呂 童，曾 莉，胡道麟

(武漢工程大學(xué)a.機(jī)電工程學(xué)院，b.光能數(shù)理學(xué)院，湖北 武漢 430205)

0 前 言

集輸管線(xiàn)的多相流沖刷腐蝕在油氣田生產(chǎn)中普遍存在。隨著我國(guó)油氣開(kāi)采相繼進(jìn)入到中后期階段，輸送管道內(nèi)采出液含水率升高，Cl－含量上升，CO2、H2S等腐蝕性氣體分壓增大，固體顆粒含量增加，集輸管線(xiàn)服役的環(huán)境越來(lái)越苛刻，管道內(nèi)部極易受到?jīng)_刷腐蝕破壞，從而導(dǎo)致管線(xiàn)壁面減薄，引發(fā)穿孔而泄漏，不僅給油氣工業(yè)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)損失，而且給油氣田生產(chǎn)埋下安全隱患[1，2]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)工業(yè)中由沖刷腐蝕造成的經(jīng)濟(jì)損失也尤為嚴(yán)重，占總腐蝕造成的經(jīng)濟(jì)損失的9%[3]。

油氣集輸管線(xiàn)在CO2環(huán)境中的高壓沖刷腐蝕一直是國(guó)內(nèi)外腐蝕科學(xué)界關(guān)注的重點(diǎn)和難點(diǎn)。集輸管線(xiàn)內(nèi)的高壓環(huán)境易引起管道承受應(yīng)力，引發(fā)應(yīng)力集中而斷裂[4]。另外，CO2分壓不僅影響腐蝕過(guò)程中物種的傳質(zhì)過(guò)程、界面陽(yáng)極與陰極反應(yīng)，還會(huì)影響腐蝕產(chǎn)物膜結(jié)構(gòu)特征與性質(zhì)，從而對(duì)流動(dòng)過(guò)程中腐蝕電化學(xué)行為以及腐蝕產(chǎn)物膜的保護(hù)性產(chǎn)生影響[5－7]。因此弄清楚CO2環(huán)境中管線(xiàn)鋼高壓沖刷腐蝕研究方法，揭示高壓沖刷腐蝕機(jī)理及影響因素對(duì)高壓沖刷腐蝕的作用規(guī)律，對(duì)油氣田安全生產(chǎn)具有重要的指導(dǎo)意義。

1 高壓沖刷腐蝕研究方法

目前研究高壓沖刷腐蝕的方法主要有3 種，高壓噴射沖擊系統(tǒng)、高壓轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)和高壓管流式環(huán)路測(cè)試系統(tǒng)[8－10]。這3 種方法都是通過(guò)在流動(dòng)介質(zhì)與管線(xiàn)鋼表面產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)模擬實(shí)際油氣集輸管線(xiàn)在CO2環(huán)境中的高壓沖刷腐蝕工況，但采用的研究方法不同，所獲取的沖刷腐蝕試驗(yàn)數(shù)據(jù)也有較大差異。

1.1 高壓噴射沖擊系統(tǒng)

高壓噴射沖擊系統(tǒng)主要由測(cè)試試驗(yàn)區(qū)、噴射裝置、固體顆粒分離裝置、儲(chǔ)液罐和循環(huán)泵構(gòu)成，如圖1 所示。由于噴射沖擊系統(tǒng)需在給定壓力的密閉系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)固體顆粒持續(xù)不斷沖擊試樣表面，因此噴射沖擊系統(tǒng)需用耐壓且耐腐蝕的316L 不銹鋼材料。固液兩相流體從噴射裝置以特定的角度沖擊試樣表面后，固體顆粒便通過(guò)固體顆粒分離裝置與液體介質(zhì)分離，僅液體介質(zhì)由循環(huán)泵驅(qū)動(dòng)而在環(huán)路中流動(dòng)。該方法可降低固體顆粒對(duì)循環(huán)泵及管路的磨損，延長(zhǎng)高壓噴射沖擊系統(tǒng)的使用壽命。由于噴射裝置管徑較細(xì)，固液流體沖擊試樣表面的速度很高。試樣相對(duì)于噴射裝置的角度可根據(jù)實(shí)際需求調(diào)整，因而可研究固液流體以不同角度沖擊管線(xiàn)及過(guò)流設(shè)備的沖刷腐蝕情況。另外，在沖刷腐蝕試驗(yàn)過(guò)程中，試樣被夾具固定而位置不發(fā)生改變，因此電化學(xué)測(cè)試易實(shí)現(xiàn)，結(jié)果易重現(xiàn)。雖然高壓噴射沖擊系統(tǒng)能模擬復(fù)雜情形下的沖刷腐蝕，但是該方法下試樣表面物種的傳質(zhì)過(guò)程及流體動(dòng)力學(xué)特征與油氣田實(shí)際工況下的沖刷腐蝕情況還存在差異，且較高壓力下沖刷腐蝕模擬較難實(shí)現(xiàn)。

圖1 噴射沖擊裝置及測(cè)試試驗(yàn)區(qū)示意[8]Fig.1 Schematic of the jet impingement rig and test section[8]

1.2 高壓轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)

高壓轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)安裝于高壓釜內(nèi)，由外圓筒和轉(zhuǎn)子構(gòu)成，兩者同心，均由聚四氟乙烯材料加工制造，如圖2 所示。

圖2 動(dòng)態(tài)高壓H2S/CO2環(huán)境下原位電化學(xué)測(cè)量試驗(yàn)裝置示意[9]Fig.2 The schematic diagram of experimental apparatus for in situ electrochemical measurements under dynamic high pressure H2S/CO2 environment[9]

圓弧片碳鋼試樣安裝并固定在外圓筒內(nèi)表面的卡槽中，沖刷腐蝕過(guò)程中外圓筒位置固定不變；中間的轉(zhuǎn)子與高壓釜內(nèi)的旋轉(zhuǎn)軸連接，沖刷腐蝕過(guò)程中轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)試樣與轉(zhuǎn)子之間介質(zhì)的流動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)流動(dòng)介質(zhì)與試樣材料表面的相對(duì)運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生沖刷腐蝕。通過(guò)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速以及外圓筒與轉(zhuǎn)子之間的間隙可實(shí)現(xiàn)流體流經(jīng)試樣表面時(shí)不同流速和剪切應(yīng)力條件下的沖刷腐蝕研究。高壓轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)條件下的原位電化學(xué)測(cè)量，由于介質(zhì)流動(dòng)而試樣位置保持不變，因而電化學(xué)測(cè)試過(guò)程中電化學(xué)噪聲干擾小，獲得的電化學(xué)測(cè)試數(shù)據(jù)真實(shí)可靠。沖刷腐蝕試驗(yàn)在高壓釜內(nèi)進(jìn)行，可實(shí)現(xiàn)較高壓力下的沖刷腐蝕研究。高壓轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)裝置簡(jiǎn)單易操作，高壓釜內(nèi)筒由于體積小因而沖刷腐蝕試驗(yàn)所需溶液較少。沖刷流動(dòng)僅靠外圓筒和轉(zhuǎn)子之間較小縫隙實(shí)現(xiàn)，轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)該部分介質(zhì)旋轉(zhuǎn)流動(dòng)，與油氣田集輸管線(xiàn)的實(shí)際沖刷腐蝕工況差別很大。固體顆粒因重力作用而沉積在轉(zhuǎn)子底部，沖刷腐蝕過(guò)程中并沒(méi)有真實(shí)發(fā)揮沖擊材料表面的作用，因而高壓轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)并不能精確地反映集輸管線(xiàn)內(nèi)的物種傳質(zhì)過(guò)程和流體動(dòng)力學(xué)特征。

1.3 高壓管流式環(huán)路測(cè)試系統(tǒng)

高壓管流式環(huán)路測(cè)試系統(tǒng)可分為高壓固液和高壓氣液管式流環(huán)路。高壓固液管式流環(huán)路由高壓循環(huán)泵、儲(chǔ)液罐、測(cè)試區(qū)域、管路、壓力表、流量計(jì)及溫控系統(tǒng)構(gòu)成，如圖3 所示。

圖3 沖刷腐蝕環(huán)路示意[10]Fig.3 Schematic of erosion-corrosion loop[10]

由于環(huán)路內(nèi)需承受壓力，管路材質(zhì)選用耐壓和耐腐蝕的316L 不銹鋼材料，泵需采用耐壓和耐固體顆粒磨損材質(zhì)的循環(huán)泵。電化學(xué)測(cè)試需考慮三電極的安裝、拆卸以及密封，還需屏蔽金屬管路及循環(huán)泵對(duì)流體流動(dòng)過(guò)程中原位電化學(xué)測(cè)試的干擾。試樣表面與管路內(nèi)表面一致，攜帶固體顆粒的流體沖刷試樣表面從而實(shí)現(xiàn)沖刷腐蝕。高壓管式流環(huán)路測(cè)試系統(tǒng)能準(zhǔn)確控制流體動(dòng)力學(xué)參數(shù)條件，能較準(zhǔn)確模擬油氣田集輸管線(xiàn)沖刷腐蝕實(shí)際工況，獲得的試驗(yàn)結(jié)果對(duì)于油氣工業(yè)有較大的參考價(jià)值。然而，高壓管流式環(huán)路測(cè)試系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)一定壓力下的沖刷腐蝕研究，但裝置承受的壓力和溫度不能過(guò)高。另外，管式流環(huán)路測(cè)試裝置占地空間較大，設(shè)備投資費(fèi)用較高，所需測(cè)試溶液量較大，試驗(yàn)操作耗時(shí)耗力。一旦環(huán)路裝置的管件、閥門(mén)或密封性部件發(fā)生泄漏，則將導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果錯(cuò)誤。

高壓氣液管式流環(huán)路由高壓釜、管路、氣體循環(huán)裝置、測(cè)試區(qū)域、流量計(jì)、壓力表、濕度計(jì)及溫控系統(tǒng)構(gòu)成。高壓釜和管道材質(zhì)均選用316L 不銹鋼，高壓釜內(nèi)的溶液在一定溫度和壓力下轉(zhuǎn)變?yōu)楦邏核?，?jīng)氣體循環(huán)裝置驅(qū)動(dòng)而在管道內(nèi)循環(huán)，實(shí)現(xiàn)氣液沖刷腐蝕。高壓氣液管式流環(huán)路能真實(shí)還原油氣集輸管線(xiàn)流動(dòng)狀態(tài)，但能承受的壓力和溫度同樣不能過(guò)高。另外，由于黏附在試樣表面的水膜具有不連續(xù)性，高壓氣液管式流環(huán)路的沖刷腐蝕測(cè)試結(jié)果重現(xiàn)性較差。

2 CO2環(huán)境中管線(xiàn)鋼的高壓沖刷腐蝕機(jī)理

2.1 沖刷腐蝕

高壓下的沖刷腐蝕同常壓下的沖刷腐蝕過(guò)程類(lèi)似，是管線(xiàn)鋼材料受腐蝕和沖刷的交互作用引起的失效破壞[11，12]。沖刷腐蝕可分為沖刷磨損和電化學(xué)腐蝕部分。沖刷和腐蝕之間存在協(xié)同作用，沖刷可促進(jìn)腐蝕，腐蝕也能促進(jìn)沖刷[13，14]，具體可將沖刷腐蝕速率分成4 個(gè)分量[15，16]:

其中，Vt為總沖刷腐蝕速率，Vc′為電化學(xué)腐蝕速率，Ve′為總沖刷速率，Vc為純腐蝕速率，Ve為純沖刷速率，ΔVc為沖刷促進(jìn)腐蝕速率，ΔVe為腐蝕促進(jìn)沖刷速率。

2.2 電化學(xué)腐蝕

管線(xiàn)鋼在飽和CO2環(huán)境中的陰極反應(yīng)包括以下反應(yīng)[6，17，18]:

氫離子得電子還原是二氧化碳腐蝕的關(guān)鍵反應(yīng)過(guò)程，該反應(yīng)受從本體溶液通過(guò)傳質(zhì)邊界層和腐蝕產(chǎn)物膜層傳輸?shù)戒摫砻娴乃俣认拗啤O2分壓增加，則H＋釋放速率增加，從而使得H＋的還原速率更高，導(dǎo)致更高的腐蝕速率[19]。在低CO2分壓和低pH 值時(shí)，反應(yīng)(5)為主導(dǎo)反應(yīng)，而在高CO2分壓和高pH 值時(shí)，H2CO3和HCO3－的還原占主導(dǎo)[17]。CO2分壓增加，H2CO3和HCO3－濃度增加，H2CO3和HCO3－的還原過(guò)程加速[20，21]。

管線(xiàn)鋼在飽和CO2環(huán)境中的陽(yáng)極反應(yīng)包括以下反應(yīng)[6，22]:

在CO2水溶液中，當(dāng)Fe2＋和CO32－的濃度乘積超過(guò)碳酸亞鐵的溶度積時(shí)，在管線(xiàn)鋼表面就會(huì)形成固體碳酸亞鐵沉淀，如反應(yīng)(9)所示[23]:

碳酸亞鐵在鋼表面沉淀形成致密的腐蝕產(chǎn)物膜(圖4)后，作為一道保護(hù)屏障阻礙腐蝕過(guò)程的反應(yīng)物種向內(nèi)擴(kuò)散，同時(shí)覆蓋鋼材料表面的新鮮基體，防止其進(jìn)一步溶解，進(jìn)而減緩鋼材料的腐蝕。當(dāng)管線(xiàn)鋼表面的碳酸亞鐵膜還未形成時(shí)，增加CO2分壓則腐蝕速率迅速增加[5，24]。然而，當(dāng)碳酸亞鐵形成后，增加CO2分壓會(huì)促進(jìn)CO32－濃度增加，根據(jù)反應(yīng)(9)，CO32－易過(guò)飽和而加速碳酸亞鐵膜的形成[25]。

圖4 不同條件下鋼樣品表面形成碳酸亞鐵膜的橫截面的SEM 圖像 [25]Fig.4 SEM image of a cross section of a steel specimen including an iron carbonate film exposed under different conditions[25]

沖刷腐蝕條件下，流體通常以湍流的形態(tài)流經(jīng)管道，湍流旋渦可穿透邊界層而接近鋼表面，再加之流體中攜帶的固體顆粒的劇烈擾動(dòng)作用，反應(yīng)物種的擴(kuò)散傳質(zhì)過(guò)程加快，加速陰極反應(yīng)過(guò)程，從而增大腐蝕速率。同時(shí)，由于流體和沙子的擾動(dòng)作用，溶解的Fe2＋離開(kāi)鋼表面的速度加快，導(dǎo)致鋼表面的Fe2＋濃度降低，因而離子過(guò)飽和較慢，從而降低碳酸亞鐵膜的沉積速率，因此，碳酸亞鐵保護(hù)性腐蝕產(chǎn)物膜較難形成[26]。一旦碳酸亞鐵膜在金屬表面形成，持續(xù)不斷的流體剪切作用及沙粒的沖擊作用導(dǎo)致碳酸亞鐵膜遭到破壞，甚至從鋼表面脫落，而使金屬基體裸露在腐蝕性流體中，加快管線(xiàn)鋼的腐蝕[27]。

2.3 機(jī)械磨損

壓力對(duì)機(jī)械磨損的影響較為復(fù)雜。Li 等[27]的研究表明，CO2分壓低于2 MPa 或者高于4 MPa 時(shí)，沖刷作用與腐蝕作用的變化趨勢(shì)一致，隨著壓力的增大，腐蝕速率增加，沖刷速率也增加。當(dāng)CO2分壓在2 ～4 MPa 之間時(shí)，隨著壓力的增大，腐蝕速率增加，沖刷速率反而降低。這是因?yàn)殡S著壓力增大，腐蝕產(chǎn)物膜越疏松，流體中攜帶的固體顆粒極易嵌入腐蝕產(chǎn)物膜中，從而可提高材料的耐沖刷磨損性能。另外，CO2分壓增加，流動(dòng)介質(zhì)的黏度增加，流體的湍動(dòng)程度降低，沙粒沖擊材料壁面的阻力增加，材料受到的沖刷磨損破壞降低[28，29]。

3 影響因素

國(guó)內(nèi)外腐蝕科學(xué)工作者對(duì)高壓沖刷腐蝕影響因素從不同角度進(jìn)行了研究，通常從流體動(dòng)力學(xué)因素和環(huán)境因素出發(fā)研究高壓沖刷腐蝕。各因素之間相互作用，影響較復(fù)雜，因此需要綜合考慮確定主導(dǎo)影響因素。

3.1 流體動(dòng)力學(xué)因素

3.1.1 流 速

流速增加則腐蝕反應(yīng)物種傳質(zhì)速率增加。一方面，流速增加，陰極主導(dǎo)反應(yīng)的反應(yīng)物種H＋向鋼表面?zhèn)髻|(zhì)速率增加，從而導(dǎo)致材料表面較高的H＋濃度，增強(qiáng)陰極去極化，腐蝕速率增加[25]。較低的pH 值(3 ～5)和較低的CO2分壓(≤0.1 MPa)下，H＋的濃度相對(duì)較高，因而腐蝕速率較高。另外，由于CO2水合形成H2CO3和HCO3－的過(guò)程較緩慢，因而H2CO3和HCO3－濃度對(duì)流速的變化并不敏感[30]。這一現(xiàn)象在CO2分壓＞0.5 MPa 尤為明顯[26]。另一方面，隨流速增加，碳鋼材料溶解生成的Fe2＋從表面到本體溶液的傳質(zhì)速率增加，導(dǎo)致保護(hù)性碳酸亞鐵膜難以形成。除此之外，由于流動(dòng)介質(zhì)偏酸性，保護(hù)性碳酸亞鐵膜也會(huì)緩慢溶解，如圖5 所示，碳鋼表面部分碳酸亞鐵膜化學(xué)溶解，導(dǎo)致該部位保護(hù)性碳酸亞鐵膜遭到局部破壞。隨流速增加，溶解形成的Fe2＋從表面到本體溶液的傳質(zhì)速率增加，促進(jìn)腐蝕產(chǎn)物膜的溶解，最終導(dǎo)致材料表面形成的腐蝕產(chǎn)物膜完全溶解[26]。再者，隨著流速增加，鋼表面受到的剪切應(yīng)力增加，當(dāng)剪切應(yīng)力超過(guò)腐蝕產(chǎn)物膜在基體上的黏附強(qiáng)度，則會(huì)導(dǎo)致膜從材料表面脫落[31，32]。Zhang 等[12]的研究結(jié)果也表明，在高壓CO2環(huán)境中，動(dòng)態(tài)較靜態(tài)條件下腐蝕產(chǎn)物較難形成。即使形成，腐蝕產(chǎn)物也不如靜態(tài)條件下形成的腐蝕產(chǎn)物致密。Tan等[33]認(rèn)為高速引起的單個(gè)高壁面剪應(yīng)力不足以破壞疏松的多孔腐蝕產(chǎn)物膜，而流體流經(jīng)壁面缺陷導(dǎo)致空化和氣泡破碎，可使下游致密腐蝕產(chǎn)物膜(FeCO3)遭到損壞。

圖5 保護(hù)性FeCO3層局部損壞的SEM 圖像[26]Fig.5 SEM image of localized damage of a protective FeCO3 layer [26]

3.1.2 固體顆粒

流體中固體顆粒的存在對(duì)高壓沖刷腐蝕影響較為復(fù)雜。固體顆粒的沖擊破壞無(wú)沙子時(shí)形成的疏松腐蝕產(chǎn)物膜，打破原有的腐蝕原電池。由于新鮮基體裸露在腐蝕性流體中，溶液中Fe2＋的濃度增加，反過(guò)來(lái)加速碳酸亞鐵腐蝕產(chǎn)物膜的形成。因此，固體顆粒的加入促進(jìn)均勻致密的腐蝕產(chǎn)物膜形成，從而使腐蝕速率降低至較低水平[34]。Liu 等[35]認(rèn)為流體中加入粉砂促進(jìn)碳酸亞鐵腐蝕產(chǎn)物的快速成核，同時(shí)減緩碳酸亞鐵晶粒生長(zhǎng)。另外，粉砂與外層腐蝕產(chǎn)物混合形成致密膜層，如圖6 所示，抑制陰陽(yáng)極腐蝕物種的傳質(zhì)，從而降低腐蝕速率。而Guo 等[16]的研究表明，當(dāng)固體顆粒加入流體中，腐蝕速率增加。立即停止固體顆粒加入，則腐蝕速率降低至低水平。通常從固體顆粒速度和尺寸方面研究固體顆粒對(duì)高壓沖刷腐蝕的影響。

圖6 X70 碳鋼表面粉砂與腐蝕產(chǎn)物膜混合的演化機(jī)理示意[35]Fig.6 Schematic of evolution mechanism of corrosion scale of X70 steel with silty sand[35]

(1)固體顆粒速度 Obot[36]認(rèn)為在較低流速下，固體顆粒速度也較低，固體顆粒由于重力作用沉積在管道底部，易引起沉積物下的腐蝕。流速較大時(shí)，則流體中攜帶的固體顆粒劇烈沖擊材料表面的腐蝕產(chǎn)物膜，腐蝕產(chǎn)物膜從材料表面脫落，新鮮基體暴露在腐蝕性流體中，導(dǎo)致沖刷腐蝕增加。而流速適中時(shí)，流體湍動(dòng)程度較低，沙粒的沖擊不足以引起沖刷腐蝕破壞[37]。Tang 等[38]的研究表明，固體顆粒速度增加，固體顆粒以較高的動(dòng)能沖擊材料表面，對(duì)腐蝕產(chǎn)物膜的法向沖擊力和切向沖擊力增加，沖刷速率增加。

(2)固體顆粒尺寸 盡管相同流體流速下，較大固體顆粒的密度低于較小固體顆粒的密度，沖擊材料表面的顆粒數(shù)量減少，但由于較大固體顆粒情況下施加在腐蝕產(chǎn)物膜及基體上的剪切力和法向沖擊力增大，因而對(duì)腐蝕產(chǎn)物膜和基體的破壞更嚴(yán)重，沖刷速率和腐蝕速率較高[39，40]。另外，沙粒的尺寸影響保護(hù)性腐蝕產(chǎn)物膜被破壞的臨界速度大小。較大顆粒尺寸下，保護(hù)性腐蝕產(chǎn)物膜在較低的臨界速度以下形成，超過(guò)該臨界速度則完整腐蝕產(chǎn)物膜無(wú)法形成。而較小顆粒尺寸下，保護(hù)性腐蝕產(chǎn)物膜可在更寬的速度范圍內(nèi)保持完整，而不會(huì)有被沖刷腐蝕破壞的風(fēng)險(xiǎn)[37]。Shadley等[10]的研究也表明，彎管的沖刷在高的臨界流速以及大顆粒尺寸下較嚴(yán)重，而低于臨界流速，機(jī)械沖刷以及沖刷腐蝕破壞均極低。另外，固體顆粒尺寸對(duì)機(jī)械沖刷也有影響，較小的顆粒尺寸更易嵌入疏松的腐蝕產(chǎn)物膜中，從而提高腐蝕產(chǎn)物膜的耐沖刷磨損性能[41]。

3.2 環(huán)境因素

3.2.1 溫 度

溫度較低時(shí)，碳酸亞鐵的溶度積常數(shù)較低，鋼表面溶解的Fe2＋濃度較高，其與CO32－的濃度乘積極易大于溶度積常數(shù)而過(guò)飽和，碳酸亞鐵膜可迅速形成[42]。溫度升高加快碳酸亞鐵沉淀和保護(hù)性腐蝕產(chǎn)物膜形成的動(dòng)力學(xué)過(guò)程，從而降低腐蝕速率[43，44]。另外，溫度升高促進(jìn)電化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)和反應(yīng)物的擴(kuò)散傳質(zhì)，腐蝕速率加快[20]。Ne?ic'等[25]認(rèn)為高壓流動(dòng)狀態(tài)下，鋼材料表面成膜之前，腐蝕速率隨溫度而增加。在50 ℃時(shí)，碳酸亞鐵成膜極其緩慢，通常形成多孔的非保護(hù)性腐蝕產(chǎn)物膜。55 ℃時(shí)，鋼表面形成具有良好保護(hù)性的碳酸亞鐵膜。而溫度在55 ～65 ℃之間，成膜的動(dòng)力學(xué)又變慢，在80 ℃時(shí)，致密且厚的碳酸亞鐵腐蝕性保護(hù)膜迅速形成。Ye 等[45]比較不同溫度下碳鋼表面腐蝕產(chǎn)物形貌，如圖7 所示，在40 ℃和50 ℃發(fā)生局部腐蝕，腐蝕類(lèi)型由均勻腐蝕轉(zhuǎn)變?yōu)榫植扛g，后又轉(zhuǎn)變?yōu)榫鶆蚋g。

圖7 N80 鋼在5 MPa、不同溫度下暴露于CO2飽和地層水168 h 后表面腐蝕產(chǎn)物宏觀形貌[45]Fig.7 Macroscopic morphologies of corrosion scales on N80 steel exposed to CO2-saturated formation water for 168 h at 5 MPa with different temperatures[45]

Francke 等[46]、Hu 等[47]的研究表明溫度影響沖刷速率的大小。溫度升高，流體黏度降低，導(dǎo)致固體顆粒以較大角度撞擊材料壁面，因而沖刷速率有所下降。

3.2.2 pH 值

首先，pH 值影響CO2腐蝕過(guò)程中的陰極主導(dǎo)反應(yīng)。pH＜4，則H＋直接還原為主導(dǎo)反應(yīng)。pH 值在4 ～6 之間則是H2CO3和HCO3－的還原為主導(dǎo)反應(yīng)[17]。隨pH 值增加，腐蝕速率增加。當(dāng)pH 值大于6，隨pH 值增加，碳酸亞鐵飽和極限降低，F(xiàn)e2＋和CO32－濃度易過(guò)飽和，則碳酸亞鐵的沉淀速率增加，對(duì)應(yīng)成膜速率增加[6]。且隨pH 值增加，腐蝕產(chǎn)物膜的致密性增加，從而增加對(duì)鋼基體的保護(hù)性[48，49]。而Hassani 等[8]的研究表明溶液pH 值從4.0 變化至4.5，碳鋼腐蝕速率降低。pH 值越高，F(xiàn)eCO3的飽和極限較低，從而更易形成沉淀[50]。Honarvar Nazari 等[51]認(rèn)為pH 值從6.0 變化至6.5，碳酸亞鐵晶粒大小未改變，但產(chǎn)物膜厚度增加。

3.2.3 CO2分壓

CO2分壓對(duì)腐蝕的影響比較復(fù)雜，可分為成膜前和成膜后2 種情況。在腐蝕產(chǎn)物膜還未形成之前，隨CO2分壓增加，H2CO3濃度增加，則陰極去極化加快，如圖8所示，則腐蝕增加[52，53]。當(dāng)材料所處的環(huán)境有利于碳酸亞鐵膜形成時(shí)，CO2分壓增加，H2CO3和HCO3－濃度增加，F(xiàn)e2＋和CO32－濃度易過(guò)飽和而形成碳酸亞鐵沉淀，從而增加成膜速率[24，54]。由于形成致密的保護(hù)性FeCO3腐蝕產(chǎn)物膜，腐蝕速率降低。

圖8 流速2.0 m/s，60 ℃，pH＝5 條件不同CO2分壓下的極化曲線(xiàn)[52]Fig.8 The effect of CO2 partial pressure on the potentiodynamic sweeps at 2.0 m/s ，60 ℃，pH＝5[52]

另外，隨著CO2分壓增加，管道內(nèi)產(chǎn)生的環(huán)向拉伸載荷增加，同時(shí)流體剪切應(yīng)力產(chǎn)生的軸向拉伸載荷也增加，兩者共同作用使得腐蝕產(chǎn)物層產(chǎn)生高應(yīng)變，導(dǎo)致脆性的腐蝕產(chǎn)物膜易從延展性較好的金屬基體脫落[55]。再者，隨CO2分壓增加，鋼材料承受的應(yīng)力作用增加，應(yīng)力集中而斷裂的風(fēng)險(xiǎn)增加[56]。

4 展 望

(1)由于建立高壓沖刷腐蝕環(huán)路的高難度性，目前高壓沖刷腐蝕研究多采用高壓釜結(jié)合噴射沖擊系統(tǒng)或旋轉(zhuǎn)圓盤(pán)實(shí)現(xiàn)，不能真實(shí)反映高壓油氣集輸管道的沖刷腐蝕工況。因此，未來(lái)試驗(yàn)裝置需向高壓沖刷腐蝕環(huán)路發(fā)展。

(2)目前關(guān)于高壓流動(dòng)下的腐蝕研究，偏重于各因素對(duì)腐蝕的影響，而各因素對(duì)沖刷以及沖刷腐蝕速率的影響研究還尚欠缺，將沖刷腐蝕速率分為4 個(gè)分量，研究沖刷與腐蝕之間的交互作用未曾報(bào)道。要從本質(zhì)上弄清楚高壓沖刷腐蝕機(jī)理，關(guān)于高壓沖刷腐蝕的研究需側(cè)重該方面的研究。

(3)對(duì)于油氣集輸管道的薄弱環(huán)節(jié)(如彎管、T 型管以及變徑管)，其高壓沖刷腐蝕機(jī)理以及對(duì)應(yīng)的高壓沖刷腐蝕預(yù)測(cè)模型是一項(xiàng)需要攻克的挑戰(zhàn)。