我國(guó)部分油田進(jìn)入開(kāi)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(guò)程中,集輸管道會(huì)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(lái)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(duì)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(guò)程更為復(fù)雜。對(duì)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(guò)試驗(yàn)設(shè)計(jì)研究了溫度、氧含量和靜水壓力對(duì)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(duì)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(duì)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(chǎng)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(cè)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(duì)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(shù)脂將試樣封裝,然后采用240號(hào)至1200號(hào)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(cè)試溶液為模擬現(xiàn)場(chǎng)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(cè)試

在電化學(xué)測(cè)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(cè)試儀器為武漢科斯特CST330電化學(xué)工作站,測(cè)試過(guò)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(duì)電極為鉑片電極。測(cè)試電位區(qū)間為-0.3~1.6 V（相對(duì)開(kāi)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(chǎng)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(jiàn)表2。先對(duì)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(cè)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(cè)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(duì)極化曲線進(jìn)行擬合,得到對(duì)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(hào)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(hào)試驗(yàn)條件下,腐蝕電流密度達(dá)到最大,為91.13 μA/cm2。對(duì)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(duì)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(jiàn)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(duì)該模型進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)評(píng)價(jià),結(jié)果見(jiàn)表4。根據(jù)方差分析結(jié)果,模型F值為20.06,對(duì)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(duì)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(hào)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(cè)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(duì)模型有顯著影響。 

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

式中：Pi為某因素對(duì)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(jiàn)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(duì)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(duì)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(duì)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(cè)值的關(guān)系圖,可以看出腐蝕電流密度的實(shí)測(cè)值與預(yù)測(cè)值基本在45°線上下,表明實(shí)測(cè)值與預(yù)測(cè)值基本吻合。 

圖  3  腐蝕電流密度實(shí)測(cè)值與優(yōu)化模型預(yù)測(cè)值對(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(huì)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(duì)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(duì)腐蝕電流密度的影響。由圖5可以看出,SRB和溫度對(duì)腐蝕電流密度影響同樣存在耦合作用。對(duì)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(lái)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(guò)調(diào)整新陳代謝以及自我保護(hù)等適應(yīng)生長(zhǎng)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(duì)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(duì)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(cè)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(duì)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%）。

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