X80钢焊接接头在多介质耦合的液态/近临界区CO2体系中的腐蚀机理研究

20250120

水利、环境和公共设施管理业

当前我们对于CCUS腐蚀与防护领域、井筒完整性领域已经有了多年的基础，同时有了一些深刻的认识，现已经研制出腐蚀预测模型，当前已经应用于十余家油田企业，同时经过行业专家认定软件已经处于国际领先水平。

当下软件已经成功研制出了部分模块，后续涉及软件界面的设计、编程，已经多个软件融合，需要合作完成。我们目标为建立一个CCUS井筒完整性领域权威的软件库。

可国（境）内外转让

当下关于碳捕集、利用与封存（CCUS）相关的软件十分有限，同时软件国产化是我们急需解决的问题，软件的顺利推广，会带来十分可观的收入。

北京市自然科学基金面上项目

北京市科学技术委员会;中关村科技园区管理委员会

1. 项目成果总结 本项目旨在掌握CCUS系统含杂质超临界CO2输送管道焊接接头的腐蚀机理，为管线钢在超临界CO2环境下腐蚀机理的研究进一步的进行了补充与说明。项目目前共发表论文11篇，其中包含SCI论文6篇，中文核心论文4篇，会议论文1篇。其中2篇发表在腐蚀科学领域的Top期刊Corrosion Science上，2篇发表在表面防护Top期刊Surface & Coatings Technology上。参与CCUS领域专著《二氧化碳地质利用与封存工程腐蚀表征、监测与控制》的编写。项目负责人累计参加了2次国际会议以及5次国内会议，同时进行了10次学术交流访问工作。并于2024年上半年组织了一次大规模的国际学术会议：第一届国际碳捕集、利用与封存装备完整性与材料保护技术研讨会。在获奖方面，项目负责人获得了陕西省科学技术进步二等奖以及发明创新奖一等奖。在软件制作方面，项目负责人团队研制出了多杂质耦合工况下的腐蚀预测模型，并命名为SuperCCorp，当前已经应用与多家油田企业，处于国际领先水平。在参加国际学术会议3次并进行2次专题汇报。已培养12名硕士、2名博士。另有11名硕士、4名博士研究生在读。
2. 代表性结果介绍 2.1 X65焊接接头在CO2/SO2饱和溶液中电化学腐蚀机理研究 本项目探究了X65管线钢焊接接头在多杂质耦合的CO2中的腐蚀机理，研究发现母材区（BM）和热影响区（HAZ）主要由多边形铁素体和珠光体组织组成，而焊缝区（WM）结构是由多角形晶界铁素体、贝氏体和针状铁素体结构组成的。在饱和CO2溶液中，焊缝区的腐蚀速率最高，母材区的腐蚀速率最低。在加入低浓度的二氧化硫后，发现所有区域的腐蚀速率都有所下降，其中母材区区域的腐蚀速率下降最明显。电化学阻抗谱（EIS）和X射线光电子能谱（XPS）的分析结果表明，SO2及其水合物更倾向于吸附在母材区中。更倾向于吸附在母材区并生成FeS产物而焊缝区（WM）的吸附性最差。 2.2 富水相与富CO2相中焊接接头腐蚀机理研究 本项目研究发现相态环境对于管线钢焊接接头腐蚀性能有着重要的影响。在富水相环境中，焊接接头各区域的腐蚀速率显著高于富CO2相。在富CO2相环境中有利于FeCO3产物膜的生成，有效降低了金属试样的腐蚀速率。在富水相环境中焊缝区的均匀腐蚀速率比另外两个区域的略高，在富CO2环境中热影响区的均匀腐蚀速率最高，但是在相同环境各区域均匀腐蚀速率没有显著差别。热影响区在富水相环境与富CO2环境均出现了较严重的点蚀情况。 2.3 腐蚀预测模型的建立 本项目还针对超临界工况下富水相环境，进行了腐蚀预测模型的建立。该预测模型包含了溶解度模型，离子电离平衡模型，腐蚀产物膜生长模型，离子输运模型以及电化学模型。该模型可以计算不同周期条件下产物膜厚度变化情况，产物膜内外离子浓度变化，以及金属试样表面的腐蚀速率的变化规律。模型综合计算了多杂质耦合工况下富水相环境中腐蚀速率，可以预测出不同环境、工况下管线钢以及水泥环的使用寿命。同时该预测模型已经研制出软件，并命名为SuperCCorp。当前已经应用于长庆、大庆、吉林油田等十四家单位。该软件对于工程指导具有重要的意义。
3. 总结 该项目经过一系列实验研究，系统的研究了CCUS输送体系中的薄弱环节—焊接接头的腐蚀性能，并得出了以下主要结论： （1）焊缝区始终处于腐蚀的高发区，有着较高的腐蚀速率。加入低浓度SO2之后研究发现焊接接头各区域腐蚀速率下降，且在母材区下降的更明显。 （2）含水量对于管线钢焊接接头腐蚀性能的影响大，会同时增加均匀腐蚀与局部腐蚀速率。在富水相环境中热影响区的点蚀速率始终最高，在工程实际问题中要重视热影响区的点蚀失效问题。 （3）建立了腐蚀预测模型，这对于预测超临界CO2体系中金属套管的腐蚀速率与力学寿命具有重要的意义。腐蚀预测模型的建立也为制定CO2输送管道的设计标准及管输CO2气体质量的控制标准的制定提供了数据支持。