在有微生物的水中L245鋼腐蝕速率模型研究*

何 莎,鄧勇剛,李經(jīng)偉,劉芯月,趙琪月,張 蘭

(1.中國(guó)石油集團(tuán)川慶鉆探工程有限公司安全環(huán)保質(zhì)量監(jiān)督檢測(cè)研究院, 四川 德陽(yáng) 618000;2.中國(guó)石油集團(tuán)川慶鉆探工程有限公司頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)項(xiàng)目經(jīng)理部, 四川 成都 610056;3.西南石油大學(xué)石油與天然氣工程學(xué)院,四川 成都 610500)

微生物腐蝕(MIC)是一種微生物自身生命活動(dòng)或代謝產(chǎn)物直接或間接地影響金屬腐蝕破壞的現(xiàn)象[1]。硫酸鹽還原菌(SRB)被認(rèn)為是油氣田系統(tǒng)中最主要的腐蝕性厭氧微生物[2-3]。近年來(lái)，SRB在頁(yè)巖氣生產(chǎn)中的影響逐漸明顯，謝明等[4]發(fā)現(xiàn)頁(yè)巖氣站外集氣管線發(fā)生SRB腐蝕;朱麗霞等[5]發(fā)現(xiàn)頁(yè)巖氣輸送彎頭腐蝕減薄是SRB與CO2腐蝕協(xié)同作用的結(jié)果;GASPAR J等[6]認(rèn)為壓裂液、鉆井泥漿和蓄水均可能將有害微生物引入頁(yè)巖氣藏，同時(shí)氣田采出水中的各種可溶性離子也會(huì)引起管線腐蝕。在輸送過(guò)程中管線易發(fā)生結(jié)垢腐蝕，造成漏穿，導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)損失和環(huán)境污染[7-8]。

集輸管道直徑較小、彎頭較多，難以開(kāi)展在線檢測(cè)，因此內(nèi)腐蝕速率預(yù)測(cè)模型對(duì)于內(nèi)腐蝕預(yù)測(cè)的重要性不言而喻。研究表明，國(guó)內(nèi)外對(duì)單純的SRB腐蝕模型研究較多，HAILE T等[9]開(kāi)發(fā)了一種SRB機(jī)理模型，可預(yù)測(cè)SRB生長(zhǎng)引起的點(diǎn)蝕速率；FATAH M C等[10]根據(jù)SRB的代謝產(chǎn)物建立了SRB腐蝕的經(jīng)驗(yàn)方程；GU等[11]提出了一種基于生物催化陰極硫酸鹽還原(BCSR)理論的MIC點(diǎn)蝕進(jìn)展預(yù)測(cè)的機(jī)理模型，卻鮮見(jiàn)SRB與采出水中的離子對(duì)管線腐蝕協(xié)同影響的腐蝕速率模型研究。為深入研究頁(yè)巖氣集輸管線在含SRB的采出水中的腐蝕情況，設(shè)計(jì)了靜態(tài)非生物與動(dòng)態(tài)微生物腐蝕正交試驗(yàn)，找出控制腐蝕的極端條件，結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行多元非線性回歸分析，建立針對(duì)某頁(yè)巖氣田的X管道的腐蝕速率模型，以期為預(yù)測(cè)并有效控制頁(yè)巖氣田集輸管線的腐蝕提供一定的理論依據(jù)。

1 試 驗(yàn)

試片選用X管道的管材L245鋼，化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)為：C 0.130%，Si 0.260%，P 0.007%，S 0.001%，Ni 0.120%，Cr 0.030%，V 0.008%，余量為Fe。通過(guò)線切割將試樣分割為50 mm×25 mm×2 mm的尺寸，用200—1500號(hào)砂紙對(duì)試片表面逐級(jí)打磨，打磨完成后，用丙酮除油，再用無(wú)水乙醇浸泡試片，最后用去離子水清洗試片并吹干后，將試片用濾紙包好放入干燥器內(nèi)保存。試驗(yàn)前，對(duì)試片稱(chēng)質(zhì)量且精確至0.1 mg。試驗(yàn)溶液為Ca(NO3)2，NaCl，NaHCO3和Na2SO4配置的相應(yīng)濃度的模擬水，由NaOH調(diào)節(jié)溶液pH值。試驗(yàn)條件選取X管道2019—2020年工況的最小值、最大值及平均值。

首先進(jìn)行靜態(tài)環(huán)境非生物腐蝕試驗(yàn)，設(shè)計(jì)7因素3水平的18組正交試驗(yàn)，每組試驗(yàn)包含3片試樣。半浸沒(méi)的試驗(yàn)組廣口瓶中加入500 mL模擬水，全浸沒(méi)的試驗(yàn)組廣口瓶中加入1 L模擬水，均通氮?dú)?.5 h除氧，將L245鋼材試片按全浸沒(méi)、半浸沒(méi)和未浸沒(méi)的方式懸掛于廣口瓶中，封口周期為7 d。

試驗(yàn)結(jié)束后，用蒸餾水沖洗試片表面，并用濾紙吸干，用丙酮和無(wú)水乙醇除油除水后用冷風(fēng)吹干，拍攝宏觀照片，記錄試片表面腐蝕情況。表面腐蝕產(chǎn)物按照ASTM G1—2003《腐蝕試樣的制備、清潔處理和評(píng)定用標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施規(guī)范》的步驟清洗，并用質(zhì)量損失法計(jì)算腐蝕速率，見(jiàn)式(1)。

(1)

式(1)中，V為腐蝕速率，mm/a；Δm為試樣質(zhì)量損失，g；S為試樣暴露面積，cm2；t為試驗(yàn)時(shí)間，h；ρ為試樣相對(duì)密度，g/cm3。

2 結(jié)果與討論

2.1 靜態(tài)環(huán)境非生物腐蝕試驗(yàn)結(jié)果

試片的靜態(tài)非生物正交試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 正交試驗(yàn)結(jié)果

圖1 影響因素與腐蝕速率的關(guān)系

2.2 動(dòng)態(tài)環(huán)境微生物腐蝕試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)束后第二組的試片在腐蝕產(chǎn)物清洗前后對(duì)比見(jiàn)圖2，顯微鏡觀察的第二組試片點(diǎn)蝕形貌見(jiàn)圖3，動(dòng)態(tài)微生物腐蝕結(jié)果見(jiàn)表2。

圖2 第二組試片去除腐蝕產(chǎn)物前后對(duì)比

圖3 第二組試片點(diǎn)蝕形貌

由表2可知，空白組的均勻腐蝕速率最高，為0.124 4 mm/a;加入SRB后，均勻腐蝕速率下降，最低至0.015 7 mm/a;但點(diǎn)蝕率在上升，最高可達(dá)1.616 2 mm/a，屬于高度腐蝕。從圖3也可看出，第二組試片上有較明顯的點(diǎn)蝕坑。推測(cè)是因?yàn)榧尤隨RB后，附著在試片表面的生物膜和FeS保護(hù)膜相比空白組的保護(hù)膜更加致密，降低了均勻腐蝕速率[16]。

表2 動(dòng)態(tài)條件下SRB腐蝕結(jié)果

從表2還可看出，相同流速下，SRB含量越多，腐蝕越嚴(yán)重；SRB含量相同的情況下，流速為0.4 m/s時(shí)腐蝕更嚴(yán)重。這是因?yàn)樵诘土魉贄l件下，SRB在鋼片上聚集形成生物膜，進(jìn)而誘發(fā)點(diǎn)蝕；而當(dāng)液體流速增加至2 m/s，剪切應(yīng)力也隨之增大，抑制了生物膜的形成，腐蝕速率降低[17-18]。而隨著SRB含量增多，有更多的SRB附著在試片表面生長(zhǎng)代謝，造成更嚴(yán)重的點(diǎn)蝕。

3 L245鋼的腐蝕速率預(yù)測(cè)模型

3.1 腐蝕速率模型的建立

可先分別建立各因素與腐蝕速率的最優(yōu)一元非線性回歸模型，再運(yùn)用SPSS軟件進(jìn)行多元非線性回歸，從而建立各因素與腐蝕速率的多元非線性回歸模型[19-21]。

Cl-濃度L與腐蝕速率Vcorr的關(guān)系：

Vcorr=-0.112 9L2+0.024 6L+0.067

(2)

溫度T與腐蝕速率Vcorr的關(guān)系：

Vcorr=0.002 3T-0.019

(3)

Vcorr=1.668 7H+0.048

(4)

NESIC等[22]通過(guò)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析和統(tǒng)計(jì)，得出液體流速與腐蝕速率的冪函數(shù)關(guān)系，結(jié)合動(dòng)態(tài)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，得到流速v與腐蝕速率Vcorr的關(guān)系：

Vcorr=0.017v-0.138

(5)

劉偉偉[23]利用回歸分析方法，建立了SRB數(shù)量與腐蝕速率之間的冪函數(shù)關(guān)系，因此結(jié)合動(dòng)態(tài)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，得到SRB數(shù)量n與腐蝕速率Vcorr的關(guān)系：

Vcorr=0.001 7n0.355 4

(6)

根據(jù)以上公式，建立腐蝕速率的多元非線性回歸模型如下：

Vcorr=A×(-0.112 9L2+0.024 6L+0.067)+

B×(1.668 7H+0.048)+C×(0.002 3T-

0.019)+D×(0.0017n0.355 4)+E×(0.017v-0.138)+F

(7)

A，B，C，D，E，F(xiàn)為待定系數(shù)，F(xiàn)受其他因素的影響。

3.2 腐蝕速率模型驗(yàn)證

圖4 X管道沿線溫降

圖5 X管道沿線液體流速

某管道檢測(cè)公司對(duì)X管道進(jìn)行9處開(kāi)挖檢測(cè)，X管道開(kāi)挖點(diǎn)腐蝕速率與里程見(jiàn)表3。

表3 X管道開(kāi)挖檢測(cè)結(jié)果

根據(jù)前6組開(kāi)挖點(diǎn)數(shù)據(jù)，運(yùn)用SPSS軟件作多元非線性回歸分析，得到式(7)的各項(xiàng)待定系數(shù)值，X管道的腐蝕速率模型見(jiàn)式(8)所示。將公式(8)運(yùn)用到X管道預(yù)測(cè)，并用后3個(gè)開(kāi)挖點(diǎn)驗(yàn)證，結(jié)果見(jiàn)圖6。由圖6可知，誤差均小于10%，說(shuō)明該模型具有一定的適用性。

Vcorr=-1 460.812×(-0.1129L2+0.024 6L+0.067)+2 194.352×(1.668 7H+0.048)-3.405×(0.002 3T-0.019)+255.791×(0.001 7n0.355 4)-10.027×(0.017v-0.138)-47.005

(8)

圖6 預(yù)測(cè)與驗(yàn)證腐蝕速率對(duì)比

4 結(jié) 論

(2)根據(jù)動(dòng)態(tài)微生物腐蝕試驗(yàn)結(jié)果，隨著SRB數(shù)量的增加，試片的均勻腐蝕速率下降，但是點(diǎn)蝕速率上升。低流速且SRB數(shù)量較多的情況下，鋼片上可觀察到較明顯的點(diǎn)蝕坑，此條件下點(diǎn)蝕速率最大，達(dá)1.616 2 mm/a。