二氧化碳腐蝕試驗（CO? Corrosion Test），也稱為甜腐蝕試驗（Sweet Corrosion Test），是一種用于評估材料（尤其是金屬材料，如碳鋼、低合金鋼、不銹鋼等）在含二氧化碳（CO?）環境下的耐腐蝕性能的試驗方法。這種腐蝕常見于石油天然氣開采、輸送管道、化工設備、碳捕集與封存（CCS）系統等工業領域。
一、什么是二氧化碳腐蝕？
定義：當CO?溶于水后，形成碳酸（H?CO?），導致水溶液呈酸性，從而引發金屬材料的電化學腐蝕。
CO? + H?O → H?CO? → H? + HCO?? → 2H? + CO?2?
特點：
區別于含硫化氫（H?S）的“硫化物應力腐蝕開裂（SSC）”（即“酸性腐蝕”或“** sour corrosion**”）。
因其腐蝕環境相對“溫和”，故被稱為“甜腐蝕（Sweet Corrosion）”。
二、二氧化碳腐蝕試驗的目的
評估材料在模擬工況下的均勻腐蝕速率。
檢測是否發生局部腐蝕（如點蝕、臺地腐蝕）。
驗證緩蝕劑的防護效果。
評價腐蝕產物膜（如FeCO?）的保護性。
為選材、防腐設計和壽命預測提供依據。
三、常見試驗標準
| 標準 | 適用范圍 | 簡介 |
|---|---|---|
| NACE TM0177 / ISO 15156 | 油氣田環境 | 包含CO?/H?S共存條件下的材料性能評估 |
| NACE TM0775 | 碳鋼和低合金鋼在酸性環境中的腐蝕試驗 | 常用于評估CO?腐蝕速率 |
| ASTM G31 | 實驗室浸泡試驗指南 | 提供通用腐蝕試驗方法框架 |
| ISO 15156-2 / NACE MR0175 | 油氣工業用材料抗環境開裂性能 | 涉及CO?分壓對材料選擇的影響 |
| SY/T 5273-2014 | 中國石油天然氣行業標準 | 適用于油田采出液中CO?腐蝕模擬試驗 |
四、試驗方法與流程
1. 試驗類型
| 類型 | 描述 | 適用場景 |
|---|---|---|
| 靜態試驗 | 將試樣置于密閉容器中，通入CO?并恒溫浸泡 | 初步篩選材料或緩蝕劑 |
| 動態試驗 | 使用旋轉圓柱電極（RCE）或流動回路模擬流體沖刷 | 更接近實際管道流動條件 |
| 高壓釜試驗（Autoclave Test） | 在高溫高壓條件下進行，模擬深井環境 | 高壓CO?環境（如油氣井） |
2. 典型試驗條件
溫度：25°C ~ 150°C（根據實際工況）
CO?分壓：0.1 bar ~ 數十 bar
介質：模擬地層水（含Cl?、HCO??等）、鹽水、原油+水混合物
pH值：3.5 ~ 6.5（CO?溶解后自然形成）
試驗時間：數小時至數周（常見為7天、14天、30天）
試樣：標準金屬片（通常為碳鋼N80、P110、13Cr等）
3. 試驗步驟示例
制備試樣：打磨、清洗、稱重（精確至0.1mg）。
配置腐蝕介質（如3.5% NaCl溶液）。
將試樣放入反應釜，加入介質，密封。
抽真空后通入CO?氣體，維持設定壓力。
加熱至目標溫度，開始計時。
試驗結束后取出試樣，清洗腐蝕產物（常用Clarke溶液或Rigo溶液）。
再次稱重，計算腐蝕速率：
腐蝕速率（mm/year）= (ΔW × 8.76×10?) / (A × t × ρ)
ΔW：質量損失（g）
A：表面積（cm2）
t：時間（h）
ρ：材料密度（g/cm3）
五、評估指標
平均腐蝕速率（mm/year 或 mpy）
局部腐蝕深度（最大點蝕深度）
腐蝕形貌分析（通過SEM、EDS觀察）
腐蝕產物膜成分分析（XRD、XPS）
電化學參數（可結合EIS、極化曲線等原位監測）
六、影響CO?腐蝕的主要因素
| 因素 | 影響 |
|---|---|
| CO?分壓 | 分壓越高，腐蝕性越強 |
| 溫度 | 一般<60°C時腐蝕加劇；>80°C可能形成保護性FeCO?膜 |
| pH值 | pH越低，腐蝕速率越高 |
| 流速 | 高流速破壞腐蝕膜，加劇沖刷腐蝕 |
| Cl?濃度 | 促進點蝕和膜局部破壞 |
| HCO??濃度 | 可緩沖pH，有時抑制腐蝕 |
| 材料成分 | Cr、Mo等合金元素提高抗CO?腐蝕能力 |
七、應用領域
油氣行業：油井管、集輸管線、井下工具
CCUS（碳捕集、利用與封存）：CO?輸送管道、封存地層材料
化工設備：尿素生產、合成氨裝置
地熱系統：高溫高壓含CO?熱水環境
八、企業應對建議
選材優化：在高CO?環境下優先選用含Cr鋼、雙相不銹鋼或鎳基合金。
使用緩蝕劑：定期注入成膜型緩蝕劑。
內涂層或襯里：采用環氧涂層、玻璃鋼襯里等物理防護。
開展腐蝕試驗：新產品或新工況前進行CO?腐蝕模擬測試。
監測與維護：在線腐蝕監測（如腐蝕掛片、電阻探針）。
總結
二氧化碳腐蝕試驗是評估材料在酸性含CO?環境中服役壽命的關鍵手段。通過標準化的試驗方法，可以有效預測材料腐蝕行為，指導工業設備的安全設計與運行。對于涉及油氣、CCUS、化工等行業的企業，建立CO?腐蝕評估能力至關重要。
如需具體試驗方案或標準文本，可參考NACE、ISO或國家標準，并建議與專業檢測機構（如訊科標準等）合作開展測試。