5Cr钢作为超临界CO2地热开采管道的腐蚀行为研究：相环境、温度与Cl-的多因素影响机制

针对超临界CO2(S-CO2)地热开采管道材料面临的腐蚀挑战，研究人员系统评估了5Cr钢在23 MPa下S-CO2/H2O两相环境中的腐蚀行为。研究发现H2O相较S-CO2相更具腐蚀性，温度升高和Cl-引入会加剧腐蚀，但5Cr钢形成的FeCr2O4尖晶石内层可提升耐蚀性，为200°C以下S-CO2环境管道选材提供理论依据。

　　

在全球能源转型与碳中和背景下，超临界CO₂(S-CO₂)地热开采技术因其兼具能源提取与碳封存(CCUS)双重功能而备受关注。然而，地下高温高压、多相共存及卤水侵蚀的极端环境，对管道材料提出了严苛要求。传统材料在S-CO₂/H₂O两相界面处易发生腐蚀失效，而高合金材料成本昂贵。如何平衡材料性能与经济性，成为制约该技术规模化应用的瓶颈问题。

中国钢研科技集团有限公司特殊钢研究院的研究团队聚焦这一工程难题，选取兼具强度与经济性的5Cr马氏体钢（含4.91% Cr）作为研究对象，通过模拟23 MPa地热环境，首次系统揭示了相环境、温度（150-300°C）与Cl^-(20000 ppm)多因素耦合作用下的腐蚀机制。相关成果发表于《Journal of Materials Research and Technology》。

研究采用高压釜实验结合多尺度表征技术：通过双相环境平行暴露实验设计，同步评估S-CO₂相（气相反应）与H₂O相（电化学反应）差异；利用SEM-EDS和XRD解析腐蚀产物的双层结构；采用3D形貌仪量化点蚀深度；依据ASTM G1-03标准计算腐蚀速率。

3.1 光学与显微形貌

宏观观察显示，H₂O相样品呈现更深的灰褐色，300°C+Cl^-条件下出现白色腐蚀产物颗粒。SEM显示H₂O相腐蚀产物尺寸更大，Cl^-使产物层孔隙率显著增加（图3）。

3.2 截面分析与产物组成

EDS线扫描证实腐蚀产物呈双层结构：外层富Fe-C-O（主要为FeCO₃），内层富Fe-Cr-O（FeCr₂O₄）。H₂O相的内层厚度达20 μm，是S-CO₂相的2倍（图4-5）。XRD证实Cl^-促使FeCO₃向Fe₂O₃/Fe₃O₄转化（图7）。

3.3 腐蚀速率与点蚀行为

重量法测得H₂O相腐蚀速率始终高于S-CO₂相，300°C时达3.40 mm/y（表2）。3D形貌显示Cl^-使点蚀深度激增至90 μm，呈现"催化循环"特征（图6）。

4.1 腐蚀产物形成机制

在S-CO₂相中，Fe通过气固反应生成FeCO₃（反应2），而H₂O相中CO₂水解形成碳酸引发电化学腐蚀（反应6-9）。5% Cr含量虽不足以形成连续Cr₂O₃层，但通过生成FeCr₂O₄尖晶石（反应15）提升保护性。

4.2 多因素影响规律

温度升高加速离子扩散，使300°C时H₂O相腐蚀速率比150°C高3倍。Cl^-通过"活性氧化"机制（反应16-18）破坏产物层，其小半径特性更易诱发点蚀。研究建议200°C以下使用5Cr钢，高Cl^-环境需采用高Cr不锈钢衬里。

该研究首次明确了5Cr钢在S-CO₂地热环境中的腐蚀阈值，提出的双层保护模型为低成本管道材料设计提供了新思路。成果对推进地热-CCUS技术产业化具有重要工程指导价值。