碳捕獲、利用與封存（CCUS）技術(shù)是當(dāng)前全球應(yīng)對(duì)氣候變化的重要技術(shù)之一,主要分為碳捕集、碳利用、碳封存三個(gè)過程,即把生產(chǎn)過程中積蓄的二氧化碳進(jìn)行提純,繼而投入到新的生產(chǎn)過程中循環(huán)再利用或埋存于地層中。CCUS技術(shù)已成為當(dāng)前最直接最有效的二氧化碳減排方式[1]。二氧化碳運(yùn)輸是CCUS技術(shù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié),在CCUS技術(shù)鏈中具有紐帶作用,其中,管道輸送是CCUS技術(shù)鏈條中CO2運(yùn)輸環(huán)節(jié)最經(jīng)濟(jì)高效的方式之一。盡管管道鋪設(shè)成本較高,但使用壽命長(zhǎng),維護(hù)成本低,能承受較高的壓力,運(yùn)輸介質(zhì)損失率較低,是較安全、環(huán)保和經(jīng)濟(jì)的輸送方式[2]。
目前的CO2輸送管道主要采用碳鋼[3-5]。按照管道輸送時(shí)CO2的相態(tài),可分為氣相CO2管道、液相CO2管道和超臨界CO2管道,若液相和超臨界CO2混合存在,則稱為密相CO2管道。通常,干燥純凈的CO2對(duì)碳鋼沒有腐蝕性。但是,受CO2來源、捕集與分離方法等的制約,管道輸送的CO2中不可避免含有H2O、O2、SOx、NOx、H2S、有機(jī)酸和胺等雜質(zhì)[6-7]。若CO2管道中形成自由水相,CO2將溶于水形成H2CO3,從而導(dǎo)致碳鋼管道的腐蝕,O2、SOx和NOx等雜質(zhì)的存在也會(huì)加速腐蝕,增加管道的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)[3,6-7]。隨著CCUS技術(shù)的發(fā)展和推廣應(yīng)用,含雜質(zhì)CO2輸送管道的內(nèi)腐蝕問題引起了越來越多的重視。因此,對(duì)CO2管道服役過程中的腐蝕程度進(jìn)行評(píng)估,研究CO2輸送管道內(nèi)腐蝕的特殊規(guī)律和機(jī)理,對(duì)于CO2管道設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)行維護(hù)以及推進(jìn)CCUS技術(shù)的規(guī)?；瘧?yīng)用具有重要意義[3,8]。
目前,實(shí)驗(yàn)室主要采用高溫高壓反應(yīng)釜進(jìn)行CO2輸送管道的內(nèi)腐蝕模擬試驗(yàn),通過掛片腐蝕質(zhì)量損失法確定腐蝕速率,利用表面分析方法（SEM、EDS等）表征腐蝕產(chǎn)物的形貌和成分特征,這存在一定的局限性。大尺寸環(huán)路腐蝕試驗(yàn)除具備腐蝕質(zhì)量損失法和表面分析方法的功能,還能夠模擬管輸過程中多組分介質(zhì)的流動(dòng)混合狀態(tài),能真實(shí)反映輸送管道的腐蝕狀況。目前,國(guó)內(nèi)尚未有采用環(huán)路腐蝕試驗(yàn)開展CO2輸送管道腐蝕的研究報(bào)道。筆者采用已建成的腐蝕環(huán)路試驗(yàn)裝置,以某氣相CO2輸送管道設(shè)計(jì)運(yùn)行工藝參數(shù)為依據(jù),開展氣相CO2腐蝕環(huán)路模擬試驗(yàn),對(duì)含微量水及氧氣的CO2管道的腐蝕速率和特征進(jìn)行研究,以期為該氣相CO2管道內(nèi)腐蝕防護(hù)提供指導(dǎo)。
1. 試驗(yàn)
1.1 腐蝕環(huán)路試驗(yàn)裝置及參數(shù)
腐蝕環(huán)路試驗(yàn)采用深水多相流動(dòng)態(tài)腐蝕評(píng)價(jià)系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱環(huán)路）。該系統(tǒng)由環(huán)路裝置和配套的監(jiān)檢測(cè)設(shè)備組成,見圖1,工藝流程見圖2,詳細(xì)參數(shù)見表1。該環(huán)路可開展油氣水多相介質(zhì)、濕氣腐蝕、CO2腐蝕、細(xì)菌腐蝕、垢下腐蝕等腐蝕模擬試驗(yàn),可獲得此鋼質(zhì)管道的腐蝕速率及腐蝕特征。
| 項(xiàng)目 | 參數(shù)及范圍 |
|---|---|
| 試驗(yàn)管段管徑 | 4英寸（114.3 mm） |
| 試驗(yàn)管段壁厚 | 6 mm |
| 試驗(yàn)管段材質(zhì) | 316 L不銹鋼 |
| 試驗(yàn)管段幾何結(jié)構(gòu) | （1）水平試驗(yàn)管段； |
| （2）垂直試驗(yàn)管段； | |
| （3）傾斜試驗(yàn)管段（傾角分別為2°、3°和5°） | |
| 試驗(yàn)壓力范圍 | 0~7 MPa |
| 試驗(yàn)溫度范圍 | 室溫~150 ℃ |
| 試驗(yàn)介質(zhì) | N2、CO2、模擬生產(chǎn)水、白油 |
| 試驗(yàn)介質(zhì)流速（流量） | 液相：最大5 m/s（或70 m3·h-1）； |
| 氣相（標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)）：最大10 m·s-1（或10 000 m3·h-1） | |
| 試驗(yàn)管段腐蝕監(jiān)檢測(cè)設(shè)備 | （1）電感探針在線腐蝕監(jiān)測(cè)系統(tǒng)：實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)腐蝕速率； |
| （2）LPR探針在線腐蝕監(jiān)測(cè)系統(tǒng)：實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)腐蝕速率； | |
| （3）高壓腐蝕掛片：檢測(cè)腐蝕速率和腐蝕形貌； | |
| （4）在線CO2監(jiān)測(cè)系統(tǒng)：監(jiān)測(cè)試驗(yàn)系統(tǒng)內(nèi)氣相CO2含量 |
1.2 環(huán)路試驗(yàn)參數(shù)
環(huán)路腐蝕試驗(yàn)參數(shù)如表2所示。
