碳捕获、利用与封存（CCUS）技术是当前全球应对气候变化的重要技术之一,主要分为碳捕集、碳利用、碳封存三个过程,即把生产过程中积蓄的二氧化碳进行提纯,继而投入到新的生产过程中循环再利用或埋存于地层中。CCUS技术已成为当前最直接最有效的二氧化碳减排方式[1]。二氧化碳运输是CCUS技术的关键环节,在CCUS技术链中具有纽带作用,其中,管道输送是CCUS技术链条中CO2运输环节最经济高效的方式之一。尽管管道铺设成本较高,但使用寿命长,维护成本低,能承受较高的压力,运输介质损失率较低,是较安全、环保和经济的输送方式[2]。

目前的CO2输送管道主要采用碳钢[3-5]。按照管道输送时CO2的相态,可分为气相CO2管道、液相CO2管道和超临界CO2管道,若液相和超临界CO2混合存在,则称为密相CO2管道。通常,干燥纯净的CO2对碳钢没有腐蚀性。但是,受CO2来源、捕集与分离方法等的制约,管道输送的CO2中不可避免含有H2O、O2、SOx、NOx、H2S、有机酸和胺等杂质[6-7]。若CO2管道中形成自由水相,CO2将溶于水形成H2CO3,从而导致碳钢管道的腐蚀,O2、SOx和NOx等杂质的存在也会加速腐蚀,增加管道的运行风险[3,6-7]。随着CCUS技术的发展和推广应用,含杂质CO2输送管道的内腐蚀问题引起了越来越多的重视。因此,对CO2管道服役过程中的腐蚀程度进行评估,研究CO2输送管道内腐蚀的特殊规律和机理,对于CO2管道设计、施工、运行维护以及推进CCUS技术的规模化应用具有重要意义[3,8]。

目前,实验室主要采用高温高压反应釜进行CO2输送管道的内腐蚀模拟试验,通过挂片腐蚀质量损失法确定腐蚀速率,利用表面分析方法（SEM、EDS等）表征腐蚀产物的形貌和成分特征,这存在一定的局限性。大尺寸环路腐蚀试验除具备腐蚀质量损失法和表面分析方法的功能,还能够模拟管输过程中多组分介质的流动混合状态,能真实反映输送管道的腐蚀状况。目前,国内尚未有采用环路腐蚀试验开展CO2输送管道腐蚀的研究报道。笔者采用已建成的腐蚀环路试验装置,以某气相CO2输送管道设计运行工艺参数为依据,开展气相CO2腐蚀环路模拟试验,对含微量水及氧气的CO2管道的腐蚀速率和特征进行研究,以期为该气相CO2管道内腐蚀防护提供指导。

1. 试验

1.1 腐蚀环路试验装置及参数

腐蚀环路试验采用深水多相流动态腐蚀评价系统（以下简称环路）。该系统由环路装置和配套的监检测设备组成,见图1,工艺流程见图2,详细参数见表1。该环路可开展油气水多相介质、湿气腐蚀、CO2腐蚀、细菌腐蚀、垢下腐蚀等腐蚀模拟试验,可获得此钢质管道的腐蚀速率及腐蚀特征。

图 1 深水多相流动态腐蚀评价系统

Figure 1. Deep water multiphase flow dynamic corrosion evaluation system: (a) indoor part; (b) outdoor part

图 2 深水多相流动态腐蚀评价系统工艺流程

Figure 2. Process flow of deep water multiphase flow dynamic corrosion evaluation system

1.2 环路试验参数

环路腐蚀试验参数如表2所示。