二氧化碳腐蚀试验（CO₂ Corrosion Test），也称为甜腐蚀试验（Sweet Corrosion Test），是一种用于评估材料（尤其是金属材料，如碳钢、低合金钢、不锈钢等）在含二氧化碳（CO₂）环境下的耐腐蚀性能的试验方法。这种腐蚀常见于石油天然气开采、输送管道、化工设备、碳捕集与封存（CCS）系统等工业领域。
一、什么是二氧化碳腐蚀？
定义：当CO₂溶于水后，形成碳酸（H₂CO₃），导致水溶液呈酸性，从而引发金属材料的电化学腐蚀。
CO₂ + H₂O → H₂CO₃ → H⁺ + HCO₃⁻ → 2H⁺ + CO₃²⁻
特点：
区别于含硫化氢（H₂S）的“硫化物应力腐蚀开裂（SSC）”（即“酸性腐蚀”或“** sour corrosion**”）。
因其腐蚀环境相对“温和”，故被称为“甜腐蚀（Sweet Corrosion）”。
二、二氧化碳腐蚀试验的目的
评估材料在模拟工况下的均匀腐蚀速率。
检测是否发生局部腐蚀（如点蚀、台地腐蚀）。
验证缓蚀剂的防护效果。
评价腐蚀产物膜（如FeCO₃）的保护性。
为选材、防腐设计和寿命预测提供依据。
三、常见试验标准
| 标准 | 适用范围 | 简介 |
|---|---|---|
| NACE TM0177 / ISO 15156 | 油气田环境 | 包含CO₂/H₂S共存条件下的材料性能评估 |
| NACE TM0775 | 碳钢和低合金钢在酸性环境中的腐蚀试验 | 常用于评估CO₂腐蚀速率 |
| ASTM G31 | 实验室浸泡试验指南 | 提供通用腐蚀试验方法框架 |
| ISO 15156-2 / NACE MR0175 | 油气工业用材料抗环境开裂性能 | 涉及CO₂分压对材料选择的影响 |
| SY/T 5273-2014 | 中国石油天然气行业标准 | 适用于油田采出液中CO₂腐蚀模拟试验 |
四、试验方法与流程
1. 试验类型
| 类型 | 描述 | 适用场景 |
|---|---|---|
| 静态试验 | 将试样置于密闭容器中，通入CO₂并恒温浸泡 | 初步筛选材料或缓蚀剂 |
| 动态试验 | 使用旋转圆柱电极（RCE）或流动回路模拟流体冲刷 | 更接近实际管道流动条件 |
| 高压釜试验（Autoclave Test） | 在高温高压条件下进行，模拟深井环境 | 高压CO₂环境（如油气井） |
2. 典型试验条件
温度：25°C ~ 150°C（根据实际工况）
CO₂分压：0.1 bar ~ 数十 bar
介质：模拟地层水（含Cl⁻、HCO₃⁻等）、盐水、原油+水混合物
pH值：3.5 ~ 6.5（CO₂溶解后自然形成）
试验时间：数小时至数周（常见为7天、14天、30天）
试样：标准金属片（通常为碳钢N80、P110、13Cr等）
3. 试验步骤示例
制备试样：打磨、清洗、称重（精确至0.1mg）。
配置腐蚀介质（如3.5% NaCl溶液）。
将试样放入反应釜，加入介质，密封。
抽真空后通入CO₂气体，维持设定压力。
加热至目标温度，开始计时。
试验结束后取出试样，清洗腐蚀产物（常用Clarke溶液或Rigo溶液）。
再次称重，计算腐蚀速率：
腐蚀速率（mm/year）= (ΔW × 8.76×10⁴) / (A × t × ρ)
ΔW：质量损失（g）
A：表面积（cm²）
t：时间（h）
ρ：材料密度（g/cm³）
五、评估指标
平均腐蚀速率（mm/year 或 mpy）
局部腐蚀深度（最大点蚀深度）
腐蚀形貌分析（通过SEM、EDS观察）
腐蚀产物膜成分分析（XRD、XPS）
电化学参数（可结合EIS、极化曲线等原位监测）
六、影响CO₂腐蚀的主要因素
| 因素 | 影响 |
|---|---|
| CO₂分压 | 分压越高，腐蚀性越强 |
| 温度 | 一般<60°C时腐蚀加剧；>80°C可能形成保护性FeCO₃膜 |
| pH值 | pH越低，腐蚀速率越高 |
| 流速 | 高流速破坏腐蚀膜，加剧冲刷腐蚀 |
| Cl⁻浓度 | 促进点蚀和膜局部破坏 |
| HCO₃⁻浓度 | 可缓冲pH，有时抑制腐蚀 |
| 材料成分 | Cr、Mo等合金元素提高抗CO₂腐蚀能力 |
七、应用领域
油气行业：油井管、集输管线、井下工具
CCUS（碳捕集、利用与封存）：CO₂输送管道、封存地层材料
化工设备：尿素生产、合成氨装置
地热系统：高温高压含CO₂热水环境
八、企业应对建议
选材优化：在高CO₂环境下优先选用含Cr钢、双相不锈钢或镍基合金。
使用缓蚀剂：定期注入成膜型缓蚀剂。
内涂层或衬里：采用环氧涂层、玻璃钢衬里等物理防护。
开展腐蚀试验：新产品或新工况前进行CO₂腐蚀模拟测试。
监测与维护：在线腐蚀监测（如腐蚀挂片、电阻探针）。
总结
二氧化碳腐蚀试验是评估材料在酸性含CO₂环境中服役寿命的关键手段。通过标准化的试验方法，可以有效预测材料腐蚀行为，指导工业设备的安全设计与运行。对于涉及油气、CCUS、化工等行业的企业，建立CO₂腐蚀评估能力至关重要。
如需具体试验方案或标准文本，可参考NACE、ISO或国家标准，并建议与专业检测机构（如讯科标准等）合作开展测试。