预测石油和天然气管道的内部点蚀：浅探腐蚀科学模型

1、预测石油和天然气管道的内部点蚀：浅探腐蚀科学模型Predicting Internal Pitting Corrosion of Oil and Gas Pipelines: Review of Corrosion Science Models起止页码：1-12页出版日期（期刊号）：CORROSION 2005 Paper No.05643出版单位： Natural Resources Canada摘要石油和天然气管道在生产中的劣化一显著因素是内部点蚀腐蚀。腐蚀科学家通常假定影响点蚀的参数，实验室进行实验以了解与腐蚀速率有关参数的范围和影响，对此进行理论解释（基于腐蚀动力学和/或热力学），最后

2、结合这些参数的影响，开发 出预测模型。本文回顾了腐蚀科学预测模型的优点和缺点。简介在石油和天然气工业中很大程度上依赖于大量使用碳钢和低合金钢。这些钢引起的CO 2和H2 S的腐蚀一直保留了下来。为了关注重要的具有完整性的管道。局部腐 蚀（即分离的点蚀）保持着更频繁的问题。因此，有必要在设计时确定由于内部点蚀 的风险生产设备和交通设施。一个真正的工业标准方法来评估的内部腐蚀是不存在的风险的。 这里有一少量的 参考在美国汽油全国协会的出版物，其中有石油学会和加拿大协会，没有专业组织或 机构提供一个标准的指引。现场操作人员需要能够在项目开发的各个阶段使用，并应用于预测和后续操作的工具。这样的工具应该

3、回答以下六个问题：.内部腐蚀是否造成显著的风险？.如果发生，在操作过程中，什么时候发生故障？.在管道的什么地方发生故障的？.故障的原因是什么？.为了正确预测的故障，哪些工作参数需要进行监测？.如何能预测故障，并在用户之间利用友好的方法？已开发出解决这些问题的方法大致可分为腐蚀科学，电化学，和腐蚀工程方法。 本文将对腐蚀科学模型优点和缺点进行了审查。 该电化学和防腐工程科学模型将在其 他部分中对其进行描述。腐蚀科学模型1用腐蚀科学方法来预测石油和天然气管道的内部腐蚀发展模式，典型地特征在于以下：对影响腐蚀的因素进行了预测。实验室进行了实验以了解这些影响的程度参数对腐蚀速率的影响。理论解释（基于腐

4、蚀动力学和/或热力学）的开发。各种参数的影响集成。十二种腐蚀科学模型在下面讨论。DE WAARD-MILLIAMS 模型由彳惠Waard和Milliams开发的模型是最经常被引用的模型来测量内部点蚀。该 模型的第一个版本发表于1975年，它自已有三次修订。1975年版本（影响温度和 CO2分压）腐蚀电流（IC）和pH值之间的关系如下所示：logic =-A.ph + B（1）探讨A的（这由碳酸代表腐蚀）的值，腐蚀率决定于在 0.1%氯化钠的溶液中光 滑的X-52碳钢中的圆柱形试样，用 CO2和无氧的饱和的N 2。使用线性腐蚀速率监 测偏振技术。还进行在高压釜中七天和质量损失实验进行了测定。斜坡

5、A的等式。从一些记录来测量腐蚀速率与 CO2的压力为-1.3相反。一些电极，特别是在温度高于 60C,成为覆盖有黑色层，而腐蚀速率下降到一 个较低的值。在停滞的环境中，观察到这种效果甚至在40Co考虑到2的溶解度和离解常数的变化CO2。pH为测定温度为PCO2 =1巴的函数（修正为水蒸汽压力）。使用下式求出的pH和温度之间的线性关系：pH（PCO2 =1） =4.17 X31T03.1 7（2）在恒定pH水平，温度对腐蚀速率的影响可以描述为 10.7kcal/mole活化能。基于 这些简单的实验，得出的结论是碳素钢作为 CO 2的分压和温度的函数腐蚀的速率可 以预测，只要该钝化不会发生，并且列

6、线图被开发了。无论是Waard-Milliams方程还 是相应的列线图已经获得了广泛的认可。1991年版（总压力，规模和影响督）腐蚀速率列线图，Vnomo是进一步简化为：1710-、logVnomo =5.8 +0. 67logOp）C（3）其中，T是温度，K是常数，并4 PCO2是CO2的分压。列线图使用直线，而不 是曲线温标本身进行了简化。由此产生的腐蚀率不显著从那些使用先前等式获得不 同。另外，矫正因子的影响被引入到总压力，尺度，以及碳氢化合物中来。 1993年版本（流量的影响）在早期版本的模型，在CO2的腐蚀速率中没有显著测量液体流动速度上的影响。 腐蚀反应被认为是激活控制，但所观察到

7、的腐蚀率在某些情况下为速度预测的两倍左 右。因此，一个半经验公式的开发是为了描述和测量上的内部点蚀的流速的效果腐 蚀。1995版本（钢组织的影响）在1995年，在CO2的腐蚀速率和碳化物的效果处理中应注意，该修改建议（这 将解释各种低合金钢之间的差），应该作为暂行考虑，而且它只会适用于保护膜不形 成的条件下。SRINIV ASAN 模型所述斯里尼瓦桑模型的基础上为 CO2和腐蚀之间的 Waard-Milliams关系，但在 这个模型对附加校正因子进行了介绍。这种方法的第一个步骤是计算系统pH值。所述溶解的CO2 （或H2 S）,有助于pH值被确定为一个功能的酸性气体的分压，碳酸 氢盐和温度。除

8、了 pH值的降低，Srinivasan模型考虑到了以下的三倍角色的 H2S:低级别H2s在H2s （200）的存在可导致铁硫化物 层四方硫铁矿的形成。这四方硫铁矿层，它是制作在金属表面上的Fe和S之间的反应的功能，通过这两个pH值的影响和温度。这种表面反应可以导致形成一个薄的表 面层，可以减轻腐蚀。H2s占主导的系统在的pCO2 / pH2S3PCO（27 父/=（4）此预测方程也有类似的形式 othermodels的开发经验速率方程。常数项可以被设 计来表示影响其它材料和环境因素腐蚀速率， 如钢显微组织，该溶液的流速，等等，。 该应用限制为上述等式是当腐蚀过程开始是扩散控制的，这通常发生腐蚀

9、产物规模稳定的在钢表面上形成后ANDERKO 模型这种全面的模式已经发展到计算碳钢的腐蚀速率的 CO2的存在下，H2 S和盐水洗 涤。该模型结合了热力学模型（即提供现实水性体系的形态）与电化学模式（具测量 局部阴极和在金属表面上的阳极过程）。由该模型考虑了局部的方法包括铁和还原氢 离子，水，碳酸和硫化氢的氧化。该模型还包括形成碳酸铁和硫化铁鳞和他们的作用，对率的一般腐蚀温度和溶液 化学的函数。的准确性Anderko模型已经通过在实验室数据进行比较， 计算出腐蚀速 率验证条件，可能或可能不利于保护鳞的形成。一个好的协议所计算的和实验的腐蚀 速率之间已经获得。这款机型采用了温度，压力，溶液组成和流

10、速的影响。奥多模型由矿物鳞的沉积形成的保护膜早就已知以减少或消除腐蚀。外经办FeCO3 （或FaO4）层沉积占去 Waard和Milliams模型。在除了 FeCO3 （或F/O4）的沉积，方 解石垢沉积物也会减少或消除腐蚀。另一个刻度校正因子引入到占碳酸钙水垢的效果 整体腐蚀速率。修正系数，女方解石，被定义。引起的扼流圈，一个局部动荡收缩的 管，弯头，下降等将局部增加比例的趋势。过渡按比例的饱和度的缩放与无腐蚀，耐 腐蚀性，无影响力的区域材料没有明确的规定。DAYALAN 模型版本1 （腐蚀表面层的缺席）这个模型是一个全面的计算程序和计算机程序来预测碳钢管道腐蚀速率的CO2的含油气田的条件流

11、动的液体。计算程序是基于对CO2腐蚀机理模型和开发从基本原理出发。该模型考虑到了 CO2的腐蚀机理和电化学反应，化学平衡反应，传质动力 学。一个过程还开发了以预测在没有尺度均匀的CO2腐蚀速率。它再延伸用规模形成机理模型来衡量条件下环境保护对外合作中心3层的形成6发生。在版本1中，腐蚀过程分为以下四个步骤：步骤1: CO2在水溶液中的溶解，以形成其采取的各种反应性物质部分中的CO2腐蚀反应；步骤2:这些反应物到金属表面的运输；步骤3:在金属表面发生阴极和阳极的电化学反应；步骤4:腐蚀反应的本体溶液的产品的运输。腐蚀过程的总速率，因此，取决于所使用的速率，这些个体的各在给定的条件下 发生的步骤。

12、要使用这个模型计算出的腐蚀率，以下三个问题必须回答：.什么是散装浓度即参与腐蚀的各种物种的反应？（这需要平衡常数为所有的化学反应）；.什么是所涉及的反应物/产品运输的质量传递速率从金属表面的腐蚀反应（这需要的传质系数。）；. 什么是在金属表面上的阴极和阳极电化学反应的速率？（这需要电化学反应速 率常数。）版本2 （腐蚀表面层的存在）不考虑规模，这些过程中考虑的 Dayalan模型版2本是：化学平衡；反应物和产物的本体溶液和金属表面之间的传质；电化学组合；在此模型中的第2版的金属的整个表面可用于阳极反应和用于阴极反应。为条 件，其中有一个表面层，还需要附加的六个步骤：.测量上规模表面阴极电化学反

13、应；.确定为反应物和产物的金属表面之间的传质过程和该层表面上；.计算金属表面可用于阳极和阴极反应的区；.找出刻度的表面上的阴极反应的动力学；.确定通过规模的附加传质过程；和.计算各种物质的浓度在刻度表面除了其浓度在金属表面上。迭代方法被用于预测腐蚀速率。最初，该程序计算腐蚀率假设有在金属表面上无 水垢。金属表面的分数的值所覆盖的尺度被设定等于零和A我的值（金属表面的分数是裸）变为这一步。POTS模型这个机械模型预测的 CO2腐蚀速率和流体流动的影响。该模型（极限腐蚀速率 LCR）还提供了用于基于所述腐蚀速率的理论上限该速度决定步骤是质子和碳的运 输和生产的假设酸中的扩散和反应边界层。7与实验数

14、据对比证实，LCR壶模型提供了一个上流动的事实限制。低于 3米/秒 和不结垢条件的流速，存在与合理的协议单相流的实验数据， 并与由二氧化碳的分压 控制的pH阀。电荷转移动力学包容提供了一种方式来获得的协议在更高的流速。为 流速约为1米/秒，腐蚀速率不从去Waard-Milliams偏离太远列线图值 SSH模型该模型是一种最坏的情况的模式，主要是来自于实验室数据在低温和从实验室和现场数据的在温度100c以上的组合。USL模型在USL模型，由西南路易斯安那大学开发的，基于预测腐蚀率关于操作条件，温 度和气体凝析气井的流速。NYBORG模型尼堡综合1993年和1995年的版本去 WaardMilli

15、ams模型与常用三相流体流模型。 从得到的温度，压力和液体流动速度分布此流体流模型被用于计算沿的 CO2分压， pH值，和腐蚀速率型材管道。讨论腐蚀科学模型准确地预测由内部点蚀所带来的风险的能力可以概括为以下六个 关键问题。内部腐蚀是否造成显著的风险？几乎所有腐蚀科学模型可以回答这个问题，但结果的精度不保证。实验建立在这 列出的腐蚀科学模型的明确的规定和在控制条件下精心进行。以及对各个参数的影响的了解。许多团体都重复这些容易复制的实验。一般在与腐蚀速率相关的石油和天然 气管道的实验条件下，都容易获得。如果发生，在操作过程中，什么时候发生故障？基于在实验室中确定的一般的腐蚀速率，这个问题可以容易

16、地回答，但同样的结果的精度没有保证。这种情况的原因是：(1),实验的持续时间相对较短。通常各种型号情况下的实验只持续24小时,时间最长为7天左右的。.各种模型的预测不总是与其他的模型相同。在该管道什么地方将发生故障？腐蚀科学模型还没有发展到足以回答这个问题。故障的原因的什么？在该领域中，管道故障的主要原因之一是局部点蚀，但没有一个本报告中提到的 模型可以绝对肯定地预测出这个点蚀会发生。 上局部腐蚀的信息不能准确地预测因为 腐蚀科学模型进行开发的模型实验持续时间太短，局部腐蚀没有开始。为了正确预测的故障，哪些工作参数需要进行监测？腐蚀科学建模方法是动态的性质。随着越来越多的实验数据变得可用，该机型正 在不断升级和改良参数。但是要作出准确的预测尚未建立。如何能预测故障、并在用户之间利用友好的方法？该模型通常验证了与用于开发模型中的实验室数据。 虽然用户可友好法的计算机 程序已发展到使用模型中，但该系统