Sn-58Bi和Sn-65.7Bi-2.3Sb低熔点合金在模拟地质CO2封存环境中的耐腐蚀性能

《ACS Omega》：Corrosion Resistance of Sn-58Bi and Sn-65.7Bi-2.3Sb Low-Melting Alloys in Simulated Geological CO2 Sequestration Environments

　　

本研究考察了铋基低熔点合金（Sn-58Bi和Sn-65.7Bi-2.3Sb）在模拟地质CO₂封存环境中随温度变化的腐蚀行为。实验在高压釜中进行，腐蚀后分析包括气体突破测试、数字显微镜和X射线光电子能谱（XPS）。结果表明，腐蚀深度和速率随温度升高而增加。当温度从30 °C升至90 °C时，水泥塞的腐蚀相关退化程度从15.2 mm增至31.6 mm，显著高于Sn-58Bi（0.35至0.65 mm）和Sn-65.7Bi-2.3Sb（0.11至0.29 mm）的增幅。两类密封材料的退化机制存在根本差异：G级水泥塞主要经历CO₂诱导的水泥基体内部整体退化，导致结构劣化；而铋基合金塞仅发生有限的整体腐蚀，主要受合金-套管界面局部退化影响。XPS鉴定出(BiO)₂CO₃为主要腐蚀产物。腐蚀削弱了密封完整性：经90 °C暴露后，水泥的突破压力下降73%，而Sn-58Bi仅下降2.4%，Sn-65.7Bi-2.3Sb仅下降0.6%。研究得出结论：在富CO₂环境中腐蚀随温度升高而加速，且Sn-65.7Bi-2.3Sb表现出优于Sn-58Bi的耐腐蚀性能，为这些合金在模拟碳捕集、利用与封存（CCUS）条件下的耐腐蚀性和密封性能演变提供了实验见解。

化石燃料的持续消耗导致大气CO₂浓度显著上升，引发全球气候变化。碳捕集、利用与封存（CCUS）被认为是减缓CO₂排放的有效策略，其中地质CO₂封存可提供长期碳封存途径。然而，封存系统的长期完整性，尤其是井筒密封结构的可靠性，是决定地质CO₂封存安全性与有效性的关键因素。目前，水泥基材料因成本低、易获取，是最广泛使用的密封材料；但在富CO₂地质条件下，CO₂溶于地层水形成碳酸，会与水泥水化产物反应，导致碳化、脱钙、孔隙结构劣化和力学性能退化，进而产生泄漏通道，威胁长期层位隔离性能。因此，开发化学稳定性更强的替代密封材料具有重要意义。铋基低熔点合金因熔点低、凝固体积膨胀等特性，在井下封堵中展现出潜力，甚至已成功应用于挪威Valhall油田弃井作业。然而，其在CO₂封存条件下的长期退化行为仍不清楚，合金成分（尤其是Sb添加）对腐蚀行为的影响也缺乏系统研究。

针对上述问题，研究人员以Sn-58Bi共晶合金和新型Sn-65.7Bi-2.3Sb合金为对象，以G级水泥为基准材料，在模拟地质CO₂封存环境中开展20天高压腐蚀实验和气体突破压力测试。研究发现，铋基合金塞的界面腐蚀程度远低于水泥塞，且Sn-65.7Bi-2.3Sb的耐腐蚀性能优于Sn-58Bi；XPS鉴定出主要腐蚀产物为(BiO)₂CO₃；腐蚀导致水泥突破压力大幅下降，而对合金塞影响很小。该研究为铋基合金作为长期CO₂地质封存用替代密封材料提供了实验依据，论文发表于《ACS Omega》。

研究人员采用的主要技术方法包括：构建高压反应釜系统模拟井下CO

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