多潘立酮对X60管线钢在1...HCl溶液中的缓蚀行为研究_张明.pdf

广 东 化 工 2023 年 第 4 期 64 第 50 卷 总第 486 期 多潘立酮对多潘立酮对 X60 管线钢在管线钢在 1 M HCl 溶液中的缓蚀行为研究溶液中的缓蚀行为研究 张明1，支惠2*(1中海油服油田化学事业部，湛江作业公司，广东 湛江 524057；2北京科技大学国家材料服役安全科学中心，北京 102206)摘 要通过采用动电位极化曲线法(PDP)和阻抗谱(EIS)等电化学技术研究了多潘立酮作为典型 X60 管线钢在 1 M HCl 溶液中的缓蚀剂，同时采用扫描电子显微镜(SEM)对其表面形貌进行表征及对比。结果表明，多潘立酮对 X60 管线钢在强酸环境下具有良好的缓蚀性能。在 25、多潘立酮浓度为 800 mg/L 的条件下，电化学阻抗谱法测得其最佳缓蚀率为 90.2%。电位动态极化研究表明，多潘立酮具有混合型抑制剂的功能。关键词多潘立酮；X60 管线钢；盐酸；缓蚀剂；电化学阻抗谱 中图分类号TQ 文献标识码A 文章编号1007-1865(2023)04-0064-03 Inhibition Behavior of Domperidone on X60 Pipeline Steel in 1 M HCl Solution Zhang Ming1,Zhi Hui2*(1.Cosl Oilfield Chemistry Division Zhanjiang Operation Company,Zhanjiang 524057；2.National Service Safety Science Center for Materials,University of Science and Technology Beijing,Beijing 102206,China)Abstract:The corrosion inhibitor of typical X60 pipeline steel was investigated by potentiodynamic polarization curve(PDP)and impedance spectroscopy(EIS),and the surface morphology was characterized and compared by scanning electron microscopy(SEM).The results show that domperidone has good corrosion inhibition performance on X60 pipeline steel under a strong acid environment.Under the condition of 25 and 800 mg/L domperidone concentration,the best inhibition rate was 90.2%by electrochemical impedance spectroscopy.The potential dynamic polarization study shows that domperidone has the function of a mixed inhibitor.Keywords:Domperidone；X60 pipeline steel；HCl；inhibitor；EIS 油井酸化通常是油田生产与改造的一种常用措施，其能够有效的将其中的碳酸盐岩、矿物等酸洗溶解，从而提高油田生产效率及产量提升。而在其及之后的管道酸洗除垢等处理中，酸化等处理措施也会对 X60 管线钢所制成的管道等产生腐蚀作用，从而使得管道寿命缩短，也因此限制了其在工业上的应用。因而，在用于输送石油、天然气中，常常设计使用管壁厚度较大的钢管，保证其在使用中有充足的腐蚀裕量；同时也有采用耐锈蚀合金材料制备的管道，但这两种方法在较长距离运输情况下，价格往往超出预期，因此而被弃用。另外在防护腐蚀方法中，也常常采用在管道内增加涂层来对管道内壁进行保护，但在常年使用中，容易由于涂层脱落失效导致产生电化学腐蚀进一步加速管道腐蚀，从而使得保护机制失效。而在各种减缓 X60 管线钢腐蚀的方法中，添加缓蚀剂是兼顾实用和经济等条件下，最优的一种措施。微量的缓蚀剂就能够使 X60 管线钢在酸性介质中的腐蚀速率大幅下降，同时能够保证 X60 管线钢的物理、力学性能等不会发生改变1。且随着管道运输量、使用时间等变化，适机调整缓蚀剂添加浓度就能保证其缓蚀效率，从而保证其能够在长时间内有效保护X60 管线钢。遗憾的是，目前所广泛采用的缓蚀剂大部分为有机成分，对人类和其他生物有害，难以降解，对环境有危险。目前，传统的有机缓蚀剂在大多实际应用场景中已日趋于完善，但在近年来全球环境污染日益验证，国内外积极响应“绿色化学”的号召下，如何选用合理有效而对环境无污染的缓蚀剂成为一个难题。也因此在近年来，开发廉价、环保、可生物降解的缓蚀剂受到越来越多的关注，成为当前缓蚀剂领域发展的重要方向。目前常用的几种绿色抑制剂，包括色氨酸、4-氨基安替比林、三硫氰酸和六苯唑，已被证明对 X60 管线钢在氯化钠溶液中的腐蚀有效2-4。由于药物普遍含有碳环和杂环体系，且大多数对人体健康和水生环境5无毒，且由于生产成本较低、废弃率高，采用药物进行缓蚀剂研发已成为国内外研究关注的重点。氯唑西林、氟康唑、马来酸依那普利等已被用作铝在盐酸溶液中的缓蚀剂6。红霉素、阿奇霉素和林可霉素在锌在H2SO4溶液中的缓蚀作用中表现出了它们的适用性7。土霉素是钛在 NaCl 溶液中8的有效抑制剂，强力霉素对钛在 KCl 溶液中9的腐蚀表现出更好的抑制性能。引人重视的是，已有许多研究报告证明了低碳钢在各种腐蚀性环境(HCl、H2SO4、NaCl、KCl 溶液)中，利用他克林、酮康唑、卡马西平等药物诱导的缓蚀作用10-12。然而，据我们所知，目前多潘立酮对X60 管线钢在盐酸腐蚀作用下缓蚀性能的研究还比较少。多潘立酮为咪唑啉类衍生物，分子结构如图 1，其商品名为吗丁啉。其含有苯环，氮环等，从分子式可以看出有 N、O等原子，因而可以在 X60 管线钢表面形成良好的吸附，因而具有较好的缓蚀效果13,14。医用多潘立酮片主要用于治疗胃食管反流、消化不良等上消化道疾病，其产量高、价格低，对环境影响较小。图图 1 多潘立酮的分子结构式多潘立酮的分子结构式 Fig.1 The molecular formula of domperidone 1 实验部分实验部分 1.1 实验材料与药品 测试样品为X60管线钢，使用环氧树脂将其固封，留有1 cm 1 cm 的工作面积。测量前 X60 管线钢样品经 500#、1000#、1500#、2000#的砂纸依次打磨至表面光亮，并用蒸馏水进行清收稿日期 2022-09-07 作者简介 张明(1984-)，男，河北南宫人，中级工程师，主要从事钻井液研究和应用专业。*为通讯作者。2023 年 第 4 期 广 东 化 工 第 50 卷 总第 486 期 65 洗，用无水乙醇超声处理，在冷风下吹干，备用。测试溶液采用 1 M HCl 溶液，分别配制含 100、200、400、800 mg/L(99.75%，大华药业有限公司)的 1 M HCl 溶液。实验中所用 1 M HCl 溶液采用 37%浓盐酸在去离子水下稀释一定倍数配制完成。每一组实验均使用新配制的溶液。1.2 实验方法 1.2.1 电化学测试 电化学测试采用标准三电极体系，使用 Gamry Reference 600+电化学工作站进行测试。电化学测试中的工作电极(WE)由 1 cm1 cm1 cm 的 X60 管线钢制得，辅助电极采用面积为1 cm1 cm 的铂片，参比电极采用饱和甘汞电极(SCE)。在本实验中，所有测试的电位值均是相对于饱和甘汞电极的电位，实验在恒温水浴中进行15。电化学实验之前，对工作电极在 2000#的砂纸下进行打磨清洗、冷风吹干，将三电极体系在 1 M HCl 溶液中浸泡 1500 s后，保证其在开路电位(Eocp)测试中，能够测得稳定状态下的开路电位，之后进行电化学阻抗谱(EIS)分析，在正弦波信号进行测量，振幅为 10 mV，扫描频率范围为 0.01100000 Hz。实验测试完成后，采用 Zview 软件对测得 EIS 数据进行拟合分析。缓蚀效率()由如下公式得到：,0(%)100ctctctRRR-=(1)最后，以 2 mVs1的扫描速率记录电位动态极化曲线，开路电位设为250 mV。缓蚀效率()由如下公式得到：,0,0(%)100corrcorrcorriii-=(2)其中，icorr,0和 icorr分别表示没有加入缓蚀剂和加入缓蚀剂的腐蚀电流密度。每组测量都在相同的实验条件下进行三次，以确保其具有重现性。1.2.2 表面形貌观察 将 1 cm1 cm1 cm 的 X60 管线钢试样依次用 500#、1000#、1500#、2000#、3000#、5000#的砂纸上将表面打磨至镜面光亮无明显划痕，之后采用去离子水、无水乙醇对其表面进行超声清洗，冷风吹干后分别浸泡与 1 M HCl 溶液和含有400 mg/L 多潘立酮的 1 M HCl 溶液中，在 298 K 条件下恒温水浴中处理 6 h。试样取出后，再次使用去离子水及无水乙醇对其进行超声清洗，并于冷风下干燥处理。采用 ZEISS MERLIN COMPACT 场发射扫描电子显微镜对其表面进行表征观察。2 实验结果实验结果 为了研究 X60 管线钢电极的表面性质和多潘立酮在钢表面吸附的动力学过程，在 298 K 时，测试了在含不同浓度的多潘立酮的 1 M HCl 溶液中 X60 管线钢的电化学阻抗谱，相应的 Nyquist 图和 Bode 图如图 2 所示。图图 2 298 K 时时 X60 管线钢在含不同浓度多潘立酮管线钢在含不同浓度多潘立酮 1 M HCl 溶液中的溶液中的 Nyqusit 图和图和 Bode 图图 Fig.2 Nyqusit and Bode plots of X60 pipeline steel in 1 M HCl solution containing different concentrations of domperidone at 298 K 从图 2(a)中可以看出，X60 管线钢在不同多潘立酮浓度下的 Nyqusit 图形状基本相似。空白溶液下，其阻抗谱的高频区表现为较为扁平的半圆弧；而与空白溶液相比，加入多潘立酮后的 Nyquist 图中容抗弧的半径增大，且随着多潘立酮浓度的增加，容抗弧的半径持续增大，证明其耐腐蚀能力逐渐增强，说明在 X60 管线钢的表面形成了这些缓蚀剂分子的保护膜，使得腐蚀行为的阻力增大，从而提高了 X60 管线钢的抗腐蚀性能。从图 2(b)中可以看出，随着多潘立酮的加入及其浓度的增加，低频区的阻抗值明显增大，且具有大相位角的频率范围明显增大，表明多潘立酮分子在钢表面形成了一层具有缓蚀效果的保护膜，证明了多潘立酮的缓蚀作用的有效性。对 X60 管线钢电极在 1 M HCl 溶液中的阻抗数据通过Zsimpwin 软件来拟合，等效电路如图 3 所示，获得的电化学参数列于表 1。其中包括溶液电阻 Rs，膜电阻 Rf，电荷转移电阻 Rct，L 和 RL 分别代表电感和感抗，常相位角元件 CPEdl代表双层电容 Cdl。图图 3 等效电路图等效电路图 Fig.3 Equivalent circuit diagram 表表 1 298 K 时时 X60 管线钢在含不同浓度管线钢在含不同浓度 多潘立酮的多潘立酮的 1 M HCl 溶液中的阻抗参数溶液中的阻抗参数 Tab.1 Impedance parameters of X60 pipeline steel in 1 M HCl solution containing different concentrations of domp