碳捕集、利用与封存中CO2腐蚀与防护研究

张昆，孙悦，王池嘉，葛红江，朱艳吉，汪怀远

碳捕集、利用与封存中CO2腐蚀与防护研究

张昆1a,1b,2，孙悦1a,1b，王池嘉1a,1b,2，葛红江3，朱艳吉1a,1b,2，汪怀远1a,1b,2

（1.天津大学 a.化工学院 b.化学工程联合国家重点实验室，天津 300350；2.天津大学浙江研究院，浙江 宁波 315000；3.中国石油大港油田采油工艺研究院，天津 300280）

国际上将碳捕集、利用与封存（CCUS）作为实现长期减碳减排的重要措施，CCUS技术对于降低全球二氧化碳排放量至关重要。CCUS也是实现我国长期绿色低碳发展的必然选择和重要举措，然而CCUS技术高速发展必然会带来装备的腐蚀与防护难题。针对油气开采以及CCUS过程涉及到的碳捕集设备、运输管道和油井管等设备受到的CO2腐蚀问题展开研究，分析其腐蚀机理，包括CO2腐蚀过程，以及不同因素（包括水含量、离子耦合、温度、压力、流速以及混合相中的油相）对CO2腐蚀速率的影响，并进行了总结归纳，特别是高温高压超临界CO2腐蚀机理。针对目前的3种CO2防护手段进行了介绍，考虑到合金防护成本较高，缓蚀剂防护存在二次污染，防护涂层具备更好的发展前景。最后对CO2防护涂层未来研发重点与前景进行了分析和展望。

碳捕集、利用与封存；二氧化碳腐蚀；二氧化碳腐蚀防护；缓蚀剂防护；涂层防护

随着化石燃料的不断开采和使用，CO2的排放量逐年上涨，其引起的温室效应如果不加控制最终会导致冰川融化、海平面上升等，进而造成严重的自然灾害[1-3]。在全球“节能减排”的背景下，各个国家相继提出了应对二氧化碳过量排放的相应政策[4-7]。我国提出预计2030年达到“碳达峰”，2060年达到“碳中和”。为了实现这一目标，我国采取了多种节能减排的措施，包括采用风能、太阳能等可再生能源[8-10]，使用核能、甲醇等清洁燃料[11-13]，提高火力发电厂的发电效率[14]，以及对CO2进行最大程度的转化[15]。据国际能源署（IEA）数据，预计到2050年CO2的排放量将减少约14%，并同时实现CO2的工业利用。

CCUS技术主要涉及5个部分，分别是CO2的排放、捕集、运输、利用和封存[16]，如图1所示。目前CO2的排放主要集中于火力发电、炼钢工业、石油化工等诸多领域。由于化石能源在使用和燃烧过程中释放出大量的CO2，因此必须对其进行捕集、消减处理，以期实现“双碳”目标。CO2捕集方法众多，按照方式可以分为多孔材料[17]物理吸附，高聚物气体分离膜，醇胺、碳酸盐、碱性溶液化学吸收[18]等方法。经过捕集后浓缩的CO2再运输，直到CO2被二次利用或者永久封存。捕集的CO2可被用作化学合成原料[19]，提升大棚CO2浓度达到提高光合作用的目的；还可向油井中注入CO2气体，驱动石油天然气开采[20-21]；也可永久封存在枯竭的油气田中，避免温室效应加剧。

1 CO2腐蚀环境的分类

1.1 油气开采过程中CO2腐蚀

随着我国油田开采进入中后期，为了提高采收率，在考虑经济效益及储层合理开发等因素后，空气驱油成为一种较理想的选择[20]。虽然空气驱油技术可有效提升原油的产量、提高采收率，但是油井环境中的烷烃类物质与空气反应产生的CO2对管道的腐蚀严重影响行业发展[22]。此外，蒸汽辅助重力泄油作业产生的CO2、H2S和氯化合物对油管内壁也会产生严重的腐蚀[23]。油气开采过程中管道内部会出现2种腐蚀环境，一种是超临界CO2为主体，且含有少量的水、NO以及SO2、H2S等杂质气体[24-25]；另一种是水为主体，且含有超临界或常压CO2以及无机盐等杂质[26]。目前通过在管道中加入缓蚀剂来增强对金属的防护作用，但加入固体或者液体缓蚀剂的防护方法仅适用于CO2注入采油阶段，即水相占主体的环境。在超临界CO2和采集水的环境中，碳钢设备腐蚀行为与常规环境下显著不同，缓蚀剂的缓蚀效果也会出现差异[27-29]。

1.2 CCUS过程中CO2腐蚀

CCUS能够为国家缓解能源压力及提升经济效益，但在捕集、存储、运输和利用过程中均会出现腐蚀行为[24,30]，如图2所示，CCUS过程中的腐蚀环境及影响因素需要被分析和了解。CO2的捕集就是通过化学物理方法将生成的CO2进行浓缩收集，目前常用的物质有CO2存储材料和多元醇–乙二胺体系，在这个过程中最严重的腐蚀物质就是酸性气体自身造成的腐蚀。使用醇胺进行化学吸收含有杂质的CO2时会出现多种腐蚀，包括局部、全面腐蚀和硫化氢应力腐蚀开裂。腐蚀的主要原因是CO2和H2S等杂质溶于水后造成溶液偏酸性从而出现了腐蚀，腐蚀情况与温度、压力、流体流速和杂质密切相关[31]。

CO2的运输是指通过管道、公路、铁路和船舶运输等方式至目的地进行利用或者封存的过程。CO2存储运输过程中常以超临界的状态存在，并且由于完全净化的成本较高，因此存储运输气体中一般含有H2S、O2、SO2和H2O等杂质，特殊的环境（高压以及高温）将加剧腐蚀，且发生点蚀的速率加快。在存储运输过程中，流体中的水会冷凝在壁面上，在局部冷凝的水环境中，H2S和CO2溶于水出现较强的电化学腐蚀，从而影响存储运输的设备安全，需要采取合适的防护措施。CO2利用过程中腐蚀主要发生在强化采油等环节中，高压CO2被注入到油井中来进行驱油，但是目前原油开采进入中后期，原油含水量不断升高，带来的腐蚀问题也愈发严重，在管道内以及井下的CO2甚至可能达到超临界状态，高温高压和水环境共同加剧了CO2腐蚀。CO2封存过程就是将收集到的CO2通过注入咸水层或者枯竭油田、气田，利用地质进行CO2封存[32]。由于地面土壤中存在溶解氧、细菌微生物等其他腐蚀物质与CO2耦合后，高温高压运输管道、井下油套管及长期封存的储气罐极易发生腐蚀。

图2 CCUS过程中的CO2腐蚀

2 CO2腐蚀机理和影响因素

2.1 CO2的腐蚀机理

在常规水相环境中CO2电化学腐蚀是氢离子和金属之间的反应。Hu等[33]报道CO2在富水环境中在金属表面的腐蚀过程为：钢材基体在最初溶解阶段形成Fe3C架构（图3b），FeCO3晶粒沉积在表面（图3c），然后CO32−和HCO3−向内扩散并与钢基体反应形成中间层和内层，如图3d所示。CCUS过程中主要是将在工业环节中产生的CO2捕集后转化为超临界状态，可有效提高CO2的运输效率。但超临界CO2以及其含有H2S、H2O杂质的采出液所表现出的腐蚀行为与常规环境不同。在超临界CO2环境下，CCUS采出液直接参与钢铁表面的腐蚀反应[24-25]。杂质中的H2S、O2反应生成的硫单质与铁反应生成FeS。同时硫单质与O2反应生成的SO2会继续与O2和水反应生成腐蚀性介质硫酸。溶解在水中的CO2、SO2与铁反应形成溶于水的亚铁化合物，继续与氧气发生腐蚀反应生成松散的羟基氧化铁，促进了腐蚀介质的渗透及腐蚀的进一步进行。铁的腐蚀形态也不断发生变化。反应过程见式（1）—（9）。

2H2S + O2→ 2S + 2H2O (1)

2H2S  +  SO2→ 3S + 2H2O (2)

Fe + S → FeS (3)

Fe + CO2+ H2O → FeCO3+ H2(4)

Fe + SO2+ H2O + O2→ FeSO4+ H2(5)

2SO2+ O2+ 2H2O → 2H2SO4(6)

4FeS + 3O2+ 2H2O → 4FeOOH + 4S (7)

4FeSO4+ 6H2O + O2→ 4FeOOH + 4H2SO4(8)

4FeCO3+ 6H2O + O2→ 4FeOOH + 4H2CO3(9)

图3 碳钢表面CO2腐蚀过程的示意图

2.2 CO2腐蚀的影响因素

2.2.1 水对CO2腐蚀的影响

水在金属腐蚀中起着至关重要的作用，主体相的不同导致腐蚀行为差异显著，主要表现在CO2–H2O系统的汽液平衡对于金属腐蚀的影响，在富水的环境下可以形成导电通路，发生电化学腐蚀。此外，在高温高压环境下的无水环境中则主要发生氧化反应[34]。研究表明，在以CO2为主体相的腐蚀主要以点蚀的方式呈现，其腐蚀速率也受多方面影响，包括杂质气体种类、分压、含水量等。杂质气体会影响腐蚀产物的构成，而含水量会影响酸性气体的溶解程度，并且溶解腐蚀介质的水在钢材表面附着从而影响腐蚀速率。Sun等[24]对比在O2–H2S–SO2环境下，富水相和富CO2相对X65合金钢腐蚀行为的影响。研究表明，两者的腐蚀速率相当、腐蚀产物相似，不同的是处于富水相环境的金属表面呈现均匀腐蚀的现象，而富CO2相的腐蚀产物为蓬松状。大量的文献报道水含量与金属腐蚀速率的关系。Gao等[35]发现含水量对均匀腐蚀的速率影响不大，但是在低含水量下的局部腐蚀比高含水量时更加严重。Sun等[25]研究了富CO2相含水量对金属腐蚀行为的影响，结果显示，在10 MPa、50 ℃以及CO2–O2–H2S–SO2环境下，H2O含量超过0.15%阈值后，腐蚀速率会随着水含量的增大而加快。而含水量高于0.15%时，腐蚀介质中杂质单体会溶于水中，促进钢材表面的腐蚀。Hua等[36]也得出了相似的结论，在35 ℃的恒定温度下，水含量低于0.16%时没有观察到明显的金属腐蚀现象。

掺杂离子杂质的富水相碳钢截面腐蚀情况，如图4a所示，Cl‒存在于富水相环境中，钢材表面将产生均匀厚度的腐蚀层。少量冷凝水、气体杂质（NO2和H2S）存在于富CO2的碳钢截面腐蚀情况，如图4b所示，冷凝水紧密附着在碳钢表面，且部分区域产生孔状锈蚀。此外，以水相为主体的腐蚀环境中，水流速度、温度、杂质、离子浓度以及CO2分压均会对钢材的腐蚀速率产生影响。

图4 水相为主体的腐蚀（a）和CO2相为主体的腐蚀（b）

2.2.2 离子耦合对CO2腐蚀的影响

CO2腐蚀工况环境中往往掺杂无机盐离子，如Na+、K+、Ca2+、Mg2+等阳离子以及Cl‒、HCO3‒、SO42‒等阴离子。离子的存在，一方面会增强溶液的电导率促进电子转移，另一方面作为主体阴离子之一的Cl‒对碳钢有侵蚀作用。同时，离子会破坏腐蚀生成的FeCO3保护层，造成金属腐蚀的加剧。Wu等[26]研究发现在压力相同时，无论是气态还是超临界CO2在含氯离子富水相的腐蚀速率都远高于富CO2相，这是由于水溶液中的Cl‒对FeCO3膜的破坏。

离子对腐蚀的影响不仅是提升电导率，而且还提高了CO2腐蚀速率。Sun等[37]研究了离子浓度与腐蚀速率之间的关系。结果显示，随着离子浓度的升高，腐蚀速率呈现先升高后下降的趋势。在溶液中的离子有两方面的作用，一方面阳极的敏感度提高，导致低浓度下的腐蚀加剧；另一方面是当离子浓度高到一定程度时，离子会与水分子相互作用进而降低CO2在溶液中的溶解度，这也被称为“盐析作用”，最终使腐蚀速率降低。

2.2.3 压力及温度对腐蚀的影响

CO2分压和温度同时影响金属腐蚀，且较为复杂。Lu等[38]研究发现25 ℃、1 MPa CO2是腐蚀分界点，低于该分压时腐蚀速率会随CO2压力的增大而加快，继续加压会降低腐蚀速率。高压CO2加速了阳极Fe的溶解，同时提高了溶液中CO32‒的浓度，有利于FeCO3保护膜的生成。在高分压下的CO2会与Fe形成更致密的FeCO3膜，可减轻应力开裂，减缓腐蚀效率。提升CO2分压在短时间内会形成致密的保护膜，长时间高CO2分压对腐蚀的影响还需继续探究。Morland等[39]也得出了相似的试验结果，CO2继续加压达2～10 MPa，金属腐蚀速率不再继续增加，且在金属表面无保护性的腐蚀产物膜存在。Chen等[40]研究了在60 ℃条件下不同CO2分压在初期、中期和后期对腐蚀速率的影响，在浸泡初期压力的升高有利于FeCO3的形成，减缓腐蚀速率，但是在相对高温下，随着腐蚀时间的延长，防护膜被碳酸溶解，此时高CO2分压会加剧腐蚀。FeCO3保护膜在金属表面是不断生成和溶解的，温度对致密的FeCO3保护膜的影响较大，常温下，高压会加速保护膜的形成，而高温保护膜的溶解速率会高于生成速率，此时高CO2分压金属的腐蚀更加严重。

2.2.4 流速对腐蚀的影响

液体流速对腐蚀产物的生成和剥落密切相关。Dong等[41]研究了在3 MPa CO2工况下，不同采出液流速对腐蚀速率的影响，在低的流速下腐蚀会随流速的上升而缓慢提升；当液体流速达到湍流状态，液体流动的过程中带走Fe2+，离子浓度下降加剧腐蚀反应发生，并且液体流动过程中伴随泥沙造成金属的冲击腐蚀。

2.2.5 油相环境对CO2腐蚀的影响

在集输管道中更常见的是油相–水相–溶解CO2–离子的多相流体系，由于环境复杂，目前主要以计算机模拟为主[42]，但是也有研究者通过构造相应的腐蚀环境来进行更为具体的研究。Cheng等[43]研究了在多相流环境下原油含水量、温度、CO2分压、流速4个因素对腐蚀速率的影响，结果显示，其中影响最大的为原油含水量，原因是油相中含有的缓蚀物质可以吸附在金属表面，当含水量升高后，原油更难浸润金属表面，从而给腐蚀创造了条件。因此，结合以上研究发现运行环境对钢材表面的腐蚀具有重要影响，在实际研究的过程中应该充分考虑运行环境的作用。

3 CO2腐蚀防护现状及存在问题

在油气开采和CCUS过程中，均存在CO2对钢铁的腐蚀，腐蚀环境较为严苛，温度和压力会加速其对金属的腐蚀，腐蚀速率相较于常规环境更快，因此更加有必要采取手段进行防护。按其防护手段可以分为合金防护、缓蚀剂防护和涂层防护。

3.1 合金防护

合金防护是指通过元素调控、晶格控制以及与金属生产工艺相匹配的一种防护手段。合金防腐包括利用耐腐蚀合金通过高能熔融方式直接作用在金属表面或内部，或通过以合金作为牺牲阳极材料保护基材。金属中的元素含量将影响在静态及动态饱和超临界CO2–水环境中的腐蚀速率。Gao等[44]研究了在静态环境下3Cr合金钢的腐蚀速率最高，在动态环境下X70钢的腐蚀最为严重，6.5Cr合金钢在2种环境下的腐蚀速率均为最低。在分析腐蚀产物时发现6.5Cr在动态及静态下的腐蚀产物均为由非晶FeCO3和Cr(OH)3组成的单层富铬层，因此表现出更好的抗腐蚀效果。3Cr钢在静态水中表现出的高腐蚀现象归因于Cr含量不足而无法形成致密的Cr(OH)3保护层。因此，对于与含盐含水层流体的直接接触，只能使用高合金钢。

除了上述在金属内部加入合金的防护方法外，金属表面的合金层也是抗二氧化碳腐蚀的重要防护方式。此方法主要是利用牺牲阳极的方法，检测富水环境对碳钢的防护作用。Fan等[45]制备了含有Ni、Sn和Ce等多种元素的黄铜合金，且不同组分的黄铜合金都会表现出降低金属腐蚀速率的能力。这是由于在合金表面上存在的Cu和Zn材料形成原电池，同时也产生了大量的OH‒，中和了金属材料表面的酸性。此方法可以有效地避免碳钢腐蚀，也降低了腐蚀产物FeCO3的溶解度，从而在表面形成更加稳定的保护膜。

由于金属的需求量大，合金防护效果显著，但其加工成本高、加工难度大且含Cr合金防护对环境污染大，综上合金防护更适用于小规模CO2腐蚀环境下使用，限制其在CCUS过程中的广泛应用。因此，需要开发低成本、便捷的防护方式进行CO2防护。

3.2 缓蚀剂防护

缓蚀剂的防腐机理较为复杂，涉及到金属表面电荷的转换以及腐蚀产物的变化。缓蚀剂通过吸附在金属表面或与金属之间发生相互作用来实现对腐蚀介质的隔离。缓蚀剂由于其特性只能应用在以水相为主体的腐蚀环境中，特别需要注意的是，在不断升压使CO2从气态变为超临界状态时，碳钢表面的过剩电荷会发生反转，从负电转变为正电[27]，因此可能会出现在添加缓蚀剂后压力升高而腐蚀速率降低的现象。

与常规水环境相似，咪唑和嘧啶等类型的缓蚀剂在CO2腐蚀环境也对金属有相似的防护作用。Desi­mon等[46]研究了CO2环境下两性的氨基与碳钢之间的吸附模式，通过活化能、热力学参数和电化学试验得出结论，缓蚀剂浓度的高低影响在碳钢上的吸附模式，低浓度的缓蚀剂以物理吸附为主，反之则倾向于化学吸附。在CO2腐蚀环境下缓蚀剂的防护和金属与缓蚀层之间的结合力有关。Zhang等[47]采用4,6–二氨基–2–(苄硫基)嘧啶（DABTP）缓蚀剂，研究其在超临界CO2油田采出水环境中的缓蚀性能以及腐蚀衍生物对DABTP缓蚀性能的影响。结果显示，DABTP对2种腐蚀产物Fe3C和FeCO3的结合力要远强于碳钢，均造成防护效果的下降。在CO2环境中除需要考虑常规缓蚀剂的失效问题外，还需考虑碳钢表面电荷的问题。Chen等[28]研究了不同CO2压力下，月桂酸缓蚀剂在油田采出液中对金属表面的缓蚀情况。结果显示，浸泡初期腐蚀电流随着CO2分压的增大而增大，而CO2压力从6 MPa增加到8 MPa，腐蚀产物更加致密。这是由于转变为超临界状态的CO2，碳钢表面发生了过剩电荷的转变，阴离子型月桂酸缓蚀剂与超临界CO2环境下碳钢表面的过剩阳离子有更强的结合力，从而实现了腐蚀速率的降低。而在超临界状态时，咪唑啉缓蚀剂[29]的防腐效果明显下降，这同样是由于过剩电荷的转变不利于咪唑啉缓蚀剂吸附。此外，也应考虑缓蚀剂加入时间对CO2环境下金属防护的影响。由于FeCO3相较于Fe3C更加致密，因此在腐蚀进行48 h后（腐蚀产物以FeCO3为主）加入缓蚀剂的防护效果优于24 h（腐蚀产物以Fe3C和FeCO3为主）和8 h（腐蚀产物主要为Fe3C）[47]。

金属表面与缓蚀剂的结合能是抗腐蚀性的重要参数，因此影响结合力的因素将会成为未来研究的重点。此外，缓蚀剂在连续相中溶解、分散后对金属起到的防护作用，使其应用环境受到限制。缓蚀剂对水体环境易造成负面的影响，为达到工业废水的排放要求，对水体还需进行净化再处理。缓蚀剂在抗CO2防护方面具有一定的优势，但其他防腐方式还需要被开发。

3.3 涂层防护

涂层防护按照涂层的化学结构可分为金属合金涂层与有机聚合物基涂层。合金涂层可提升CO2环境下的防护性能。Sun等[48]在含H2O–O2–NO2杂质的超临界CO2环境下对金属Ni–P涂层的防腐性能进行研究。结果显示，在不同的气体环境下其腐蚀抑制率均能达到80%以上，涂层防护效果稳定。如图5所示，在金属表面形成Ni–P涂层可以从严重的点蚀转变为均匀腐蚀，降低了穿孔的可能性。且通过协同因子计算发现Ni–P涂层的存在可以降低O2与NO2协同作用，抑制电解质的渗透。

图5 Ni–P涂层在超临界CO2环境下的防护机理[48]

有机复合涂层也具有良好的CO2腐蚀防护性能。Wang等[49]研究了具有CO2响应特性的防腐涂层，乙基纤维素防腐涂料中加入含硫脲的介孔二氧化硅，纳米容器中硫脲的累积释放量随溶液pH的变化而变化，其释放速率可适应3.5%NaCl溶液在不同溶解CO2含量下的腐蚀性变化。这是由于纳米容器表面的聚合物外壳可以在CO2水溶液中由疏水状态变为亲水状态，从而提高包封缓蚀剂硫脲的释放速率。该涂层可用于石油生产中存在CO2腐蚀风险的设施和管道的腐蚀防护。Wang等[50]利用酚醛环氧树脂、石墨烯以及其他助剂和颜填料制备的防腐涂层，研究了其在较高温度且富含CO2和H2S的采出水环境下的防腐效果。结果显示，在90 ℃、总压3.2 MPa的H2S和CO2气体以及20 429 mg/L Cl‒的水环境中可以长期保持稳定，研究表明石墨烯的添加可改善涂层的耐腐蚀性能。综上，有机涂层具有种类多、操作简便、性价比高及环保等诸多优势，但传统有机涂层对抗CO2环境的稳定性欠佳，苛刻环境下甚至存在明显的渗透行为，因此分析揭示有机涂层失效过程与机制是极为有价值的。

首先，中高压CO2环境有机涂层失效主要表现在涂层局部鼓泡、整体鼓泡以及非鼓泡失效等现象。这是由于在压力推动下溶解碳酸透过涂层，并吸附在金属表面，当涂层脱离高压腐蚀环境后迅速降至常压，碳酸的溶解度下降，CO2迅速汽化膨胀，在基板与涂层之间造成鼓泡现象，严重影响涂层的防腐效果。

其次，有机涂层在超临界CO2环境下迅速失效，这是由于超临界CO2具有对有机物溶解度大、扩散速度快的特性。超临界CO2与涂层接触后有机物被萃取出来造成涂层内部产生空缺[51]，因此对超临界CO2环境的腐蚀耐受性是有机涂层的短板。为了解决上述有机涂层在超临界条件下的防腐失效问题，用耐蚀性良好的合金材料直接喷涂在需要被保护的金属表面，金属基板与涂层的应力不匹配问题得到改善，涂层不易造成致命缺陷。

此外，温度是有机涂层的敏感特性。涂层随着温度的升高逐渐软化，从玻璃体状态转换为高弹态，甚至流体态。CO2在高温、高压下会以多种形态存在，如超临界状态、CO2与水分子混合状态以及气态，3种状态会同时对软化的涂层状态产生溶解反应及穿透破坏。研究表明超过90 ℃后，CO2会迅速穿透多数有机涂层，因此需要提升涂层的致密性、屏蔽性以及玻璃化温度才能抵抗CO2的穿透。

针对上述有机涂层失效行为，天津大学先进复合材料与涂层（AFCC）课题组在抗气体渗透及CO2腐蚀防护方面取得了良好进展[52-54]。为应对极端环境下的CO2腐蚀，该团队将高质量二维填料引入到有机涂层中，在致密涂层中所带来的“曲折作用”阻挡气体渗透，提高气体阻隔性能。除了抗气体渗透外，CO2防护涂层兼具较高的树脂交联度、优异的表界面相容性。与市面上抗酸商业涂层对比（图6a），研发的纳米防护涂层（202产品）在110 ℃高压测试环境下具有极佳的平整度（图6b），但涂层依然出现鼓泡的现象。通过对树脂与填料界面进行改性，涂层的致密性能提升，涂层对高温高压的耐受性增强。升级款纳米防护涂层202–H，在150 ℃、10 MPa CO2分压、20 MPa总压下依然具有优异的防腐性能（图6c）。此外，考察了温度（70～150 ℃）、CO2分压（0.1～30 MPa）、矿化度（0.1%～4%）、氯离子浓度（0.1%～2%）以及pH（4～9）等5种主要因素对涂层的影响。202–H涂层可以在极端条件（高温高CO2分压）下保持稳定的防护效果。此工况条件可满足许多油田CO2驱油的极端CO2腐蚀防护需求。

图6 经过110 ℃下CO2腐蚀的商业涂层（a）、202涂层（b），经过150 ℃下CO2腐蚀的202–H涂层（c）

4 总结与展望

CCUS是在未来碳达峰、碳中和过程中的重要举措之一，其带来的装备腐蚀问题也会更加凸显。本文综述了实际工况下CO2腐蚀过程、腐蚀机理及相应防护措施，整理了腐蚀介质、压力温度、流速、油相等环境对CO2腐蚀的影响。此外，对于目前CO2环境的防护方法及存在的问题进行了总结。缓蚀剂防护对于CO2环境抗腐蚀效果显著，具有明显的经济优势，然而缓蚀剂的投放对水环境有负面影响，制备环保、高效的缓蚀剂是未来的发展方向。合金涂层具有表面平整度好、腐蚀耐受性佳等优势，但是对于降低合金加工成本、耐温度和CO2分压耦合环境的合金配比还需要进一步研究。有机涂层具有成本低、可调控强的特点，然而目前CO2腐蚀防护涂层还在起步阶段，能够适应苛刻二氧化碳环境的有机涂层体系还需要进一步研究和完善。

未来苛刻工况CO2腐蚀防护涂层研究应重点解决如下几点：（1）通过对金属镀层内部元素的调控，提升金属镀层内部晶格间的作用力及温度稳定性；（2）加强树脂与固化剂的研发，增加基础树脂的耐温及内部交联性能，提升超临界CO2分子的阻隔性能；（3）通过表界面调控，提升相应树脂与填料的相容性，降低涂膜内部缺陷位，提升涂层的屏蔽性能；（4）利用化学手段制备致密性、耐温性、耐酸性以及高压稳定性更强的有机涂层，提升涂层内部的抗渗透性。相信随着材料科学、表面科学的高速发展，借鉴多学科理论及方法，以全新的视角探索CO2腐蚀防护机理，CO2腐蚀防护技术将取得更大进展，为CCUS快速发展和应用提供技术保障。

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Research on CO2Corrosion and Protection in Carbon Capture,Utilization and Storage

1a,1b,2,1a,1b,1a,1b,2,3,1a,1b,2,1a,1b,2

(1. a. School of Chemical Engineering and Technology, b. State Key Laboratory for Chemical Engineering, Tianjin University, Tianjin 300350, China; 2. Zhejiang Institute of Tianjin University, Zhejiang Ningbo 315000, China;3. The Oil Production Technology Research Institute of Dagang Oilfield, Tianjin 300280, China)

Carbon capture, utilization and storage is regarded as one of the important measures to achieve long-term absolute carbon emission reduction, which is crucial for reducing CO2emission in global. CCUS is also the only way and the most important measure to achieve long-term green and low-carbon development in our country. However, the high-speed growth of CCUS technology would definitely cause corrosion and protection problems of equipment. In this article, the CO2corrosion of capture equipment, transport pipeline and oil well involved in oil and gas extraction and CCUS is focused on. The corrosion mechanism, which includes the process of CO2corrosion and different factors (like water content, ions, temperature, pressure, flow rate and oil phase) that affect CO2corrosion, has been expounded and replenished in detail, especially under high temperature and high pressure. Three methods against CO2corrosion are introduced. Considering the high cost of alloy protection and the pollution of corrosion inhibitors created to environment, the lower-cost and non-pollution coating protection has a better prospect. The research focus and prospects of CO2protection coating are analyzed in the end. This article is significant for CO2corrosion process of the equipment and the selection, design and application of protection coating in CCUS industrial application.

CO2capture, utilization and storage; CO2corrosion; CO2corrosion protection; corrosion inhibitor; coating protection

2022-05-06；

2022-08-25

ZHANG Kun (1997-), Male, Postgraduate, Research focus：preparation of anticorrosion coatings in harsh environments and its failure mechanism.

汪怀远（1977—），男，博士，教授，主要研究方向为表界面设计、强化及化工新材料与功能涂层等。

WANG Huai-yuan (1977-), Male, Ph. D., Professor, Research focus: surface interface design and enhancement, new chemical materials and functional coatings.

张昆, 孙悦, 王池嘉, 等. 碳捕集、利用与封存中CO2腐蚀与防护研究[J]. 表面技术, 2022, 51(9): 43-52.

tg172

A

1001-3660(2022)09-0043-10

10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.09.000

2022–05–06；

2022–08–25

国家杰出青年科学基金（51925403）；国家自然科学基金项目（面上项目/重点项目/重大项目）（21676052，21606042）

Fund：The National Science Fund for Distinguished Young Scholars (51925403); the National Natural Science Foundation of China (General Program, Key Program, Major Research Plan) (21676052, 21606042)

张昆（1997—），男，硕士研究生，主要研究方向为苛刻环境下防腐涂层的制备及失效机理。

ZHANG Kun, SUN Yue, WANG Chi-jia, et al. Research on CO2Corrosion and Protection in Carbon Capture, Utilization and Storage[J]. Surface Technology, 2022, 51(9): 43-52.

责任编辑：万长清