油田集输管道多相流冲刷腐蚀机理与影响因素研究进展_朱红波.pdf

第49卷第3期专题综述DOI：10.3969/j.issn.1001-2206.2023.03.001油田集输管道多相流冲刷腐蚀机理与影响因素研究进展朱红波1，2，王伟1，孙立强3，周永新11.克拉玛依职业技术学院，新疆克拉玛依 8340002.中国石油大学（北京）克拉玛依校区，新疆克拉玛依 8340003.河北石油职业技术大学，河北承德 067000摘要：冲刷腐蚀是油田集输管道壁厚减薄失效的主要形式之一，多相流冲刷腐蚀日益成为影响油田集输安全的重要因素。首先，针对多相流作用下油田集输管道的冲刷腐蚀问题，介绍了冲刷腐蚀机理、冲刷腐蚀理论模型以及冲刷与腐蚀的相互协同效应；其次，结合国内外冲刷腐蚀研究成果，综合分析了影响冲刷腐蚀的主要因素，重点阐述了流体力学因素、固体粒子性质、流体介质属性和温度对冲刷腐蚀的影响机制；最后，在总结现有研究存在问题的基础上，对集输管道多相流冲刷腐蚀未来研究方向进行了展望。关键词：集输管道；冲刷腐蚀；机理；交互作用；影响因素Research progress of erosion-corrosion mechanism and influencing factors ofmultiphase flow in oilfield gathering pipelinesZHU Hongbo1,2,WANG Wei1,SUN Liqiang3,ZHOU Yongxin11.Karamay Vocational and Technical College,Karamay 834000,China2.China University of Petroleum(Beijing)at Karamay,Karamay 834000,China3.Hebei Petroleum University of Technology,Chengde 067000,ChinaAbstract：Erosion-corrosion is one of the main forms of thinning failure of oilfield gathering pipelines.Multiphase flow erosion-corrosion has increasingly become an important factor affecting the safety of oilfield gathering and transportation.In view of the erosion-corrosion of oilfield gathering pipelines under the action of multiphase flow,the mechanism,theoretical model,and synergistic effect oferosion-corrosion are introduced.According to the research results of erosion-corrosion both in China and abroad,the main factorsaffecting erosion-corrosion are comprehensively analyzed,and the influence mechanism of fluid mechanics factors,solid particleproperties,fluid medium properties,and temperature on erosion-corrosion is emphatically expounded.Finally,On the basis ofsummarizing the problems in the current research,the future research direction of multiphase flow erosion-corrosion in oilfield gatheringpipelines is predicted.Keywords：gathering pipeline;erosion-corrosion;mechanism;interaction;influencing factors管道是进行原油和石油产品集输的重要设备，井下采出液含水量及矿化度逐年升高，部分区块高含CO2、H2S等腐蚀性气体，并伴有砂粒等固体颗粒，造成油田集输管道内部出现严重的冲刷腐蚀1-2，导致管壁减薄甚至刺漏和穿孔，对油田正常生产和安全运行造成极大影响。冲刷腐蚀是带有腐蚀性的流体介质与金属表面之间发生相对运动而引起的材料损坏现象，是材料受冲刷磨损和腐蚀损伤交互作用的结果3-4。油田集输管道在冲刷磨损的同时伴随有化学或电化学腐蚀而使材料损伤机理和流失规律变得十分复杂。深入研究油田集输管道多相流冲刷腐蚀机理和影响因素，明确冲刷腐蚀过程中机械冲刷和电化学腐蚀之间的交互作用，对于预防集输管道冲刷腐蚀进而保障油田生产安全具有重要意义。本文总结近年来国内外学者在冲刷腐蚀方面的研究成果，对油田集输管道冲刷腐蚀机理和影响因素进行综述，可为冲刷腐蚀理论研究和油田集输管道冲刷腐蚀控制及预防提供借鉴和参考。1集输管道冲刷腐蚀机理冲刷腐蚀包括冲刷磨损和腐蚀损伤两个方面，集输管道中冲刷磨损主要体现在固体颗粒在流体012023年6月专题综述介质携带作用下，以一定速度和角度对管道内壁面进行冲击，导致材料表面发生微小塑性变形和质量损失的现象，一般属于冲蚀磨损范畴；腐蚀损伤是管道金属与原油中的水、CO2、H2S等腐蚀性介质发生的化学或电化学反应引起的损伤，其中以电化学腐蚀为主，具体表现形式为活泼金属材料与腐蚀性介质发生反应而失去电子，金属原子以离子形态脱离并与腐蚀性物质形成化合物的过程5。大量研究表明，在集输管道运行过程中产生的冲刷腐蚀并不是单独的机械冲刷损伤和电化学腐蚀损伤的简单叠加，而是二者相互促进6，这也是导致管道实际冲刷腐蚀速率比纯冲刷速率和纯腐蚀速率之和更大的主要原因。1.1冲刷磨损计算模型冲刷磨损模型的研究起步较早，Finnie7于1960年便研究过粒子以一定角度冲击靶面并以微切削方式造成磨损的模型，随后相继出现了变形磨损理论8-9、挤压锻造理论10、绝热剪切理论11、低周疲劳理论12等多种冲刷磨损理论模型。但由于研究人员对冲刷磨损机制认识和侧重点不同，至今没有形成一个能够直接用于生产实践的理论模型13。目前比较常用的冲刷磨损计算模型是结合了Bergevin在料浆速度对垂直管流中冲刷腐蚀的力学和电化学影响的结果以及Bitter等人的临界速度建议改进后的微切削数学模型：当冲击角18.5时，Ke=cmmvm()vmsin-vcr2P|vmcos-32()vmsin-vcr（1）当冲击角18.590时，Ke=cmmvm()vmsin-vcr2cos212P sin2（2）式中：Ke为冲蚀磨损体积，cm为颗粒质量浓度，m为靶材密度，vm为颗粒冲击速度，vcr为流体的临界速度，P为材料屈服强度。但上述模型在实际应用中并未考虑冲击粒子的回弹系数和回复系数，如果加入粒子回弹系数并考虑流体速度与粒子实际速度差异，则低冲击角时冲刷磨损的数学模型可表示为：Ke=0.270 femcmv3m()1-e2Hs()sin2-4sin2（3）式中：Ke为冲蚀磨损体积，fe为参与切削粒子分数，m为靶材密度，cm为颗粒质量浓度，vm为颗粒冲击速度，e 为颗粒回弹系数，Hs为静态压痕硬度。1.2腐蚀计算模型多相流中由于固体粒子的冲击，金属的腐蚀过程大多数情况下都处于活性溶解区，即钝化膜已部分或全部流失而失去保护作用，其反应完全由传质过程控制14。由于流动介质的腐蚀与氧在金属表面的传质过程有直接关系，对湍流而言可用舍伍德数与雷诺数以及斯密特数之间的关系表示，则活性溶解区金属腐蚀计算模型15为：Kc=0.079 1 fdfeZO2ZmMmMO2D0.644O2CbO2v0.7fdrec0.30.344（4）式中：fd为腐蚀电流密度中极限电流密度分量，fe为冲蚀对腐蚀的加速因素，ZO2为腐蚀溶解反应中电子转移数，Zm为溶解反应中包含电子数，Mm为靶材摩尔质量，MO2为O2的摩尔质量，DO2为氧扩散系数，CbO2为溶液中氧浓度，vf为流体速度，drec为管道直径，为动力黏度。1.3冲刷腐蚀模型随着人们对冲刷腐蚀机理及其影响要素的研究不断深入，研究人员普遍认为冲刷腐蚀的组成主要包括纯冲刷、纯腐蚀、冲刷影响腐蚀和腐蚀影响冲刷 4 个部分16-19，实际冲刷腐蚀速率可表示为：T=C+E=C0+Ce+E0+Ec（5）C=C0+Ce（6）E=E0+Ec（7）式中：T为总的冲刷腐蚀速率；C为总的腐蚀速率，包括纯腐蚀速率C0和腐蚀促进冲刷速率Ce；E为总的冲蚀速率，包括纯冲蚀速率E0和冲刷促进腐蚀速率Ec。多相流作用下集输管道冲刷和腐蚀的交互作用体现在冲刷对腐蚀的影响和腐蚀对冲刷的影响两个方面20。其中，冲刷对腐蚀的影响主要表现为冲刷能够加速传质过程和腐蚀产物流失，同时，固体颗粒对管道材料表面的冲击会引起材料表面钝化膜减薄甚至破裂，形成凸凹不平的冲蚀坑，增大金属与腐蚀性介质接触面积，从而加速腐蚀21。腐蚀对冲刷的影响主要表现在粗化材料表02第49卷第3期专题综述面，造成局部腐蚀损伤，引起表面微湍流促进冲刷磨损；溶解加工硬化层，降低材料疲劳强度，导致材料表面由于腐蚀产生的松软产物在冲刷作用下很容易剥离，进而加速冲刷磨损22。冲刷与腐蚀的交互作用自1949年首次提出，目前已成为集输管道多相流冲刷腐蚀研究的核心内容23，对于集输管道冲刷腐蚀过程中交互作用的主导因素一直备受关注。任莹24等利用旋转圆柱电极实验装置模拟油田采出液，研究了不同粒径和温度下20钢冲刷腐蚀协同机制，发现在一定范围内增大粒径可以使冲刷促进腐蚀，而在不同温度下，材料的冲刷腐蚀均以冲刷-电化学腐蚀为主要控制，其中以冲刷磨损为主导。廖井洲25等则通过对不同NaCl浓度下20钢冲刷腐蚀组成进行量化研究，发现随着NaCl浓度升高，冲刷促进腐蚀的作用先增大后减小，腐蚀促进冲刷则呈单调递增趋势，不同NaCl浓度下，冲刷腐蚀为电化学-冲刷磨损混合控制，并以电化学腐蚀为主。在实际的油田生产与集输过程中，由于腐蚀介质复杂、工况环境恶劣，冲刷腐蚀是一个十分复杂的过程，各因素的交互作用主导机制往往受到输送介质成分、流动参数、流场特征、颗粒特性、环境温度等诸多因素影响，并在一定条件下发生转化。为了进一步明确冲刷腐蚀机制的分类，Stack26等通过模型计算和试验研究，进一步分析了冲刷腐蚀交互作用机理，以冲刷力学因素或化学、电化学腐蚀因素所占的份额为判据来确定材料的流失形式，并根据腐蚀率与冲蚀率二者比值将冲刷腐蚀机制划分为4种类型，如表1所示。表1冲刷腐蚀机制分类Kc/Ke0.10.1 111010冲刷腐蚀机制冲刷磨损控制冲刷磨损-电化学腐蚀混合控制电化学腐蚀-冲刷磨损混合控制电化学腐蚀控制2冲刷腐蚀影响因素油田集输管道由于受到管道布局、油田采出物以及工况条件等多种因素综合影响，冲刷腐蚀的作用机理及影响因素各不相同。多相流作用下管道的冲刷腐蚀涉及多相流动力学、传质学、腐蚀电化学等多个学科27。在集输过程中，除管道材质自身强度、硬度及耐腐蚀性能以外，流体力学因素、固体颗粒性质、流体介质属性和温度等诸多因素都会对集输管道冲刷腐蚀造成影响。近年来，国内外学者基于各自侧重点，从不同角度对冲刷腐蚀影响因素开展了广泛研究。2.1流体力学因素2.1.1流速对冲刷腐蚀的影响集输管道在进行油品输送过程中，含有固相颗粒的多相流介质往往会在压力作用下以一定速度流动，介质在金属管道表面的流动会对腐蚀机理造成影响，特别是流动介质携带固体颗粒对管道内壁面的微切削冲刷作用，不仅会对管道内壁面造成机械冲刷而产生冲蚀磨损，同时也会加速腐蚀介质的传质过程，并且促进金属表面钝化膜的稳定性下降和脱落，但材料的钝化特性增强则会削弱流速对冲刷腐蚀的影响。通常，增大介质流速不仅会促进冲刷腐蚀，同时也会导致冲刷腐蚀机制由电化学腐蚀主导向冲刷加速腐蚀转变。目前，比较统一的观点是流速对冲刷腐蚀的影响存在临界值，当介质流速低于某一临界值时，固体颗粒冲击频率较低，金属可以通过再钝化修复表面膜，几乎观察不到流动引起的腐蚀加剧，冲刷腐蚀机制主要受电化学腐蚀控制28；当介质流速超过临界流速时，材料表面钝化膜由于无法及时修复导致冲刷腐蚀速率随流速增加而迅速增大29，冲刷腐蚀机制受电化学腐蚀和冲刷磨损控制。在不同的工况条件下，材料冲刷腐蚀的临界流速值也会有所不同。黄辉30等以集输管道常用材料16Mn钢为研究对象，研究典型酸性天然气在不同流速、CO2分压和H2S含量时的冲刷腐蚀速率，确定临界流速为10 m/s，当介质流速超过此速度，试样表面腐蚀坑大小和深度都明显增大。樊学华31等采用试验与 CFD数值模拟手段研究了 X70钢冲刷腐蚀速率随流速的变化情况，结果表明，当介质流速超过10 m/s，随着流速的增加试样表面冲刷磨损会显著加剧，但当流速超过35 m/s时，冲刷磨损速率增幅减弱，但冲刷磨损仍为主控因素。王海红32等采用旋转圆柱电极试验装置研究了流速和腐蚀时间对N80套管钢冲刷腐蚀的影响，发现当介质流速在12 m/s时，冲刷腐蚀速率缓慢增加，当介质流速大于2 m/s时，冲刷腐蚀速率大幅增大，并朱红波等：油田集输管道多相流冲刷腐蚀机理与影响因素研究进展032023年6月专题综述且两段均近似为线性关系，该结果与陈虎33等关于流速对N80钢冲刷腐蚀行为的影响基本一致。近年来，也有学者发现流体介质在金属表面的流动并不一定总是加快金属的腐蚀速率，在一些特殊情况下，也会出现金属冲刷腐蚀速率随介质流速增大而降低的现象34。吴成红35等认为介质流速增大可带走管壁附着或沉积的腐蚀产物，可以避免垢下腐蚀和缝隙腐蚀的发生，同时增大流速可以使缓蚀剂在管道中均匀分布，从而抑制冲蚀腐蚀。由于流速对冲蚀腐蚀速率的影响受到管道材质、流场流型、介质属性等多种因素综合作用，其影响机理十分复杂，大量研究表明腐蚀与磨损的交互作用不仅仅是单一的相互促进或抑制作用，而是在不同工况条件下两者间可能发生的正、负交互作用的相互影响、过渡和转换36。2.1.2流场对冲刷腐蚀的影响冲刷腐蚀过程中介质流场的形态与速度分布有很大关系，特别是在集输管道突然变径或改变走向的场合（如经过膨胀管、弯头或三通部位），由于流体湍动、相间冲击作用及相对运动，两相流和多相流相界面几何形状与流动结构进而变得复杂多样，形成层流、泡状流和段塞流等37。其中，段塞流条件下流体处于高速紊乱状态，对金属表面产生较强的冲刷与剪切，管道内壁特定位置将处于周期性的油水两相交替润湿条件，其润湿特性取决于流型特征和材料表面等因素，此时管道的腐蚀规律和机理变得更加复杂。管道内部流场突变会产生旋涡，即便是在较低速度下也会产生湍流，有扰动的流体由于受到阻碍而出现分离和冲击管壁的情况，对管道内壁产生较大的机械冲击和剪切应力，促进腐蚀性环境的形成及腐蚀性离子的传质过程，进而加速对管道壁面的腐蚀。随着油田采出液含水率的升高，或者针对稠油采用的掺水集输工艺，在长距离、长时间输送过程中发生沉降而形成油水分层流，导致管道底部长时间与水接触引发腐蚀。王兴国38等通过试验和数值仿真的方法研究了不同雷诺数和不同缺陷下管道内流场变化和冲刷腐蚀之间相互关系，对比分析管道内缺陷临界点附近流场变化，发现靠近临界缺陷的管壁会出现涡流，并随雷诺数的增加而增大。沈雅欣39等采用 CFD软件模拟了竖直弯管的液固两相流冲刷腐蚀，通过流场分析可以看出，当流体进入弯头后流动方向发生改变，速度场的抛物线型分布规律遭到破坏，出现速度界面分层和二次流，加大对管道的冲蚀腐蚀。胡宗武40等采用管流式实验装置通过失重法和表面分析手段研究了水平弯管在单向流冲刷下不同部位的冲刷腐蚀特征。结果表明，弯管不同部位具有不同的流动特性，不同部位表面受流动介质的冲刷和剪切作用也不同，造成弯管不同部位冲刷腐蚀速率存在差异，尤其在弯管出口处（由于二次流影响），弯管出口外侧部分的冲刷腐蚀严重。王彦骅41等采用数值模拟手段对型管冲刷腐蚀进行模拟，研究型管内流场分布和流体速度等因素对冲刷腐蚀的影响，但所采用数学模型均为CFD软件自带的冲蚀磨损模型，不能全面考察冲刷腐蚀过程中冲刷磨损和电化学腐蚀以及两者相互作用在不同工况条件下与管道冲蚀腐蚀速率之间的内在关系。目前对于复杂流型下多种腐蚀机制并存的问题认识还不够全面，流场变化对冲刷腐蚀的影响规律仍需进一步研究。2.1.3冲击角度对冲刷腐蚀的影响流体对管道内壁的冲刷作用一般分为水平和垂直两个分量42。在水平方向上，液固两相流对管壁主要产生剪切作用，一方面，可以加快金属表面电荷传输和传质效应，促进腐蚀产物膜的形成；另一方面，随着介质流速增大剪切力随之增大，促使腐蚀产物从材料表面剥离，进而使冲蚀腐蚀速率增大。在垂直方向上的冲刷作用主要产生正应力，一方面，正应力对管道壁面产生冲击，促进反应物在材料表面上的附着、接触并发生反应，抑制电荷转移过程；另一方面，材料表面因受到固体颗粒的连续冲击作用会产生塑性变形及疲劳裂纹，使材料呈片状脱落，表面粗糙度增大，甚至产生冲击坑形成点蚀，进而加速腐蚀。在多相流集输管道中，固体粒子在一定速度的液体介质携带作用下会以不同方向或角度冲击管道内壁，特别是在弯管、三通、变径等部位出现流场变化、湍流动能变化的情况下，冲击角度的变化会导致冲刷磨损与电化学腐蚀机制的不断变化。当液固两相流以较低角度冲刷管壁时，水平冲刷作用占主导地位，固体颗粒对金属表面的切削作用是导04第49卷第3期专题综述致材料腐蚀和流失的主要因素；当液固两相流以较大角度冲击管壁时，垂直冲刷作用占主导地位，固体颗粒对金属表面的冲击作用是导致材料腐蚀的主要因素43。随着冲击角的增加，冲刷腐蚀会由微切削机制向疲劳断裂机制变化，腐蚀过程会随之变化，因此，存在某一角度使得切应力和冲击作用共同产生的损伤最大，此时材料的腐蚀损伤最严重44。Tang45等通过试验研究了冲刷腐蚀速率随冲刷角度的变化，结果表明，冲刷角度在3045之间时，冲刷腐蚀速率会随着冲刷角度的增大而不断增大，并在45时达到最大值；当冲刷角度由45增加至90时，冲刷腐蚀出现先减小后增大的变化。邢建东46等通过对 1Cr18Ni9Ti 不锈钢和T8高碳钢进行冲刷腐蚀试验，发现在冲击角度为45时两种材料的冲刷腐蚀磨损率均出现极大值。Abedini47等通过研究冲刷腐蚀的组成发现，铝黄铜合金的冲刷腐蚀速度会随冲击角的增大而先增大后减小，并在40时达到最大值。孟文波48等采用高温高压冲蚀-腐蚀耦合试验装置研究了井下管柱钢材的冲刷腐蚀，研究发现冲击角度对抗冲蚀能力较强的13Cr钢影响较小，而不同冲击角度下N80钢冲蚀-腐蚀试验结果表明，当冲击角度为45时冲刷腐蚀最大、90时次之、0时最小。由于集输管道材质特性和输送介质及工况条件不同，流体冲刷角度对于材料腐蚀速率的影响较为复杂，冲刷腐蚀速率最大值对应的冲击角度也并不完全相同，现有试验研究所定义的冲击角度大部分为名义上的冲击角度，但在实际试验中想要准确控制冲击角度还存在一定难度，受流场影响粒子冲击试样的角度很可能在090之间变化，即便是射流试验也会因绕流现象引起角度变化。因此，如何准确表征冲击角度对冲刷腐蚀过程的影响还需要进一步开展研究。2.2固体粒子性质对冲刷腐蚀的影响油田生产过程中，从地下采出的原油一般伴有天然气、水及固体杂质，因此在集输过程中，油井液在管道中呈油、气、水、砂等多相流动状态，虽然在集输过程中会对油井采出液进行脱水、脱砂及油气分离处理，但也会因处理工艺和效果不同导致固体颗粒存在。固体粒子冲击管道内壁面不仅会导致材料表面产生机械冲刷磨损，同时也会使腐蚀产物或保护膜层流失，将金属表面完全暴露在流动的腐蚀介质中，从而加速了材料的腐蚀。流体介质中固体颗粒的硬度、形状、尺寸以及含量等性质均是影响材料冲刷腐蚀行为的重要因素。2.2.1固体粒子的硬度与形状一般条件下，随着粒子硬度的提高，材料表面冲刷腐蚀不断增大，但当固体粒子硬度比管道材料硬度高很多时，单纯提高粒子硬度对冲刷腐蚀的影响则不明显。研究人员常采用固相颗粒硬度与材料硬度的比值衡量固体粒子硬度对冲刷腐蚀的影响，即随着比值增大冲蚀磨损速率增加，比值超过临界值后冲蚀磨损趋于平稳49。尖锐、多角粒子由于更容易在材料表面产生切削作用而比圆形粒子更能加速冲刷腐蚀50，同时，固体粒子的形状将会影响其接触管道壁面的冲击角度，造成低角度冲击时硬度对冲刷腐蚀影响更为显著，主要原因是低角度冲击时易发生表面犁削，粒子硬度越高产生的切削作用越强，而且较软的粒子在磨损过程中容易被磨钝，降低其切削作用。粒子的硬度和形状对冲刷腐蚀的作用常相互影响，在某些情况下硬度较低但有尖角的固体颗粒甚至会造成比硬度较高的圆形颗粒更为严重的冲刷腐蚀，因此，在有些冲刷腐蚀数学模型中常常将固体颗粒的形状因子列入其中。2.2.2固体粒子的尺寸与含量固体颗粒的尺寸和含量会影响材料冲刷腐蚀机制，在相同流速下，固体颗粒尺寸越大其动能越大，对管道壁面的冲击损伤会增大冲刷腐蚀速率，但当固体颗粒粒径超过某一临界尺寸后，其对冲刷腐蚀速率的影响趋于平稳甚至不再增加。研究人员从不同角度对冲刷腐蚀的“粒度效应”进行验证和说明，Talaghat51等指出当粒径大于1 mm时，固体颗粒通常会在流体中发生沉降而降低冲刷腐蚀速率；任莹等24通过对不同粒径下冲刷腐蚀极化曲线的拟合分析，指出随着粒径的增大，冲刷腐蚀速率先增加后减小，主要是因为随着粒径增大，固体颗粒容易发生破碎，在一定程度上降低对冲刷腐蚀的作用，同时，在颗粒含量一定的条件下，颗粒直径越大则数目越少，冲击频率减小，单个粒子作用材料表面使承受作用的面积朱红波等：油田集输管道多相流冲刷腐蚀机理与影响因素研究进展052023年6月专题综述也增大，从而导致腐蚀速率减小。姜志超52等采用失重法和电化学方法研究了X80钢在不同砂粒粒径下的冲刷腐蚀行为，通过失重分析和动电位极化曲线拟合结果说明，随着粒径增大，材料失重速率增大，腐蚀电位上升，当砂粒粒径超过临界粒径（120212 m）时，冲刷腐蚀速率出现下降趋势。随着固体颗粒含量增加，单位时间内冲击管道壁面的粒子数量增多，冲刷腐蚀速率增大，但不会随着颗粒含量增加而一直增大，同样存在一个临界值53，主要原因是固体粒子含量过高会导致粒子之间交互作用加剧，冲击动能衰减，过多的粒子可能积存在材料表面而产生“屏蔽效应”，导致冲刷腐蚀速率减小54。徐哲55等通过研究发现液固两相流中含砂量在3%时P110钢冲刷腐蚀速率达到最大值，超过3%时则会出现“屏蔽效应”而减小。周昊56等采用旋转圆柱电极流动腐蚀试验装置研究了在含砂液固两相流中N80钢的冲刷腐蚀影响因素，结果表明，砂粒质量分数从1%增加到3%时，N80钢流动腐蚀速率逐渐增大，但砂粒质量分数从3%增加到4%以后，由于过多的砂粒质量分数形成“屏蔽作用”，冲刷腐蚀速率有所降低。2.3流体介质属性和温度对冲刷腐蚀的影响2.3.1流体介质属性油田采出液中的H2S、CO2和采出水等介质成分对集输管道会产生不同程度的腐蚀作用，因此在多相流冲刷腐蚀研究或试验中往往将流体介质属性的腐蚀性因素简化为某些成分的含量，如Cl-、S2-、CO2质量浓度以及溶液的pH值等参数来表示。流体的pH值会影响电化学腐蚀过程，在中性条件以及碱性条件下，腐蚀过程主要是由氧去极化反应控制;而在酸性条件中，腐蚀过程主要由氢去极化效应控制57。在酸性环境中冲刷腐蚀速率较高，在碱性环境中较低，在中性环境中最低。李涌泉58等通过对 N80钢进行冲刷腐蚀试验发现，当溶液pH值为2和3时，N80钢以均匀腐蚀为主，随着溶液pH值的升高，冲刷腐蚀速率降低。周昊59等研究了N80钢在不同pH值条件下的含砂、含NaCl液/固两相流流体中的冲刷腐蚀行为，结果表明随着pH值的增大，N80钢的极化电阻变大，容抗弧半径增大，腐蚀电流密度呈下降趋势，腐蚀速率变小。采出液中的H2S、CO2易溶于水，进而增加集输管道凝析水中H+浓度，降低溶液pH值，促进电化学腐蚀过程，在一定流速作用下加快冲刷腐蚀速率60。李家锋61通过室内模拟试验研究了采油井油管冲刷腐蚀影响因素，发现随着CO2分压不断增加，试样的腐蚀速率逐渐增大。谢涛62等以实际油田的地层水样为腐蚀介质，在高温高压条件下开展不同材质的油套管钢冲刷腐蚀模拟实验，结果表明 N80、L80、1Cr、3Cr、13Cr 等 5 种材质油套管钢的腐蚀速率随 CO2分压的升高而增大，其中N80、L80、1Cr腐蚀速率变化显著，而耐腐蚀性较好的13Cr钢的腐蚀速率较低，对CO2分压没有表现出明显的规律。黄辉63等通过对16Mn钢冲刷腐蚀影响研究发现，随着CO2分压和H2S含量的增加，试样表面的冲刷腐蚀都会增大。原油中的含水率增大不仅会增加CO2和H2S的溶解量，同时也会导致介质流动状态发生变化。低含水率主要形成油包水型乳状液，管壁因受到原油包裹而减少与水直接接触，从而降低了腐蚀速率；随着原油含水率升高，流体介质会从油包水型乳状液向水包油型转变，增大CO2溶解度和H2CO3形成，促进腐蚀膜的溶解，增大冲刷腐蚀速率64。2.3.2流体介质温度温度对冲刷腐蚀的影响主要体现在影响氧扩散系数、气体和各种化学成分的溶解度以及腐蚀产物膜特性等方面。温度升高不仅会使流体黏度降低、流动阻力减小，流体对管道表面的冲击能也会增大，从而加快去极化剂的传质过程，使氧扩散速率变大，金属反应活性增强，电荷转移速率变大而加剧电极表面损伤65，同时，温度也可以通过影响金属表面腐蚀产物膜的组成和结构，进而影响材料的耐冲刷腐蚀性能。对于不同材质的集输管道，在不同工况条件下温度对其腐蚀产物膜形成机制也会产生不同影响。Tian66等采用电化学方法研究温度对X65钢冲刷腐蚀影响规律，发现随着温度的升高自腐蚀电位上升且负移，阳极反应速率明显增大。李家锋69使用含水率为 70%的模拟采出液，研究不同试验温度对油管钢材腐蚀速率的影响，结果表明，试样的腐蚀速率随着温度升高逐渐加大，当温度为100 时，腐蚀速率达到5.675 mm/a。方信贤67等采用失重法和电化学法研究了液固两相流中介质温度对Ni-P镀层及316L06第49卷第3期专题综述钢冲刷腐蚀的影响，发现在2080 温度范围内，随介质温度升高Ni-P镀层和316L钢的自腐蚀电流密度均增大，表明腐蚀速率随介质温度升高而增大。在不考虑腐蚀动力学情况下，随着温度的升高，大多数金属和合金会因塑性下降导致冲刷磨损率下降；随着温度不断升高，材料会因短时高温强度下降引起抗冲刷磨损能力下降，磨损率上升。因此，Levy68提出，金属的延展性会随着温度的升高而增加，当颗粒撞击管壁时，其更多的动能会被塑性变形吸收。以上研究对集输管道多相流冲刷腐蚀具有一定指导意义，但对流体介质属性与温度等环境因素交互作用以及温度对介质属性的影响研究还不够深入。在实际生产中，由于流体介质成分复杂，流体介质属性容易受温度、流速以及流场变化的影响，其对管道的冲刷腐蚀特性和腐蚀动力学机制的产生和发展影响十分复杂，还需要深入分析和研究。3结束语多相流作用下油田集输管道的冲刷腐蚀是多学科交叉的重要研究方向，众多学者通过试验或数值仿真方法从不同角度对油田集输管道以及相关金属材料的冲刷腐蚀开展研究，如管流式冲刷腐蚀试验、射流式冲刷腐蚀试验、旋转电极试验等，并通过失重法、电化学法和形貌分析、腐蚀产物分析等方法研究了冲刷腐蚀的影响因素，定性或定量分析了材料性质、流体力学、固体颗粒、介质属性和流体温度等因素对材料冲刷腐蚀的影响程度，也提出了一些预防或降低冲刷腐蚀的措施。由于油田集输工况条件的复杂多变，冲刷腐蚀的机理往往更加复杂，现有研究成果对多因素、多物理场条件下冲刷与腐蚀交互作用的研究还不够深入，还需要从以下三个方面开展研究和探讨。1）加强冲刷腐蚀机理研究，在已有研究成果基础上，基于多种试验手段研究多相流冲刷腐蚀机理，将冲刷腐蚀中多相流动力学因素与电化学腐蚀动力学因素联合并研究其耦合机理，不断完善冲刷腐蚀数学模型，提高冲刷腐蚀数值计算的可靠性和实用性。2）研究材料在冲刷腐蚀过程中冲刷磨损与电化学腐蚀之间的交互作用，对纯冲刷、纯腐蚀、冲刷促进腐蚀、腐蚀促进冲刷的正/负交互作用进行量化，基于不同工况条件明确机械冲刷与腐蚀磨损及其协同作用对材料造成的损害，确定影响冲刷腐蚀的主导因素，以便有针对性开展预防和监测。3）加强集输管道冲刷腐蚀试验装置和测试方法研究，开发基于真实工况条件的试验装置，基于多种控制手段模拟多相流冲刷腐蚀的真实过程，综合运用试验研究和数值仿真研究方法，开展多物理场耦合条件和多因素交互作用下的冲刷腐蚀研究，将数值仿真、室内试验和外场测试结果综合对比，不断提高分析结果的可靠性。参考文献1 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