在油气田开发与运营中,设备与管道面临严苛的腐蚀环境,其中CO2腐蚀是油气田腐蚀的主要形式之一。在油气田管道的腐蚀防护中,缓蚀剂由于其用量少,成本低,操作简便而获得广泛应用。然而,油气田管道中介质复杂,腐蚀因素众多,单一的缓蚀剂并不能满足复杂多变的腐蚀环境,因此对具有协同作用的缓蚀剂体系的研究对于抑制油气田腐蚀具有非常重要意义。另一方面,由于有机分子在界面上吸附的复杂性,增加一种分子就会大大增加体系的复杂性,因此目前对三元及以上复杂组成的缓蚀剂协同机理的研究还不系统和深入,同时多相流环境对缓蚀剂协同效应的影响也极少探究。本论文基于以上问题,筛选了含氮杂环化合物和含硫化合物这两种不同类型的缓蚀剂,利用失重法和电化学方法对一元(单一缓蚀剂体系)、二元(两种缓蚀剂体系)、三元(三种缓蚀剂体系)缓蚀剂进行了单一缓蚀性能及协同缓蚀性能评价,结合理论计算化学、X射线光电子能谱(XPS)、扫描电子显微镜(SEM)技术深入研究协同缓蚀作用机理。主要研究工作包括:1、选用吡啶及3种甲基位不同的吡啶衍生物、喹啉和其季铵化合成产物作为含氮杂环化合物,选用硫脲(TU)和巯基乙醇(TZ)作为含硫化合物,进行了单一缓蚀性能评价。结果表明,在60℃下,浓度为2×10-4 mol/L的一元吡啶类含氮杂环化合物在饱和CO2的3.5%NaCl溶液中对Q235碳钢没有明显缓蚀性能,而喹啉及其季铵盐和含硫化合物单一使用时,具有一定的缓蚀性能。2、将吡啶类含氮杂环化合物与两种含硫化合物按摩尔比1:1复配在相同条件下进行二元缓蚀剂性能评价。结果表明,季铵化后的含氮杂环化合物与含硫化合物具有明显协同缓蚀作用,并且协同效应随着含氮杂环化合物的甲基位置不同而不同,而含硫化合物的类型对协同作用影响不大。其中4-甲基吡啶季铵盐(4-PQ)与含硫化合物具有最佳协同效应,主要影响碳钢腐蚀的阳极过程。3、将4-PQ与含硫化合物作为二元缓蚀剂体系,通过失重、极化曲线和电化学阻抗测试手段研究了不同摩尔比对二元缓蚀剂协同效应的影响。结果表明:在60℃下,总浓度为2×104mol/L二元缓蚀剂性能大小受摩尔比影响按以下顺序:3:1>5:1>1:1>1:5>1:3(4-PQ:TZ或TU)。在摩尔比为1:3或1:5时,二元缓蚀剂缓蚀性能与单一TZ或TU相似,这是由于该比例下缓蚀性能取决于含硫化合物,其含量影响了 4-PQ分子接触金属表面可能性。随着二元缓蚀剂中4-PQ含量的增加,4-PQ与含硫化合物之间的协同缓蚀作用增强,在摩尔比为3:1时可达到90%以上,而随着4-PQ含量再增加,缓蚀率降低。同时对比了在摩尔比为3:1的条件下,喹啉含氮杂环化合物与含硫化合物的协同缓蚀性能明显优于吡啶类含氮杂环化合物,这说明杂环数对协同效应具有强烈影响。4、构建了吡啶季铵盐(PQ)、喹啉季铵盐(QQ)和含硫化合物的三元缓蚀剂体系,通过失重和极化曲线测试了三元缓蚀剂协同效应。结果表明,在60℃下,三元缓蚀剂(总浓度5×10-5 mol/L)具有优异的协同效应,其缓蚀性能与各组分摩尔比密切相关,当总的含氮杂环化合物和含硫化合物摩尔比为3:1时,缓蚀率达到95%以上(PQ:QQ:TU=1.5:1.5:1)。5、通过线性极化曲线、电化学阻抗测试,SEM,XPS以及量子化学计算和分子动力学模拟,分别研究了二元和三元缓蚀剂体系协同作用机理。结果表明,混合缓蚀剂体系中缓蚀剂之间存在一定的吸附顺序,在二元缓蚀剂体系中,这两种分子在金属表面上进行平行吸附,分子结构较大的含氮杂环化合物分子优先吸附在金属表面上,而小分子的含硫化合物填补在空位中,并且在合适的摩尔比下,在金属表面形成致密的保护膜,起到良好的缓蚀作用。在三元缓蚀剂体系中,同样存在上述吸附顺序。最后,将三元缓蚀剂体系应用在模拟的实际环境中,研究了含水率变化对协同效应的影响,发现含水率对三元缓蚀剂在水相中的含量比例和有效浓度影响很大。