煙道氣驅油過程中N80鋼的腐蝕敏感性研究

周迎梅

(中國石油大學勝利學院，山東 東營 257601)

隨著氣驅提高采收率技術的發展以及天然氣價格的上漲，注煙道氣驅油技術有了很大的發展空間。特別是近年來，溫室氣體減排成為國家層面重大問題后，注煙道氣驅油受到了空前的重視。煙道氣主要成分為N2和CO2，同時還含有一定量的O2，因此驅油機理兼具CO2驅和N2驅。目前應用的煙道氣采油工藝主要有煙道氣吞吐、煙道氣與含油污水交替注入、煙道氣輔助蒸汽吞吐和煙道氣輔助蒸汽輔助重力泄油技術(SAGD)等[1-3]。盡管注煙道氣驅油技術已經取得了一定的發展，但其面臨的嚴重問題是煙道氣具有很強的腐蝕性，會對煙道氣處理設備、輸氣管線、油氣井管柱等造成嚴重腐蝕。煙道氣處理設備及輸氣管線可以采用防腐材質，但出于經濟方面考慮，油井管柱仍以碳鋼為主。研究顯示,對油井管柱腐蝕影響因素較多，溫度、壓力、流速、O2和SO2體積分數等對N80鋼腐蝕速率都有影響[4-9]，基于此，本文利用灰色關聯分析對煙道氣驅油所涉及影響因素進行敏感性分析。

1 腐蝕實驗

1.1 實驗準備

煙道氣成分多樣，主要的腐蝕性氣體有CO2、SO2、O2等，在煙道氣壓力較高的情況下，其中的CO2會對井筒產生嚴重的腐蝕，同時SO2、O2等也會加重腐蝕，因此有必要研究鋼在CO2+O2+SO2+H2O腐蝕環境下的腐蝕規律。為了方便腐蝕規律的研究，本實驗將采用JB/T 7901—1999金屬材料實驗室均勻腐蝕全浸實驗方法[10]，進行腐蝕實驗。試樣材料為N80鋼，化學成分見表1。

表1 N80成分含量Table 1 The chemical element of N80

試樣按標準加工成50 mm×10 mm×3 mm大小的腐蝕掛片，并留有直徑為6 mm的孔以便固定在掛片架上，如圖1所示。

圖1 試樣加工示意圖Fig.1 Sketch map of corrosion coupons machining

圖2 煙氣腐蝕特性測試裝置示意圖Fig.2 Sketch map of flue gas corrosion properties test equipment

實驗儀器主要包括煙道氣腐蝕特性測試裝置(P20-T150，海安石油科技有限公司)、掃描電子顯微鏡(S-4800，日本Hitachi)、X射線衍射儀(X’Pert PRO MPD，荷蘭PANalytical)和X射線能譜分析儀(XM2-60S，美國Edax)。煙道氣腐蝕特性測試裝置(圖2)具有控溫和旋轉動態模擬功能，可以根據實驗條件設定。腐蝕實驗煙道氣N2和CO2體積分數分別為80%和18%。每組實驗設置平行試樣，一組用于稱量酸洗去除腐蝕產物膜后試樣質量，計算腐蝕速率；另一組用于進行腐蝕產物分析。實驗步驟包括：(1)試樣處理。將試樣按脫脂去污、打磨、脫水、干燥的步驟進行預處理，同時對試樣稱重。(2)制備腐蝕介質。并按照設定的實驗條件，計算所需各組分的量，進行配氣。(3)進行周期腐蝕實驗。(4)腐蝕后試樣處理。對腐蝕后的試樣清洗，并按照GB/T 16545—2015[11]規定的方法去除腐蝕產物，對試樣干燥處理后稱重。腐蝕速率計算公式為

(1)

式中，R為腐蝕速率，mm/a；m0為實驗前試樣質量，g；m1為實驗后試樣質量，g；s為試樣的總面積，cm2；t為實驗時間，h；ρ為材料的密度，kg/m3。

1.2 腐蝕實驗結果

管材腐蝕的影響因素有很多，主要包括煙道氣壓力、溫度、流速、煙道氣成分、腐蝕液離子等。其中，煙道氣成分主要考慮煙道氣中所含O2、SO2和SO3的影響；腐蝕液的所含離子主要考慮不同地層的地層水的水型不同、可能在腐蝕環境中出現的離子，主要有HCO3-、CO32-和Cl-。因此，本實驗中考慮的因素有溫度、壓力、流速、O2體積分數、SO2體積分數、NAHCO3質量分數和NaCl質量分數7個煙道氣腐蝕影響因素。實驗結果見表2。

表2 煙道氣對N80鋼腐蝕實驗數據Table 2 The experiment results of N80 corrosion rate

從表2可以看出，N80鋼在高溫高壓煙道氣下的腐蝕速率隨溫度的升高而增大，在溫度為60 ℃時，腐蝕速率達到最大，之后隨著溫度升高，腐蝕速率開始降低；隨著壓力的升高，腐蝕速率呈線性增加；隨著介質流速和φ(O2)體積分數的增加，腐蝕速率加快；流速每增大1 m/s，腐蝕速率增加20%左右，隨著φ(SO2)的增加，腐蝕速率呈現先下降后升高的趨勢。鹽粒子的微量存在會極大地促進腐蝕，必須進行煙道氣干燥處理。

2 腐蝕影響因素敏感性分析

根據表2可以大體看出各因素發生變化時，腐蝕速率均發生一定變化，但是各因素變量的單位和變化幅度不同，因而各因素對其腐蝕速率的影響程度，該因素和腐蝕速率之間的關系是否密切，需要進行分析。灰色關聯分析提供了一種結果的影響因素分析方法，通過灰色關聯度，可以求得煙道氣腐蝕的各影響因素與腐蝕速率間的關聯度，以判斷兩者的相關程度。

2.1 灰色關聯分析原理

灰色關聯分析，是一種從思想方法劃分屬于幾何處理的分支，實質是各因素的變化特征數據系列的集合比較。關聯度用來表示各因素之間的關聯程度，可以由比較各因素間的關聯曲線求得[12]。

2.1.1 灰色關聯因子空間

選取的腐蝕速率作為因變量，設實驗進行的組數為m，則因變量可以表示為：

(x01,x02,x03，…，x0m)T。

(2)

選取影響煙道氣腐蝕速率的影響因素為自變量：溫度、壓力、流速以及φ(O2)、φ(SO2)、φ(SO3)、w(NaHCO3)、w(Na2CO3)和w(Nacl)。假設有n個自變量，進行了m次實驗，則可以表示為：

x11,x21,x31,…,xn1,x12,x22,x32,…,xn2,x13,x23,x33,…,xn3,
?
x1m,x2m,x3m,…,xnm。

(3)

因素i的數據系列可以表示為：

xi=(xi1,xi2,xi3,…,xim)T，i=1,2,3,…,n。

(4)

由于腐蝕速率和影響速率的量綱不同，所以要對數據無量綱化，數據的無量綱化方法有初值化、均值化、極值化。無量綱化得到的新的數據系列記為yi(k)，k=1,2,3,…，m。

(1)初值化

(5)

(2)均值化

(6)

其中

(7)

(3)極值化

(8)

2.1.2 灰色關聯度

設因變量數據系列：

x0=(x01,x02,x03,…,x0m)T。

(9)

自變量數據系列：

xi=(xi1,xi2,xi3,…,xim)Ti=1,2,3,…,n。

(10)

則因素序列xi對于因變量x0在實驗次數k的關聯系數：

(11)

則因素序列xi對于因變量x0的關聯度：

(12)

這種關聯度的求法也稱為鄧氏關聯度。式中ρ為分辨率系數，其范圍ρ∈[0,1]，這里可以取0.5。

關聯度的一般計算步驟：

(1)初始數據的處理，無量綱化和負相關關系的轉化；

(2)求差數列：

Δ0,i(k)=|x0(k)-xi(k)|,k=1,2,…,m；

(13)

(3)計算兩極最大差M和最小差m：

(14)

(4)求關聯系數

(15)

(5)計算關聯度

(16)

2.2 灰色關聯分析結果

利用表2給出的實驗數據，根據關聯度的分析方法，對煙道氣腐蝕的7種影響因素進行灰色關聯分析，可以求得7種不同影響因素與腐蝕速率的關聯度，通過對關聯度排序，可以得到各種影響因素與腐蝕速率的相關度大小關系，結果見表3。

表3 煙道氣對N80鋼腐蝕影響因素關聯度排序Table 3 The relational degree of flue gas corrosion influences

從表3可以看出，在影響煙道氣腐蝕的7種影響因素中，關聯度都較大，說明這幾種影響因素都對腐蝕速率有很明顯的影響關系。影響由大到小的排序為溫度T、φ(O2)、壓力P、φ(SO2)、w(NaCl)、流速V和w(NaHCO3)。溫度上升使得腐蝕過程的陽極與陰極反應速度均增加，并且溫度變化會改變其他影響因素的作用快慢，因此溫度對腐蝕速率關聯度最大；煙道氣腐蝕以氧去極化反應為主，因此φ(O2)和壓力對腐蝕速率影響較大；煙道氣中φ(SO2)、w(NaCl)和w(NaHCO3)較小，在很小范圍內變化，對腐蝕影響不太明顯；流速變化在一定范圍內變化時，主要是通過改變接觸面φ(O2)來間接影響腐蝕的，因此關聯度較小。

溫度、φ(O2)和壓力對腐蝕速率關聯度都超過了0.9，因此在煙道氣驅油過程中尤其要注意控制這三個值的大小。

3 結論

在模擬高溫高壓煙道氣腐蝕條件下，N80鋼腐蝕速率隨溫度的升高而增大，在溫度為60 ℃時，腐蝕速率達到最大。之后隨溫度升高，腐蝕速率降低；壓力升高，腐蝕速率呈線性增加；隨著介質流速和φ(O2)的增加，腐蝕速率增長；隨著φ(SO2)的增加，腐蝕速率呈現先下降后升高的趨勢。

流速每增加1 m/s，腐蝕速率增加20%左右，隨著SO2體積分數的增加，腐蝕速率呈現先下降后升高的趨勢。鹽粒子的微量存在會極大促進腐蝕，必須進行煙道氣干燥處理。

采用灰色關聯分析方法對煙道氣腐蝕影響因素進行敏感性分析，得到各因素對腐蝕速率的影響由大到小的排序為溫度、φ(O2)、壓力、φ(SO2)、w(NaCl)、流速和w(NaHCO3)。