CN102142063B - 一种由短期测试结果计算长期腐蚀速率的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种由短期测试结果计算长期腐蚀速率的方法，适用于金属材料腐蚀防护技术领域。该方法包括以下步骤：按照国际或国内标准提供的操作方法进行模拟实验，测定得到不同测试时间下的失重量；以测试时间为自变量，失重量为函数值，由实验数据进行不同类型的函数拟合；根据拟合函数的相关系数选择最佳函数；将最佳函数带入计算模型计算实际年腐蚀深度；令t＝365天，求得实际的年腐蚀速率。该方法在大量实验基础上，并已经通过现场设计实例的验证，避免了短期测试对腐蚀速率的放大作用，计算结果可以用于材料寿命预测。

Description

一种由短期测试结果计算长期腐蚀速率的方法

技术领域

本发明涉及金属的腐蚀与防护领域，特别涉及一种由短期测试结果计算长期腐蚀速率的方法。

背景技术

中国石油工业所耗费的石油管材每年约100亿元左右，其中大部分因腐蚀而报废。腐蚀不仅会造成经济上的损失巨大，而且会引起装置泄露、污染环境，甚至引起爆炸和人员伤亡。准确预测油气井管柱的使用寿命或者根据油气田开发流体的腐蚀特性合理的选择油套管防腐材质可以有效控制油套管过早损坏给油田带来的经济损失，然而，这并不意味着材质防腐级别越高越好，每年油气田用钢量十分巨大，若防腐材质选择级别过高会大大增加油套管成本，同时造成材料浪费。因此，建立一种经济合理的油套管使用寿命预测方法是非常必要的。

室内高温高压动态腐蚀模拟测试实验是金属腐蚀防护，油气田油套管经济合理选材的基础性实验，如何根据金属材质在实验室内短期测得的数据计算得出现场实际的腐蚀速率是油套管合理选材的基础。由于金属在腐蚀过程中会形成腐蚀产物膜，对后续腐蚀的发生有一定的阻碍作用，因此金属后期的腐蚀速率比前期的小。对于在某环境下只发生均匀腐蚀的金属来说，可以根据设备允许的腐蚀厚度和平均腐蚀速率来计算设备的使用寿命。但是，按照NACE标准的腐蚀速率计算方法，将短期(t≤2周，室内测试一般不会超过2周)测试结果外推到一年(即认为t到365天这段时间内以同样的腐蚀速率进行)得到的腐蚀厚度会被放大，测试时间越长放大程度越小，只有当测试时间t＝365时才真正代表其实际的年腐蚀速率。但是实际中，由于工程项目设计时间和实验设备性能的限制，很难实现为某次实验进行为期一年的模拟测试。为解决上述问题提出了一种由短期测试结果计算长期腐蚀速率的方法，以解决油套管寿命预测的技术难题。

发明内容

本发明的目的是通过室内测试数据为油气田井下油套管选择合理材质，预测油套管的使用寿命，保证满足油气田设计寿命的同时，尽量降低材料的防腐级别，降低油套管成本。

根据上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种由短期测试结果计算长期腐蚀速率的方法，该方法包括以下步骤：

[1].模拟实验，得到不同测试时间下的失重量；

[2].由实验数据拟合函数；

[3].选择最佳函数；

[4].将最佳函数带入计算模型计算实际年腐蚀深度；

同种材质在同种腐蚀介质和实验条件下分别进行n(n≥3)次实验，实验测试周期分别为t₁，t₂，…t_n逐渐递增，每次实验测得的失重为Δw₁，Δw₂，…Δw_n。将测试时间作为自变量，失重量作为函数，进行拟合，得出失重量与测试时间的最佳函数关系，Δw＝f(t)。将失重量代入公式(1)：

得到腐蚀深度与测试时间的关系：

式中：T为金属在t时间内的平均腐蚀深度，mm；Δw为挂片的失重量，g；A为挂片的面积，mm²；ρ为金属的密度，g/cm³；t为实验时间，day(天)。

公式(2)可以计算出任意时间段内金属的平均腐蚀深度，当t＝365天时，T值即为年腐蚀速率。理论上Δw＝f(t)拟合表达式可以选取任何增函数形式进行拟合，本发明在大量实验研究基础上得出，失重量函数变化规律更符合幂函数或者对数函数的变化形式，实际选择时需计算这两种函数的相关系数，选择相关系数高的函数作为目标函数，带入(2)式求解。

失重函数的确定如下：

X_i为测试时间矩阵，Y_i为失重量矩阵，

1)失重量随测试时间的变化规律选取幂函数

幂函数的变化形式如公式(3)所示，

两边分别取自然对数：并引入参数p，q作以下代换可得式(7)：

lnY_i＝lna+b·lnX_i (5)

则式(3)变换为线性拟合形式，按照线性公式的最小二乘法。

误差平方和表达式为：

函数Φ对q，p分别求偏导，令由此得到方程组(7)：

将实验测试数据带入(7)式可以求出p，q值，再按照(8)式求出系数a，b：

将a，b带入(3)式后得出失重量随测试时间的变化函数。

函数的相关性系数计算公式如下：

2)失重量随测试时间的变化规律选取对数函数

函数基本形式如式(10)所示

Y_i＝a·lnX_i+b (10)

误差平方和表达式为：

式(14)分别对a、b求偏导，令并整理得：

化简得出a、b表达式为：

将a，b带入(10)式后可以的得到失重量随测试时间的对数函数变化规律。

函数的相关性评价系数如(14)式所示：

比较(9)式和(14)式的大小，确定最佳的失重量函数，带入(2)式后，令t＝365天，计算得出实际的年腐蚀速

附图说明

图1为本发明腐蚀速率计算模型。

具体实施方式

本发明提出的由短期测试结果计算长期腐蚀速率的方法，结合附图和实施例说明如下。

结合南海某油田的油套管选材实验测试结果说明本方法的具体实施过程，测试数据如表1所示，

表1 防腐实验设计及实验结果

用最小二乘法，将测试时间作为自变量、失重量作为函数进行函数拟合。X_i为测试时间矩阵，Y_i为失重量矩阵，

1.拟合表达式选取幂函数规律

将实验测试数据矩阵(15)带入(7)式可以求出p，q值，

再按照(8)式求出系数a，b：

函数的相关性系数：

2.拟合表达式选取对数函数

将实验测试数据矩阵(15)带入(13)式求出a，b值：

函数的相关性系数R²：

将幂函数和对数函数的系数a，b值分别代入(3)式和(10)式，得：

幂函数拟合结果：

f(t)＝0.0826t^0.3939(R²＝0.9944) (16)

对数函数的拟合结果：

f(t)＝0.0939ln(t)+0.0125(R²＝0.9891) (17)

两个非线性函数的拟合结果中，幂函数的相关系数最高，因此选择幂函数作为最佳函数。

将公式(16)带入(2)式，得：

将t＝365天带入(18)式，得：

T_年＝0.079mm

即该材料在该油田环境下的实际年腐蚀速率为0.079mm/a。

以上所述仅为本发明具体实施方式，通过多次不等时测试求得失重量随测试时间的函数关系是本发明的核心思想，本发明提出上述的两种函数类型但并不只限于这两种拟合函数类型，最佳拟合函数选取主要由相关系数来确定。任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的主体思想和原则的前提下所作出的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。

Claims (2)

1.一种由短期测试结果计算油套管长期腐蚀速率的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

[1]模拟实验，得到不同测试时间下的失重量；

[2]由实验数据拟合函数；所述函数是以测试时间为自变量，失重量为函数值进行函数拟合，函数表达式为：

Δw＝f(t) (1)；

式(1)中，Δw为失重量，单位为g；t为实验时间，单位为天；所述函数为幂函数或者对数函数；

[3]选择最佳函数；计算所述幂函数或者对数函数的相关系数，选择相关系数高的函数作为最佳函数；

[4]将最佳函数带入计算模型计算实际年腐蚀深度；所述计算模型为：

<mrow> <mi>T</mi> <mo>=</mo> <mfrac> <mn>1000</mn> <mrow> <mi>&amp;rho;</mi> <mi>A</mi> </mrow> </mfrac> <mi>f</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>2</mn> <mo>)</mo> </mrow> <mo>;</mo> </mrow>

式(2)中，T为金属在t时间内的平均腐蚀深度，单位为mm；A为挂片的面积，单位为mm²；ρ为金属的密度，单位为g/cm³；t为实验时间，单位为天；按照计算模型计算出的结果是腐蚀深度，实际年腐蚀速率的值是令t＝365天时的计算结果；

该方法中实验测试次数至少为3，最长测试时间不小于一个月。

2.如权利要求1所述的由短期测试结果计算油套管长期腐蚀速率的方法，其特征在于，该方法中失重量的测试方法是按照美国腐蚀工程师协会标准NACE RP 0775或者石油行业标准SY/T5329中提供的方法操作。