CO2腐蚀一直是石油和天然气工业生产过程中的主要问题之一,严重威胁着开采、输送和存储等设 备的安全运营。CO2通常是作为原油或天然气的组分之一存在于油气中,同时,原油增产技术中 注CO2强化开采工艺(EOR)也把CO2带入原油的钻采集输系统<1>。一般干燥的CO2 对钢铁没有腐蚀作用,但在潮湿的环境下,相同的pH值条件下它对钢铁的腐蚀比盐酸还严重<2 >。由于CO2在水湿条件下极易引起钢铁迅速的全面腐蚀和严重的局部腐蚀,使得输送管道和设 备发生早期腐蚀失效,井下管柱发生腐蚀穿孔甚至断裂落井或井喷等事故<3~7>,带来了很多 安全隐患。最近据有关文献报道<8>仅与CO2腐蚀有关的腐蚀失效就占所有安全事故的25% 左右,造成严重的经济损失。由于CO2的腐蚀过程是一种错综复杂的化学反应或电化学反应过程 ,根据文献<5~7>对实际工程中CO2腐蚀失效原因的详细分析以及文献<8~14>对CO 2腐蚀机理及影响因素的相关分析,发现影响CO2腐蚀的因素多达十几种。然而这些文献在对这 些因素进行分析时较少全面地考虑所有的影响因素,也很少明确界定各腐蚀影响因素的相对重要程 度,使得人们难以有针对性地制定腐蚀的防护对策,不能有效地消除安全隐患。对此,本工作采用 一种能将半定性半定量的问题转化为定量问题的有效方法———层次分析法,将各种影响因素层次 化并逐层比较多种关联因素以全面地描述各影响因素的相对重要程度,为今后的CO2腐蚀的速度 预测、安全评价和防护工作等提供可比较的合理的定量决策依据。1基本原理1.1层次分析法层 次分析法(AHP)是由美国T.L.Satty教授提出的一种系统分析方法<15>。这种分 析方法适用于将结构错综复杂、模糊不清的相互关系转化为定量分析。通常AHP把所要研究的问 题分解为不同的组成因素,然后根据总目标的要求,按照各个因素之间的相互关联影响以及隶属关 系将因素按不同层次聚集组合,形成一个多层有序递阶的层次结构图。然后两两比较每一层次中各 因素相对于上一层目标的相对重要程度,构造出两两比较的判断矩阵。其中引入了1~9比率标度 法,如表1所示。然后综合这些判断,确定各因素相对于总目标的重要程度的总排序。表1判断矩 阵标度及其意义标度含义1表示两个因素相比,具有同样的重要性3表示两个因素相比,一个比另 一个稍微重要5表示两个因素相比,一个比另一个明显重要7表示两个因素相比,一个比另一个强 烈重要9表示两个因素相比,一个比另一个极端重要2,4,6,8上述相邻判断的中值倒数因素 i与因素j比较得到的判断bij,则因素j与i比较得到判断bji=1/bij在判断矩阵的 估计中,不一致性常常是不可避免的。因为,理论上完全正确反映客观事物的判断矩阵应该是一致 性矩阵,但是由于客观事物的复杂性和人的判断的偏好,使得判断矩阵很难有严格的一致性,故需 要对判断矩阵进行一致性检验,以保证判断矩阵的可靠性。为此,Saaty引入了一致性指标C I=(λmax-n)/(n-1),以判断矩阵的最大特征值λmax与判断矩阵的阶n的差别 ,来衡量不一致程度。根据Perron定理<16>,当λmax=n时,判断矩阵具有一致性 。当λmax>n时,判断矩阵不一致。在层次分析中,我们允许判断矩阵存在一定的不一致性, 但是必须控制在一定的允许范围内。因此,Satty首先提出用随机性指标:即对固定的n,随 机地构造出正互反判断矩阵A,其中aij(i
。表2平均随机一致性指标(RI)表阶数n12 3 4 5 6 7 8 90 0 0.58 0.90 1.12 1.24 1.32 1.41 1.45当n<3时,判断矩阵永远具有一致性。判断矩阵的一致性指标CI与同阶平均随机一致性 指标RI之比称为随机一致性比率,记作CR,即:CR=CIRI(2)一般规定,当CR<0 .10时,便认为判断矩阵具有令人满意的一致性。否则,就需要调整判断矩阵,使其满足CR< 0.10,从而使它具有令人满意的一致性。1.2层次分析模型建立的基本步骤(1)建立层次 结构模型。(2)通过专家咨询按照表1构造出各因素两两相互比较的判断矩阵。(3)在用公式 (2)检验符合一致性的前提下,采用和法计算判断矩阵的最大特征根λmax及其对应的特征向 量Wk。nWk=∑j=1akj/∑ni,j=1naij,k=1,2,…,n(3)λma x=1n∑nk=1(∑j=1akj,/Wk),k=1,2,…,n(4)然后再对Wk进行 规一化处理得到的W(W1,W2,…,Wn)即为各因素指标的权重。(4)层次总排序。它是 指在层次模型中,某层的每一指标相对于总目标的权重。总排序的计算从目标层开始,由上而下逐 层排序直到要素层为止,即3Wi=∑j=1bjcij(5)其中,bj为B层对A层的总排序 ,cij为准则层Bj的下层关联因素的单排序,若对Bj层同其下层的某元素无关联,则cij 的值为零。用下式检验C层总排序的一致性:CR=∑3j=1Wj·CIj/∑5j=1Wj· RIj(6)2运用AHP分析影响CO2腐蚀的因素指标2.1建立CO2腐蚀影响因素的层次 结构模型在CO2腐蚀过程中,影响因素很多,仅考察其中的一个或几个只可能对一定范围内的腐 蚀情况做出判断<3>,并且也有较大的误差。要想尽可能精确地预测钢的腐蚀程度,就必须对所 有的相关因素进行全面的考察和分析。本工作根据相关文献<8>确定二氧化碳腐蚀影响因素各指 标,并将这些因素初步分成钢材材质指标、介质组成指标和环境因素指标三个基本指标集为准则层,然后再根据各个指标的特点将其细分,将所有与准则层中某一指标相关的影响因素放在同一层次,如图1所示。图1CO2腐蚀影响因素层次结构图2.2构造判断矩并求解模型咨询有关专家并根据各层因素指标相对 应上一层准则层指标的影响程度大小建立判断矩阵,然后按照AHP建模的步骤(3)确定每层各 影响因素的权重W,检验是否具有满意的一致性,如果CR<0·1,则矩阵具有令人满意的一致 性。否则,需要对矩阵进行修正。然后应用步骤(4)进行总体排序并验证一致性。计算结果如表3~7所示。表3准则层(B)指标对目标(A)的判断矩阵AB1 B2 B3权重B1 1 1/3 1/7 0.0882B2 3 1 1/3 0.2431B3 7 3 1 0.6687λmax=3.0072,CI=0.0036,RI=0.58,CR=0.062<0.10表4因素层指标相对准则层B1的判断矩阵B1 C11C12权重C111 3 0.75C121/3 1 0.25λmax=2,CI=0,RI=0表5因素层指标相对准则层B2的判断矩阵B2 C21C22C23C24C25C26C27C28C29权重C211 1 2 1/3 3 7 3 5 1/4 0.1150C221 1 2 1 3 8 5 7 1/3 0.1487C231/2 1/2 1 1/5 2 5 3 5 1/5 0.0808C243 1 5 1 5 8 6 7 1/2 0.2102C251/3 1/3 1/2 1/5 1 3 2 3 1/6 0.0519C261/7 1/8 1/5 1/8 1/3 1 1/2 1/2 1/8 0.0197C271/3 1/5 1/3 1/6 1/2 2 1 2 1/6 0.0360C281/5 1/7 1/5 1/7 1/3 2 1/2 1 1/6 0.0452C294 3 5 2 6 8 6 6 1 0.2925λmax=9.8969,CI=0.1121,RI=1.45,CR=0.0773<0.10表6因素层指标相对准则层B3的判断矩阵B3 C31C32C33C34C35C36C37C38C39权重C311 3 5 4 5 6 8 7 9 0.3291C321/3 1 3 2 2 5 7 7 8 0.1841C331/5 1/3 1 1/3 1/2 4 5 5 6 0.0939C341/4 1/2 3 1 3 5 6 6 7 0.1584C351/5 1/2 2 1/3 1 3 5 5 6 0.1045C361/6 1/5 1/4 1/5 1/3 1 4 4 5 0.0529C371/8 1/7 1/5 1/6 1/5 1/4 1 1 1/2 0.0219C381/7 1/7 1/5 1/6 1/5 1/4 1 1 2 0.0265C391/9 1/8 1/6 1/7 1/6 1/5 2 1/2 1 0.0225λmax=9.8452,CI=0.1057,RI=1.45,CR=0.073 <0.10表7层次总体排序表项目C11C12C21C22C23C24C25C26C27 C28权重排序0.06660.022120.028110.03690.020130.0 5180.013170.005200.009190.01118项目C29C31C32C 33C34C35C36C37C38C39权重排序0.07140.22010.12320 .06370.10630.07050.035100.0146160.018140.01 515CI=0.098,RI=1.322,CR=0.074<0.10由表7可以得到各影 响因素对二氧化碳腐蚀的权重按照从大到小的顺序排列为:温度>二氧化碳分压>pH值>含水量 >腐蚀产物膜>钢的化学成分>流速>氧含量>一氧化碳含量>液膜>氯离子含量>钢的热处理> 硫化氢含量>载荷>细菌>应力>钙镁离子含量>有机酸的含量>碳酸氢根离子含量>沙粒。3结果讨论在层次分析法
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