我國部分油田進(jìn)入開采中后期,原油黏度增大。為了提高稠油的集輸效率,通常采用的方式是加熱集輸和摻水集輸。其中,摻水集輸因能耗低、運(yùn)行成本低等特點(diǎn)而得到廣泛應(yīng)用[1]。但是,在摻水集輸過程中,集輸管道會發(fā)生嚴(yán)重腐蝕,局部區(qū)域頻繁出現(xiàn)腐蝕穿孔,這給油田的安全生產(chǎn)和環(huán)保帶來巨大壓力。 

導(dǎo)致管道腐蝕穿孔的因素包含溫度、硫酸鹽還原菌（SRB）含量、溶氧含量、H2S含量等。關(guān)于單因素或者雙因素耦合對腐蝕影響已經(jīng)進(jìn)行了大量研究[2-12]。摻水集輸環(huán)境面臨以上多個(gè)因素的共同作用,腐蝕過程更為復(fù)雜。對于多因素交互作用的復(fù)雜環(huán)境,傳統(tǒng)試驗(yàn)方法如全因子試驗(yàn)、正交試驗(yàn)等均不適用。HU等[13]通過試驗(yàn)設(shè)計(jì)研究了溫度、氧含量和靜水壓力對Ni-Cr-Mo-V鋼耐蝕性能的影響。劉靜等[14]采用響應(yīng)曲面法（RSM）設(shè)計(jì)試驗(yàn),探究了NaCl含量、pH和壓力3個(gè)因素對于臨界點(diǎn)蝕溫度的影響,結(jié)果表明3個(gè)單因素影響顯著,NaCl含量和壓力之間存在耦合作用。NAKHAIE等[15]采用兩水平析因設(shè)計(jì)探究了多因素環(huán)境對熱浸鋅鋼腐蝕影響的顯著性。 

作者根據(jù)摻水集輸管道現(xiàn)場服役環(huán)境,確定可能引起腐蝕的變量因素及其范圍,然后采用響應(yīng)曲面法（RSM）研究了多因素影響下20鋼管道的腐蝕行為,即設(shè)計(jì)電化學(xué)試驗(yàn)測試條件,并以極化曲線得到的腐蝕電流密度作為響應(yīng)值進(jìn)行方差分析,確定各因素及其耦合作用對于摻水系統(tǒng)腐蝕的影響。 

1.   試驗(yàn)

1.1   試樣與介質(zhì)

試驗(yàn)材料為天津鋼管生產(chǎn)的20鋼管,尺寸為?76 mm×4 mm,具體成分如表1所示。將20鋼管加工成尺寸為10 mm×10 mm×3 mm的電極試樣,用環(huán)氧樹脂將試樣封裝,然后采用240號至1200號SiO2砂紙依次打磨試樣工作面,并用去離子水、酒精依次清洗試樣,冷風(fēng)吹干后備用。 

測試溶液為模擬現(xiàn)場水溶液,其中含9 051 mg/L（K++Na+）、14 170.6 mg/L Cl-、67.5 mg/L 、899.2 mg/L 、336.7 mg/L Ca2+、131.3 mg/L Mg2+、96.2 mg/L S2-。 

1.2   電化學(xué)測試

在電化學(xué)測試之前,將整個(gè)電解池除氧1 h,隨后通入定量的混合氣使O2和H2S的含量滿足試驗(yàn)要求,通氣時(shí)間2 h。電化學(xué)測試儀器為武漢科斯特CST330電化學(xué)工作站,測試過程中采用傳統(tǒng)的三電極體系。其中,工作電極為20鋼,參比電極為Ag/AgCl電極（SSC）,對電極為鉑片電極。測試電位區(qū)間為-0.3~1.6 V（相對開路電位）,電位掃描速率為0.333 mV/s,當(dāng)電流密度大于10 mA/cm2時(shí)停止試驗(yàn)。采用Tafel外推法確定腐蝕電流密度。 

1.3   試驗(yàn)設(shè)計(jì)

依據(jù)現(xiàn)場服役環(huán)境確定可能引起腐蝕的變量因素,包含溫度、SRB含量、溶氧含量以及H2S含量,各因素的水平見表2。先對各環(huán)境因素的真實(shí)值進(jìn)行轉(zhuǎn)換,使其成有利于數(shù)學(xué)計(jì)算的編碼值,轉(zhuǎn)化方法如式（1）所示。隨后,根據(jù)Box-Benhnken的中心組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)原理,以極化曲線測試結(jié)果中腐蝕電流密度為響應(yīng)值,借助Design-Expert 8.0.6軟件設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案,如表3所示。 

式中：xi為變量i的編碼值；Xi為變量i的真實(shí)值；為變量i在試驗(yàn)設(shè)計(jì)范圍內(nèi)中心點(diǎn)的真實(shí)值。 

2.   結(jié)果與討論

2.1   極化曲線測試結(jié)果

圖1為不同試驗(yàn)條件下20鋼的極化曲線,用Tafel外推法對極化曲線進(jìn)行擬合,得到對應(yīng)的腐蝕電流密度Jcorr,結(jié)果列于表3中。結(jié)果表明,在45 ℃溫度下,腐蝕電流密度整體較小,最大值僅為14.12 μA/cm2,出現(xiàn)在25號試驗(yàn)條件下；當(dāng)溫度為75 ℃時(shí),腐蝕電流密度顯著提高,尤其是在14號試驗(yàn)條件下,腐蝕電流密度達(dá)到最大,為91.13 μA/cm2。對比表3中的腐蝕電流密度和圖1中的極化曲線結(jié)果,可以看出在摻水環(huán)境中,腐蝕電流密度的改變可能受溫度、SRB含量、溶氧含量、H2S含量等單一因素及其耦合因素的影響。 

圖  1  不同試驗(yàn)條件下20鋼的極化曲線

Figure  1.  Polarization curves of 20 steel under different test conditions

2.2   方差分析

利用Design Expert 8.0.6軟件對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行二次回歸擬合分析,得到各影響因素與腐蝕電流密度Jcorr之間的二次多元回歸方程,見式（3）和式（4）。其中,式（3）為編碼值擬合結(jié)果,式（4）為實(shí)際值擬合結(jié)果。 

式中：x1、x2、x3、x4和A、B、C、D分別代表溫度、SRB含量、溶氧含量、H2S含量的編碼值和實(shí)際值。 

為了確定所構(gòu)建的二次多元回歸模型即式（4）的準(zhǔn)確性,采用方差分析對該模型進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)評價(jià),結(jié)果見表4。根據(jù)方差分析結(jié)果,模型F值為20.06,對應(yīng)的P值<0.0001,表明該擬合結(jié)果顯著[16],模型能夠反映腐蝕真實(shí)情況,僅有0.01%的概率是由試驗(yàn)噪聲導(dǎo)致的,同時(shí)失擬項(xiàng)F值為2.03,對應(yīng)的P值為0.176 0,表明失擬項(xiàng)與誤差的相關(guān)性不顯著。復(fù)相關(guān)系數(shù)R的大小決定了相關(guān)性的密切程度,也就是R2越接近1,表示模型的相關(guān)性越好。本模型的R2為0.981,表明該模型與實(shí)際情況相關(guān)性高。本模型的精密度達(dá)到了28.398,精密度大于4即為理想,表明此模型獲得的結(jié)果基本不受外界干擾信號的影響。除此之外,本模型的（校正復(fù)相關(guān)系數(shù)）和（預(yù)測復(fù)相關(guān)系數(shù)）數(shù)值接近,差值小于0.2,這表明該模型能夠準(zhǔn)確擬合數(shù)據(jù),并且在數(shù)據(jù)范圍內(nèi)可以進(jìn)行可靠的差值響應(yīng)。表4中方差分析結(jié)果表明,A、B、C、AB、AC、BC、A2、C2對模型有顯著影響。 

為了進(jìn)一步確定各因素對腐蝕電流密度的影響,采用帕累托分析定量評價(jià)[17-18],具體計(jì)算方法如式（5）所示。 

式中：Pi為某因素對臨界點(diǎn)蝕溫度影響大小的權(quán)重；bi為該影響因素的系數(shù),見式（3）。 

圖2體現(xiàn)了摻水集輸管道各因素腐蝕影響因素及其耦合作用對腐蝕電流密度影響的權(quán)重。結(jié)合圖2和表4中方差分析結(jié)果,對20鋼腐蝕具有顯著性影響的單因素及耦合因素按影響從大到小的順序?yàn)椋簻囟?、溶氧含量、溫度和溶氧含量耦合、溫度和SRB含量耦合、SRB含量、SRB含量和溶氧含量耦合。其中,在0~529 mg/kg H2S范圍內(nèi),H2S含量、H2S含量和溶氧含量耦合、溫度和SRB含量耦合對20鋼腐蝕影響不顯著。圖2中,溫度影響（A,A2）的權(quán)重達(dá)到64.90%,溶氧含量影響（C,C2）的權(quán)重為15.27%；溫度和氧氣耦合影響（AC）的權(quán)重達(dá)到9.39%；溫度和SRB含量耦合影響（AB）的權(quán)重達(dá)到5.29%；SRB含量影響（B,B2）的權(quán)重為2.67%；SRB含量和溶氧含量耦合影響（BC）的權(quán)重為2.30%。 

圖  2  各腐蝕影響因素的Pareto圖

Figure  2.  Pareto graph of corrosion influencing factors

依據(jù)Pareto權(quán)重分析以及方差分析結(jié)果,式（4）中腐蝕電流密度與各因素之間的關(guān)系可以優(yōu)化為 

優(yōu)化后模型即式（6）的殘差服從正態(tài)分布。圖3為腐蝕電流密度實(shí)際值與預(yù)測值的關(guān)系圖,可以看出腐蝕電流密度的實(shí)測值與預(yù)測值基本在45°線上下,表明實(shí)測值與預(yù)測值基本吻合。 

圖  3  腐蝕電流密度實(shí)測值與優(yōu)化模型預(yù)測值對比

Figure  3.  Comparison of corrosion current densities from measurement and optimized model

2.3   響應(yīng)曲面分析

圖4為不同SRB含量下溫度和溶氧含量對腐蝕電流密度的影響。由圖4（a）中可以看出,當(dāng)SRB含量為0時(shí),隨著溫度在45~70 ℃范圍內(nèi)升高,腐蝕電流密度增大,同時(shí)隨著溶氧質(zhì)量濃度在0.02~0.10 mg/L范圍內(nèi)增加,腐蝕電流密度也增大,但是從圖4（a）所示3D圖中可以看出明顯的等高線,表明溫度和溶氧含量對腐蝕電流密度影響存在明顯的耦合作用。在75 ℃、0.1 mg/L O2時(shí)對應(yīng)的腐蝕電流密度最大。從圖4（b）同樣可以看出,當(dāng)SRB含量為11 000個(gè)/mL時(shí),溫度和溶解氧的影響存在耦合關(guān)系。對比圖4（a）和圖4（b）可知,在溫度和溶氧含量相同條件下,SRB含量增加會導(dǎo)致腐蝕電流密度的增加。 

圖  4  不同SRB含量下溫度和溶氧含量對腐蝕電流密度的影響

Figure  4.  Effects of temperature and dissolved oxygen concentration on corrosion current density under condition of different SRB concentrations

圖5為不同溶氧含量下溫度和SRB含量對腐蝕電流密度的影響。由圖5可以看出,SRB和溫度對腐蝕電流密度影響同樣存在耦合作用。對比圖5（a）和圖5（b）中的擬合結(jié)果可以看出,當(dāng)溫度和SRB含量不變時(shí),隨著溶氧含量增加,腐蝕電流密度增大。近年來的研究表明,SRB不是嚴(yán)格厭氧,可以耐受一定含量的氧氣,即使在含氧環(huán)境中,SRB也可以通過調(diào)整新陳代謝以及自我保護(hù)等適應(yīng)生長環(huán)境,從而加速金屬材料的腐蝕[19]。 

圖  5  不同溶氧含量下溫度和SRB含量對腐蝕電流密度的影響

Figure  5.  Effects of temperature and SRB concentration on corrosion current density under condition of different dissolved oxygen concentrations

3.   結(jié)論

（1）方差分析結(jié)果表明,溫度、溶氧含量、SRB含量、溫度與溶氧含量耦合、溫度與SRB含量耦合、SRB含量和溶氧含量耦合對腐蝕電流密度影響顯著,但是H2S含量以及其與其他因素的耦合在測試范圍內(nèi)影響不顯著。 

（2）Pareto權(quán)重分析顯示各單一因素及耦合因素對腐蝕電流密度影響從大到小排列依次為：溫度（64.90%）、溶氧含量（15.27%）、溫度和溶氧含量耦合（9.39%）、溫度和SRB含量耦合（5.29%）、SRB含量（2.67%）、SRB含量和溶氧含量耦合（2.30%）。

文章來源——材料與測試網(wǎng)