐蝕問題越來越引起人們的重視,各種蒸氣相、氣相緩蝕劑也應運而生。下面詳細介紹幾類緩蝕效果較好的緩蝕劑以及該領域的研究進展。
咪唑啉及其衍生物類
在眾多CO2緩蝕劑中咪唑啉及其衍生物用量最大,約占緩蝕劑總用量的90%左右。咪唑啉及其衍生物于1949年首次在美國獲得專利,1963年最早報道了咪唑啉作為一種緩蝕劑應用于油田。咪唑啉具有無刺激性氣味、毒性低、熱穩定性好、生物易降解等特點,能夠有效抑制CO2環境下金屬的全面腐蝕和局部腐蝕,目前已被成功地用于多個含CO2的油氣田。
關于咪唑啉在鋼鐵表面的緩蝕機理研究,國內外學者已經開展了大量工作,從早期吸附類型的判別、吸附模型的建立到近期官能團的作用機理、緩蝕劑膜厚度、成膜穩定性、咪唑啉水解性等都取得了一定的成就。
咪唑啉季銨鹽是通過季銨化改性處理將咪唑啉環上氮原子化合價變成五價形成的,由于季銨鹽分子中N+對金屬表面的吸附作用更強烈,所以咪唑啉季銨鹽的緩蝕性能遠比咪唑啉要好。季銨陽離子能被帶負電荷的金屬表面所吸附,對陽離子放電反應產生極大的影響,其排列在金屬表面就像使金屬表面帶正電荷一樣,使氫離子難于靠近金屬表面,不僅加強了隔離作用,而且阻礙了電荷的轉移,使陰極反應速率降低;季銨鹽上陰離子對陽離子型緩蝕劑的靜電吸附也有較大影響。常用的季銨化試劑主要有氯乙酸鈉、芐基氯等。大量研究表明,咪唑啉季銨鹽可以有效抑制油氣工業中的CO2腐蝕。
氣相緩蝕劑
隨著天然氣工業的發展,傳統的液相緩蝕劑已很難達到防腐蝕目的,如液相緩蝕劑往往難以抑制濕氣管線的頂部腐蝕,故此時人們開發研制了新類型的緩蝕劑,即氣相緩蝕劑。氣相緩蝕劑分子自由度較高,特別適用于形狀復雜的管道。其缺點是生產和使用過程中易被吸入體內,造成較大的傷害,使得目前商品化氣相緩蝕劑較少。
最初,鋼鐵用氣相緩蝕劑主要為低分子量有機胺及其鹽類,如異丙胺、亞硝酸二環己胺。將咪唑啉與低分子量胺復配后用于輸氣管線,實現了一定的緩蝕效果。但由于這類物質揮發性太大,氣味和毒性也大,使其應用受到極大限制。20世紀90年代后,緩蝕劑的構效關系逐漸清晰化,可以借助分子設計和分子組裝來指導氣相緩蝕劑的合成,使氣相緩蝕劑的開發進入了一個新階段,多種新型高效、低毒氣相緩蝕劑走入人們視線。低聚型緩蝕劑是受關注較多的一個研究方向。低聚型氣相緩蝕劑可以在分子內引入不同作用的活性基團同時抑制幾種因素的腐蝕,可以說是在分子內實現了復配使用,有可能形成比分子外復配更致密的保護膜,具有更好的協同效應。一些雜環類化合物被開發用作氣相緩蝕劑,如唑類衍生物、嗎啉類衍生物,其分子中O、N、S、P等原子作為活性吸附中心,對多種金屬具有較強的吸附作用,且分子內或分子間極易形成大量氫鍵增厚吸附層,造成氫離子接近金屬表面的更大阻力,具有非常好的氣相緩蝕效果。
復配型緩蝕劑
油氣開采過程中,金屬管道大多是處于多相共存的環境中,常涉及液相、氣相交互作用共同影響材料腐蝕進程的問題。為此開發了眾多種類的氣液雙相復合型緩蝕劑,在油氣工業中發揮了巨大的作用。用于油氣管道的緩蝕劑配方,組分往往包括咪唑啉、有機酸、不同的表面活性劑和氣相緩蝕劑的復配物。有研究結果表明氣液相復合型緩蝕劑能有效減緩油田設備的腐蝕。以環保為基點研制針對高溫高壓CO2腐蝕環境,研制適用于多相腐蝕體系的緩蝕劑符合當前油氣工業發展的需求。其中以現有緩蝕劑為基礎,探索不同緩蝕劑的最佳復配配方,提高緩蝕效率、擴大緩蝕劑適用范圍、降低有毒緩蝕劑的用量,最終得到高效、低毒、通用型緩蝕劑也是這一領域研究不斷滿足實際需求的一條捷徑。
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