随着能源需求和技术的发展,海上油气开采比重逐年增加。海底管道的输送介质为油、气、水多相介质,流动形态复杂,腐蚀问题日益突出。尽管国内外对碳钢的CO2-H2S腐蚀问题已有大量相关研究,但多相流条件下的腐蚀机制及特殊工况下缓蚀剂有效性等问题仍缺乏系统的理论认识和足够的数据支撑。本文重点围绕海上油气田开发中的特殊工况,针对其对钢铁管材腐蚀电化学行为、微观腐蚀机制及缓蚀剂作用机理的影响,利用高温高压腐蚀模拟实验、腐蚀电化学测试、腐蚀产物膜表征、量子化学计算、密度泛函理论计算及分子动力学模拟等手段,开展了油田特殊工况条件下钢的腐蚀规律及缓蚀剂作用机制的研究。针对海上高含CO2气田开发中面临的超临界CO2工况,明确了不同H2S分压对Q125SS和S13Cr腐蚀行为及腐蚀产物膜形成的影响机制。腐蚀产物膜层中主要成分为Fe1-xS(磁黄铁矿型硫铁化合物),FeCO3以及Cr(OH)3/Cr2O3,膜层结构组成的改变影响了腐蚀电化学过程和离子扩散阻力,诱发局部区域电位升高,与基体构成微观电偶电池,促进局部腐蚀发展。针对海底管道油水两相混输的层流工况,利用腐蚀模拟实验及分子动力学模拟等多尺度计算考察有机分子在油/水界面聚集行为,从微观层次分析了缓蚀剂十七烯基羟乙基咪唑啉季铵盐(OED)和月桂酰两性基二乙酸二钠(LAD)在油/水两相中的分配行为,揭示了油水两相界面处腐蚀过程中的缓蚀剂作用机制。针对更为复杂的含固相的多相流海底管道腐蚀工况,明确了缓蚀剂分子在FeC03和CaCO3垢表面的吸附会导致其效率降低,揭示了砂垢固相颗粒沉积对缓蚀剂有效性的影响机制。在研究LAD作用机理的同时,明确了阻垢剂HPAA对LAD缓蚀效果的增强效应。当体系中同时加入LAD和HPAA分子,阻垢剂分子阻碍了 CaCO3晶粒的形核和进一步长大,对缓蚀剂的缓蚀性能起到了较好的协同作用。建立了模拟海底管道清管作业对腐蚀影响的实验装置,获得了清管工艺对管壁腐蚀的影响规律,提出了复杂多相流工况下缓蚀剂作用效果的实验室评价方法。通过模拟现场清管及缓蚀剂批处理工艺的腐蚀实验表明,清管后进行批处理预膜,有利于缓蚀剂分子吸附成膜,对腐蚀有明显抑制效果。利用水热法合成了新型绿色有机缓蚀剂β-HA,对钢有较好的保护作用,缓蚀效率达94.1%。缓蚀剂分子的吸附遵循Langmuir吸附等温线,整个吸附过程可分为快速吸附和缓蚀剂分子重排两个阶段。基于量子化学计算和分子动力学模拟结果,缓蚀剂β-HA在Fe(110)表面具有较好的吸附能力,且β-HA的Fe-O键长度小于MHB和PE。由于MHB和PE都是环境友好型化学品,这一结果有望使该类缓蚀剂在海洋开发中获得更广泛的应用。