Kết quả vàthảo luận về khả năng ức chế ăn mòn thép cần khoan và thép ống chống của dầu thảo mộc biến tính

Kết quả và thảo luận về khả năng ức chế ăn mòn thép cần khoan và thép ống chống của dầu thảo mộc biến tính

CHUONG 3: KET QUA VA THAO LUAN

CHUONG 3: KET QUA VA THAO LUAN

3.1, KHẢO SÁT KHA NANG UC CHE AN MON THEP CUA ĐẦU THẢO MỘC BIEN TINH BANG PHUGNG PHAP TRONG LUGNG

3.1.1 Sự phụ thuộc của tốc độ ăn mòn thép trong dung dịch khoan nền vào thời gian và nhiệt độ

Dung dịch khoan nền có tính ăn mòn mạnh, đo chứa nhiều muối hòa tan và dẫn

điện tốt như các muối clorua và sulfat của kim loại kiềm (bang 1)

Sau khi ngâm trong DDK nền, trên các mẫu thép K55 và S135 xuất hiện sản

phẩm ăn mòn mầu xanh đen, có hiện tượng ăn mòn cục bộ rõ rỆt, tạo ra những vùng

ăn mòn máng không đồng đều trên bề mặt thép

Tốc độ ăn mòn Vu ¿„ xác định theo phương pháp trọng lượng đối với 2 loại thép

S135 và K55 trong DDK nền thông khí và được khuấy với tốc độ 100—150 vòng/phút

ở các nhiệt độ 302C và §0°C được trình bày trong bảng 3 và trên hình 5

Bằng 3: Tốc độ ăn mòn thép S135 và K55 trong DDK nền (không có CỤC)

Kết quả ở bảng 3 cho thấy khi tăng thời gian ngâm mẫu, V,¿„ cả hai loại thép trong dung dịch khoan nền giảm đần Ở thời điểm ban đầu (sau 4 giờ thử nghiệm) Tốc độ ăn mòn vào khoảng 2 mm/năm, sau 3 ngày ngâm mẫu giảm xuống còn

khoảng 1 mm/ndm

Sự giảm tốc độ ăn mòn theo thời gian ở đây phù hợp với qui luật chung và được giải thích bởi sự hình thành lớp sản phẩm ăn mòn, chủ yếu là FezO›, Fe(OH)s hay FeạO¿ trên bề mặt thép, phần nào có tác dụng cách ly thép khỏi môi trường Bề dày của lớp màng tăng đần theo thời gian thử nghiệm và, dưới tác động của dòng chẩy,

sẽ đạt đến một giá trị giới hạn Như vậy, tốc độ ăn mòn cũng giảm đần theo thời

gian và cũng sẽ đạt đến một giá trị giới hạn Tuy nhiên, mức độ giảm tốc độ ăn mòn theo thời gian không lớn, do lớp sản phẩm ăn mòn xốp, không chặt khít, nên tác

dụng bảo vệ không cao

Từ bắng 3 và hình 5 ta thấy, ở cá hai nhiệt độ khảo sát, tốc độ ăn mòn thép

K55 đều cao hơn tốc độ ăn mòn thép S135 Sự bền ăn mòn của S135 so với thép ống

chống K55 có thể giải thích bởi sự có mặt của các nguyên tố Cr và Mo - có tính thụ

động cao - trong thành phần của thép S135 (bảng 2)

Kết quả ngâm mẫu cũng cho thấy: tốc độ ăn mòn cả hai loại thép trong DDK nền ở 30°C cao hơn ở 80°C Điều đó có thể giái thích là do ở nhiệt độ cao nồng độ oxy hòa tan trong DDK giảm đi, khiến đồng khuếch tán oxy giấm, qua đó làm giảm

tốc độ ăn mòn thép

3.1.2 Ảnh hưởng của nông độ DTMIBT và thời gian ngâm mẫu tới tốc độ ăn mòn

và tới hiệu quả ức chế ăn mòn thép cần khoan và thép ống chống,

Để đánh giá ảnh hướng của một số yếu tố khác nhau tới HQƯC ăn mòn thép

cần khoan S135 và ống chống K55 trong DDK ở 30°C và 80°C, chúng tôi tiến hành

các loạt thí nghiệm sau: đối với mỗi loại thép ở mỗi nhiệt độ khảo sát lần lượt thay

đổi nồng độ đầu biến tính trong phạm vị từ 0,0 đến 10g/1 Xác định tốc độ ăn mòn Voor cing nhu HQUC sau những khoảng thời gian thử nghiệm nhất định Kết quả được trình bày trong các phụ lục 3 — 10 và được minh họa bằng các đồ thị trên các

hình 6 — 13

3.1.2.1 Ảnh hưởng của nồng độ đầu

Nhìn chung, khi tăng nồng độ DTMBT trong DDK, tốc độ ăn mòn cá hai loại thép đều giám, HQUC tăng Ở vùng nồng độ CỨC <2 g/i, tốc độ ăn mòn 2 loại thép giấm không nhiều, khoảng từ 3 đến 6 lần thy thuộc vào nồng độ dầu, thời gian

ngâm mẫu và nhiệt độ thí nghiệm Khi tăng nồng độ CỨC lên 5g/1 và hơn nữa, tốc

độ ăn mòn giảm mạnh, đạt giá trị giới hạn, khoảng 0,06 - 0,08 mm / năm (các phụ

28

lục 3, 5, 7, 9 và các hình 6, 8, 10, 12) Tương ứng, HQỨC an min 2 loại thép khảo

sat trong DDK đều tăng đần khi tăng nồng độ DTMBT đến 2g đầu/ Ì và đạt giá trị giới hạn ở nồng độ đầu > 5g đầu/1, khoảng 93 ~ 97% ( các phụ lục 4, 6, 8, 10 và các

môi trường nước, tạo thành lớp màng hấp phụ Lớp màng hấp phụ này ngăn cần sự khuếch tán các chất xâm thực tới bề mặt thép, cũng như sự khuếch tán các sản phẩm

ăn mòn từ bề mặt thép vào môi trường, do đó làm giảm tốc độ ăn mòn thép Khi tăng nồng độ DTMBT, lớp màng trở nền khít chặt và che phủ toàn bộ bề mặt thép nên khả năng bảo vệ tăng Ở nồng độ CỰC đủ lớn, khi quá trình hấp phụ đạt cân

29

bằng, lượng chất hấp phụ trên bề mặt thép 1a cuc dai, HQUC dat gid trị giới hạn, 93

— 95 % đối với thép S125, 95 ~ 97% đối với thép K55

80 +

Hình 7a: Đồ thị biểu diễn ảnh hưng nồng độ DTMBT tới HOUC ăn mòn đối với thép

S135 trong DDK & nhiét dé 30°C

Hình 7b: Đồ thị biểu diễn ảnh huông của thời gian ngâm mẫu và nồng độ dầu tới

HOQUC ăn mòn đối với thép S135 trong DDK & nhiét dé 30°C

30

—X—Ddk+2.0z

daw

—*%—bdk+5.0g đầu/

—#—Ddik+10.0g đầu

Hình 9b: Đồ thị biểu diễn Ảnh hưởng của thời gian và nồng độ DTMBT tới hiệu quà ức

chế ăn mòn thép S135 trong DDX ở nhiệt độ 8C

0 -—+ kĂ © kz T ©

6 8 16 24 32 40 48 56 64 72

Thời gian ngâm mẫu (h)

Hình 11h: Đồ thị biểu diễn ảnh hung của thời gian và nồng độ DTMBT tới HQUC an

mòn đối với thép K55 trong DDK 6 nhiét dé 30°C

33

Hành 13a: Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng nồng độ DTMPBT tới HQUC ăn mòn đối với thép

55 trong DDK & nhiét dé 80°C

34

Hình 13b: Dé thi biểu diễn Ảnh hưởng của thời gian ngâm mẫu và nồng độ DTMBT tới

HOỨC ăn mòn đối với thép K55 trong DDK ở nhiệt độ 80°C

3.1.2.2 Ảnh hưởng của thời gian ngâm mẫu

Từ kết quả trong các phụ lục 3 -10 ta thấy tốc độ ăn mòn cả hai loại thép đều giảm theo thời gian ngâm mẫu HQƯC ăn mòn thép tăng khá rõ theo thời gian ngâm

mẫu ở những thời điểm ban đầu Điều này có thể giải thích dựa trên giả thuyết cho rằng một số chất ức chế hữu cơ hấp phụ trên nền sản phẩm ăn mòn (FezOx , Fe¿O¿

) tốt hơn là trên nền kim loại trần [37, 44] Sau 16 giờ ngâm mẫu hiệu quả bảo vệ có

giá trị tương đối ổn định, tăng không đáng kể theo thời gian Như vậy, phải chăng sau 16 giờ, lớp sản phẩm có thể đã phủ kín bề mặt mẫu và tạo điều kiện hấp phụ tốt

cho DTMBT Ở nồng độ đầu lớn ( > 5g/1) từ sau 24 giờ trở đi HQƯC cũng hầu như

không đổi theo thời gian

3.1.3 Ảnh hưởng của nhiệt độ tới hiệu quả ức chế ăn mòn thép cần khoan và

ống chống của DTMBT

3.1.3.1 Đối với thép S135

35

Kết quả ở phụ lục 11 và hình 14 cho thấy HQỨC an man thép S135 trong DDK của DTMBT ở nhiệt độ cao (80C) nhìn chung thấp hơn ở nhiệt độ phòng (209C) Có khả năng màng đầu có tính bảo vệ hấp phụ trên bề mặt thép S135 trổ nên kém bền

hơn, độ bám đính bề mặt thép giảm khi tăng nhiệt độ thử nghiệm Tuy nhiên, ở nồng

độ đầu thấp (< 1g) ở những thời điểm đầu, HQỨƯC ăn mòn thép S135 của đầu ở

nhiệt độ cao lại cao hơn ở nhiệt độ thấp Trên bề mặt thép ngâm trong dung dịch

luôn có sự bấp phụ cạnh tranh giữa các ion, các phân tử của các chất có tính xâm thực, các CỨC và của các sản phẩm ăn mòn Do đó, lớp hấp phụ có thành phần hỗn

hợp, không đồng nhất ở mọi điểm trên bề mặt, Tỉ lệ của các cấu tử hấp phụ trong lớp hấp phụ này tùy thuộc ái lực đối với bề mặt thép, điện tích và nông độ tương đối của

chúng trong dung dịch Chúng tôi cho rằng ở nồng độ dầu thấp, khi lượng đầu hấp

phụ không đủ để che phủ kín bề mặt thép, tác dụng bảo vệ bề mặt thép khói sự ăn mòn do cá màng đầu và cả lớp sẵn phẩm ăn mòn quyết định, trong đó lớp sắn phẩm

ăn mòn đóng vai trò chủ yếu Việc tăng nhiệt độ tất nhiên làm tăng tốc độ phần ứng

ăn mòn, cho nên với cùng thời gian ngâm mẫu, lớp sản phẩm ăn mòn sinh ra lúc đầu

trên bề mặt thép ở nhiệt độ cao nhiều hơn, dầy hơn, có tác dụng bảo vệ tốt hơn so

với ở nhiệt độ thấp Tuy nhiên, nhiệt độ cao cũng xúc tiến quá trình giải hấp các

chất hấp phụ có tính bảo vệ ra khỏi bề mặt thép; mặt khác, theo gia thiết của chúng

tôi, có thể đo màng đầu trên bê mặt thép S135 kém bền ở nhiệt độ cao nên khi thời gian thử nghiệm tăng lên khả năng bảo vệ thép của đầu ở nhiệt độ cao lại giảm và trở nên thấp hơn ở nhiệt đệ phòng,

Trong DDK chứa hàm lượng đầu cao toàn bộ bề mặt thép được màng đầu che

chắn khỏi các tác nhân xâm thực nên ảnh hưởng của nhiệt độ tới hiệu quả bảo vệ

thép S135 của đầu không đáng kế

36

Kết quả ở phụ lục 12 và bình 15 cho thấy ảnh hướng của nhiệt độ tới HOỨC ăn

mòn thép K55 trong DDK của DTMBT tuân theo qui luật ngược hẳn so với trường

hợp đối với thép S125 Ở nhiệt độ cao (80°C ) đầu bảo vệ thép K55 tốt hơn ở nhiệt

độ thấp ( 30°C ) Có khả năng ở nhiệt độ cao màng dau bền hơn, bám bề mặt thép chắc hơn, khít chặt hơn ở nhiệt độ thấp nên hiệu quả bảo vệ cao hơn Hàm lượng đầu trong dụng dịch càng tăng ảnh hưởng của nhiệt độ tới hiệu quả báo vệ thép của đầu

càng giảm, các đường cong biểu diễn giá trị HQUC ở hai nhiệt độ trên đồ thị càng

xích lại gần nhau hơn và gần như chồng khít lên nhau khi nồng độ đầu > 5 g/

37

Hình 15: Ânh hưởng của nhiệt độ tới HOƯC ăn mòn thép K55 trong DDK của DTMBT

3.1.4 So sánh hiệu quả ức chế ăn mòn của DTMBT đối với hai loại thép S135 và K55 trong dung dịch khoan ở 30°C và 80°C

Ở 30°C, DTMBT báo vệ thép S135 tốt hơn thép K55 (phụ lục 13 và hình 16)

Điều này có thể liên quan tới sự khác nhau trong thành phần của 2 loại thép (bảng 2) Sự chênh lệch giữa HQƯC đối với hai loại thép giảm dần khi tăng nồng độ dầu

Ở nồng độ đầu > 5ø/1 HQƯC ăn mòn thép K55 trội hơn chút ít Chúng tôi cho rằng

có khả năng lớp dầu hấp phụ lên lớp sản phẩm ăn mòn (oxit sắt, hidroxit sắt v.v ) mạnh hơn lên trên bề mặt thép sạch và tạo thành lớp màng bảo vệ tốt hơn Thép

K55, do thành phần của mình, kém bền ăn mòn hơn thép S135 Ở thời điểm ban đầu

khi cùng ngâm vào dung dịch có nồng độ đầu thấp, tốc độ ăn mòn lớn hơn và tương ứng, HQƯC thấp hơn Tuy nhiên, do trên bề mặt thép K55 sau cùng khoảng thời gian thử nghiệm có lớp sản phẩm ăn mòn dày hơn trên bề mặt thép S135, lớp này lại

38

hấp phụ đầu tốt hơn nên khi tăng nồng độ đầu, HQỨC ăn mòn đối với thép K55 lại trở nền cao hơn đối với thép S135,

Ở 80°C HQƯC ăn mòn của đầu tháo mộc đối với thép ống chống K55 cao hơn đối với thép cần khoan S135 (phụ lục 14, hình 17) Có thể giải thích kết quá trên bằng hai giả thuyết Thứ nhất, màng đầu hấp phụ trên bề mặt thép S135 chứa các nguyên tế hợp kim hóa như nhôm, crôm, molipđen có khả năng kém bền hơn, độ bám dính bề mặi thép giảm đi khi tăng nhiệt độ dẫn tới làm giảm HQỨC ăn mòn, Thứ hai, nhờ có lớp sản phẩm ăn mòn đầy hơn trên bề mặt thép K55, lớp này có khả năng hấp phụ đầu tốt hơn nên hiệu quả bảo vệ cao hơn

Tốc độ ăn mòn của thép ống chống K55 và HQỨC ăn mòn thép của đầu trong các DDK nền với các nồng độ dầu là 0,5 g1; 1,0 g1; 2,0 g1 và nồng độ NiSO, lần lượt là 0,1 g/; Ð,5 g/ và 1,0 g/1 được trình bày trên phụ luc 15, 16

Kết quả trong các phụ lục 15, 16 cho thấy các cation NỈ” không cải thiện được

HQUC ăn mòn thép K55 của dầu biến tính Từ phụ lục l và các hình 18 - 21 có thể

nhận thấy ở nồng độ đầu thấp 0,5 g/1, cation NỈ” hầu như không ảnh hướng tới tốc

độ ăn mòn thép K5ấ Tuy nhiên, trong DDK chứa dầu với nồng độ > 1 g/1, khi có madt cdc cation NỈ, tốc độ ăn mòn thép K55 lại tăng so với khi không có niken

sunfat Rõ ràng, các cation NỈ” làm giảm HQUC của DTMBT khi nồng độ của đầu

trong DDK Ién hon 0,5 g/l

40

Hình 18: Tốc độ ăn mòn thép K55 trong DDK nền chứa 0,5 £4 DTMBT va các hàm

luong Ni8O, khác nhau

Hãnh 19: Tốc độ ăn mòn thép K55 trong DDK nền chúa 1,0 g/1 dầu thảo mộc biến tính

và các hàm lượng NiSÓOx¿ khác nhau

4]

Hình 20: Tốc độ ăn mòn thép K55 trong DDK nền chứa 2,0 g1 dầu thão mộc biến tinh

và các hàm lượng NiISOk¿ khác nhau

Trước đây, ảnh hướng của các cation NI” tới HQỨC An mon kim loại của các anion hoại động bề mặt chưa từng được ghi nhận Trong nghiên cứu của minh G N

Mù và các cộng sự cũng không quan sát thấy sự cộng hướng khá năng ức chế ăn mòn

thép giữa NỈ” và đođexyl sunfonat natri [21] Hiện tượng bất thường trong nghiên cứu của chúng tôi có thể giải thích như sau: vì thế điện cực chuẩn của NỮ/Ni (-

0,250 V) ítâm hơn thế điện cực chuẩn của Fe ”°/Fe (- 0,440 V) nên trên bề mặt thép, đặc biệt tại những vùng catốt cục bộ sẽ xấy ra phản ứng oxy hóa —~ khử sau mà

cation Ni?" đóng vai trò chất khử phân cực catốt làm tăng tốc độ ăn mòn thép:

Ni* + Fe -> Ni + Fe”

Niken kim loại sinh ra trong phản ứng trên tạo nên lớp màng niken cục bộ Ở

những chỗ niken kết tủa, DTMBT khó hấp phụ lên bề mặt thép hơn Điều đó có

nghĩa là khi trong dung dịch có mặt NiSO,, DTMBT khong thể tạo được màng hấp

phụ liên tục chặt khít, do đó HQỨC ăn mòn của đầu giảm khi tăng nồng độ Ni?

42

Kết quá đo các thông số phân cực thế động đối với thép S135 và K55 trong

dung dịch khoan nền không chứa DTMBT được trình bày trong bắng 4,

Bảng 4: Các thông số phân cực thế động của thép S135 và K55 trong dụng

dịch khoan nền (không chúa DTMPBT) 6 30°C

Theo một số tác giá [39] thế điện tích không của sắt vào khoảng —0,7 V va giá

trị này ít phụ thuộc vào pH của môi trường, Điện thế ăn mòn của hai loại thép khảo

sất trong DDK nền không chứa DTMBT E,„= - 0,650 V, đương hơn thế điện tích không của sắt, Điều này chứng tổ bề mặt thép trong dung dịch nghiên cứu tích điện đương tuy rằng điện tích đương này không lớn,

Độ đốc Tafel của quá trình phân cực anốt b, trong DDK nền không chứa DTMBT đối với thép S135 và Kã5 có giá trị xấp xỉ Như vậy, tính chất của phần

ứng anốt hòa tan sất là như nhau đối với cả hai loại thép Nesic và các đồng sự đã đề

nghị cơ chế quá trình anốt hòa tan thép mềm trong môi trường pH > 5 chứa CO”

[40] Trong dung dịch khoan nền, theo chúng tôi, phần ứng hòa tan anốt có thể xây

ra theo cơ chế sau:

(1a) Fe+HạO © FeOHas + H +e

(2a) FeOH gp) + FeOH +

hoặc / và

(ib) Fe +Na,CO,; +H,O <> FeHCOsq.) + OH +e +2 Na‘

(2b) FEHCOs ap) + FeHCO;*+ e

Theo cơ chế này, hằng số Tafel của quá trình anốt sẽ phái bằng 6,118 V ở

25°C Trị số thực nghiệm 0,105 V (đối với thép S135) và 0,112 V (đốt với thép K55)

phù hợp khá tốt với giá trị H thuyết,

Giá trị độ đốc Tafel của quá trình phân cực catốt |b, đối với cả hai loại thép lớn hơn 0,200 V thể hiện vai trò của động học khuếch tán trong phản ứng khử catốt của oxy hòa tan (hoặc của nước) trên bề mặt hai loại thớp, nhất là đối với thép K55 Điện trở phân cực R„ như nhau đối với hai loại thép cho phép giả thiết màng hấp phụ

gồm các lớp phức trung gian ferrohydroxyl, do sự tương tác giữa nước, oxy hoa tan,

44