随着化石燃料的持续使用，CO₂排放量显著增加。尽管太阳能、风能等可再生能源技术发展迅速，但在未来至少30年内，化石燃料仍将在能源消费中占据主导地位，与能源相关的CO₂排放量预计将持续增长。这一趋势将加剧温室效应，成为全球变暖的主要诱因，对地球生态健康构成严重威胁。因此，减少CO₂排放对于缓解气候变化和保护脆弱生态系统至关重要。

为应对日益严峻的气候变化挑战，全球范围内正积极推动各类节能减排措施，其中碳捕集、利用与封存（CCUS）技术备受关注。作为实现碳中和目标的关键技术之一，CCUS被众多研究者视为降低二氧化碳排放的有效手段，并具备减缓全球变暖的潜力。目前，CCUS技术已在油田现场得到应用，有助于提高原油采收率。将其与化石燃料发电相结合，可助力构建清洁、可靠且可持续的能源供应体系。

在中国，二氧化碳输送管道已在胜利油田、延长油田以及鄂尔多斯盆地、准噶尔盆地等油田投入运行。胜利油田因多种采油技术的应用，导致氧气进入油水体系，引发严重腐蚀，部分管道腐蚀速率高达0.15 mm/a，并曾发生管道穿孔事故。因此，研究钢材在CCUS环境中的腐蚀行为，对降低由CO₂引发腐蚀所带来的安全风险至关重要。

以往的研究多集中于腐蚀机理、耐蚀材料选择、杂质影响以及超临界CO₂环境中的腐蚀行为。在整个CCUS链中，二氧化碳从高碳排放源被捕集、压缩和净化，然后以超临界状态运输到适当的地点进行封存和永久储存，或运送到特定地点用于提高石油开采效率，以及将捕集的二氧化碳转化为有价值的产品。腐蚀问题往往出现在碳捕获、利用和封存的各个环节。因此，腐蚀在整个CCUS流程中的安全方面是一个严重的挑战。

现有研究与综述多聚焦于油气工业领域的腐蚀问题、防护措施及相关行为机制，但缺乏系统性整合。本文中首先概述CCUS中的CO₂腐蚀问题，随后阐述目前广为接受的腐蚀机理及新近提出的机制，并结合近年研究成果总结CO₂腐蚀的影响因素。接着，讨论并论证CCUS中的腐蚀防护技术，期望能够为后续CO₂腐蚀机理与防护研究提供有益视角，从而促进CCUS技术的改进与工业应用推广。

本文看点

CO₂腐蚀本质上是一个复杂的电化学过程，涉及阳极溶解与阴极析氢等反应，并受温度、压力、pH、氯离子浓度、流速、含水率及油相环境等一系列关键参数的综合影响。各影响因素及其作用归纳如表1所示。

表1  CO₂腐蚀的影响因素及其作用

2.1　水分含量

含水量是调控金属腐蚀的核心因素。腐蚀始于水分的出现，并随其含量增加而加剧。该过程本质为电化学反应。高含水率不仅直接引发腐蚀，更会与温度、压力、CO₂分压及多种离子（如Cl⁻、Ca²⁺、Mg²⁺）产生协同效应，共同促进20^#钢等管道材料表面腐蚀产物的生成与沉积，进而加剧设备腐蚀。

因此，所形成的腐蚀产物膜往往不致密，无法有效阻隔腐蚀。需注意的是，在低温与较低压力下输送CO₂时，应严格控制含水量。因此，对含水率进行细致监测与控制，并实施适宜的腐蚀防护措施，对保障设备与管道的长期可靠性至关重要。

2.2　pH

随着石油与天然气需求的增长，许多高矿化度油气田被勘探与开发。目前研究多集中于高矿化度生产水对CO₂环境中钢材腐蚀的影响。

研究表明，盐度与pH对钢材CO₂腐蚀的影响均呈现单一模式。在单相条件下，钢材腐蚀速率随盐度增加而升高，随pH增加而降低。

2.3　流量流速

流速是影响CO₂腐蚀速率的重要因素，可使主要腐蚀类型由均匀腐蚀转变为局部腐蚀。通常，腐蚀速率随流速增大而升高，主要原因在于高速流动加速离子传输，阻碍腐蚀产物膜形成。流速增大还会导致电双层电容的恒相位元件值增加，电荷转移电阻降低，最终加速钢材腐蚀。然而，亦有研究表明腐蚀速率随流速增大而减小。因为随流速增大，腐蚀电流密度增加，阻抗值减小，腐蚀介质在金属表面的迁移加速，降低钢表面附近溶液中Fe³⁺浓度，阻碍FeCO₃沉积，进而提高腐蚀膜中Cr(OH)₃含量，降低腐蚀速率。

2.4　温度

在一定温度范围内，钢材在CO₂水溶液中的腐蚀速率随温度升高而加快，主要源于高温对腐蚀产物膜结构及保护性能的削弱。在CCUS作业中，井下套管埋深多超过800 m，环境温度可从地表常温升至约100℃。因此，研究该温度区间内钢材的CO₂腐蚀行为，对保障系统关键部件的长期服役安全具有重要意义。

2.5　压力

压力是影响CO₂腐蚀的关键因素之一，与温度、CO₂浓度及金属类型等其他参数相互作用。通常，高压条件下CO₂更易溶解于液相，从而提高腐蚀介质中CO₂浓度，加速腐蚀反应。在恒定温度下，压力影响更为显著。此外，局部压差可引起气液界面移动，导致局部腐蚀或点蚀。

Ren等认为压力变化显著影响钢表面腐蚀产物膜的形成，进而影响腐蚀过程。实验中观察到，在高压、无自由水的水蒸气-气态CO₂环境中，温度与压力的轻微波动会导致部分水蒸气凝结为液态水，附着于钢表面并吸附CO₂至饱和，由此产生的溶液腐蚀钢表面。

腐蚀问题出现在碳捕获、利用与封存的各个环节。目前，常用的腐蚀防护方法包括使用缓蚀剂、涂层与合金材料。其中，缓蚀剂因高效性与成本效益成为当前研究重点。

3.1　缓蚀剂

缓蚀剂是最常用的腐蚀抑制方法，其机理可分为电化学机理与物理化学机理。Wei等采用咪唑基离子液体1-十二烷基-3-甲基咪唑硫酸氢盐（DMIMHS）作为缓蚀剂并测试其性能，发现DMIMHS的加入显著提升预腐蚀碳钢的缓蚀性能。

研究表明，将不同类型缓蚀剂复配使用，即构建复合缓蚀剂，可增强抑制效果。此外，电化学方法有助于深入理解CO₂腐蚀机制，从而促进开发更高效的缓蚀剂。

近年来，出于环境考虑，绿色CO₂缓蚀剂成为研究热点。如Berdimurodov等提出，碳点（CDs）因具备良好水溶性、生物相容性、高热稳定性及不可燃性，是一种生态友好且高效的防腐材料，因在低浓度下即显效且易于合成，预计在不久的将来，CDs将在缓蚀剂领域发挥重要作用。

3.2　涂层保护

涂层技术具有优异的耐腐蚀性、长期保护能力及适应性等优点，在保护结构与设备免受腐蚀方面发挥关键作用。例如，Peng等采用水性改性环氧树脂提升油井水泥的耐腐蚀性能。与未改性环氧树脂的水泥石相比，改性环氧树脂通过填充孔隙提高水泥浆体密实度，并形成三维网状聚合物膜隔离酸性介质，从而增强耐腐蚀性。

3.3　合金保护

合金保护是通过成分设计、晶格调控并结合金属生产工艺实现的防护手段。选择合适的耐腐蚀材料可有效降低CO₂腐蚀风险，提高设备稳定性。Kai等研究了表面处理对Fe-21Cr-32Ni合金在超临界CO₂中氧化行为的影响，发现高Cr扩散有利于形成薄而保护性富Cr氧化层，实现由内部氧化向外部氧化的转变，并降低碳对氧化物的渗透性，从而提升合金的抗氧化与抗渗碳能力。

与传统碳钢相比，钢中添加Cr可显著提高耐腐蚀性且具成本效益。

CCUS是减少碳排放的有效途径，但全流程中的CO₂腐蚀问题不容忽视。本文中综述了CO₂腐蚀问题，包括机理与影响因素，并总结了防护方法。

目前，耐腐蚀材料领域仍面临成本高、加工难度大等挑战。尽管其可有效缓解腐蚀，但仍需进一步研究与改进以确保经济可行性。涂层保护成本相对较低，但在长期耐久性、适用性与可持续性方面仍有提升空间。开发新型绿色缓蚀剂是另一具有前景的方向。

尽管全球范围内缓蚀剂研究取得显著进展，但整体进展仍相对有限。开发绿色缓蚀剂对未来研究至关重要，当前研究的重点应放在制备环境友好、高效缓蚀剂上面，并且阐明其符合绿色标准的作用机制。