管道结垢难题有解了！DLC薄膜助力石油行业发展！

在石油行业，人们正在努力提高原油回收效率。例如，注入二氧化碳可以将原油的生产效率提高10%~15%。然而，随着石油产量的增加，也面临着更多的挑战，管道腐蚀是其中之一。对于二氧化碳增强采收率（EOR）技术，生产油水混合物因高压与二氧化碳过饱和而酸化，对管道和生产运输系统中的关键设备造成严重的腐蚀，并且使得管道内壁很容易结垢。所以考虑到CO₂-EOR生产系统中存在的实际问题和DLC薄膜的优点，有必要重点研究DLC薄膜在类似工况条件下的性能。

在低碳钢上沉积多层类金刚石碳（DLC）薄膜，并模拟DLC膜层在CO₂增强采油条件下的耐腐蚀和抗结垢性能。在CO₂饱和溶液中，与未涂覆的管道相比，薄膜的腐蚀速率极低。说明DLC薄膜可以有效地防止碳钢受到长期腐蚀攻击，而且由于减少亚微观缺陷的腐蚀产物的沉积，有效的阻止膜层表面结垢的产生。

利用乙炔气体作为PIID工艺中的主要工作气体来沉积ML-DLC薄膜。ML-DLC薄膜横截面的扫描电镜图像如图1所示。可以观察到多层的结构。通过SEM测量，第一碳化硅层（粘结层）为0.74 μm，第一DLC层和第二DLC层为1.1μm，第二碳化硅层和第三碳化硅层为0.37 μm，第三（上）DLC层为6 μm。所以总的ML-DLC大约是10 μm。

图1 DLC膜层结构

图2显示了在二氧化碳压力为1.0 MPa的60℃高压釜试验中，ML-DLC薄膜与未涂层的316L不锈钢和20钢的腐蚀速率。在这种情况下，测量到的未涂层20-钢的腐蚀速率为1.2 mm/y，未涂层316L不锈钢的腐蚀速率约为0.01 mm/y。在三个样品上沉积的ML-DLC薄膜的腐蚀速率分别如图2所示。数据分散在1.5~6.0μm/y，因此，在模拟CO₂-EOR盐水中，20-钢上沉积的ML-DLC膜的腐蚀速率小于0.01 mm/y，这的腐蚀速率甚至低于316L不锈钢。如此极低的ML-DLC腐蚀速率清楚地显示了其对CO₂饱和环境的高抗性。

图2 不同试样在CO₂饱和环境的腐蚀速率

如图3所示。在溶液I条件下，20钢和DLC薄膜的标度略有差异。316L不锈钢的结垢度远高于其他不锈钢。在溶液II条件下，与未涂层的20钢和未涂层316L不锈钢相比，DLC膜在防止结垢形成方面的优势非常明显。溶液III含最高的Mg²⁺、Ca²⁺浓度，更是突出了DLC薄膜在防止结垢形成方面的意义。因此，DLC膜可以有效抑制盐垢的形成，特别是在高浓度盐溶液条件下。

图3 抗结垢测试结果

采用PIID方法制备了多层DLC薄膜（SiC/DLC）。

1. 在二氧化碳饱和溶液中，DLC膜优于未涂层的低碳钢和未涂层的316L不锈钢。观察到DLC膜的腐蚀速率极低，且小于0.01 mm/y。

2. 抗结垢试验表明，DLC膜对防止盐垢形成是有效的，尤其是在高浓度的盐溶液中效果更明显。

3. DLC薄膜的这些优点表明，它适用于防止管道在CO₂-EOR现场条件下的腐蚀和结垢。

Wang Z M, Zhang J, Han X, et al. Corrosion and salt scale resistance of multilayered diamond-like carbon film in CO2 saturated solutions[J]. Corrosion science, 2014, 86: 261-267.