0 引 言
由于近年来油田开采的地质对象逐渐转向薄层和低渗透层，导致油泵的抽油杆承受的平均应力不断增加[1]，加之目前大部分油田已进入中、高含水期的开采阶段，井液的腐蚀性不断增强，两者共同作用使得抽油生产中碳钢设备的腐蚀磨损问题越来越突出，油井免修期明显降低，维护工作量大幅增加，采油成本提高。因此，如何解决管、杆的腐蚀磨损问题已经成为采油工程长期的重点工作，如果能准确的确定碳钢设备腐蚀磨损的主要原因(腐蚀或者磨损)并抑制这一因素的影响，必将提高石油开采效率并产生巨大的经济效益。
为找到腐蚀磨损过程中的主要影响因素，腐蚀磨损往往被拆分为纯腐蚀分量、纯磨损分量和腐蚀对磨损的促进分量以及磨损对腐蚀的促进分量来逐次研究[2,3,4,5,6,7,8]，其中，纯磨损分量是指抑制腐蚀发生时单纯的力学行为产生的破坏。在水溶液中，人们大多关注材料的性能(硬度、微结构和塑性等)以及施加的力学参数(载荷、相对速度和运动方式)对磨损过程的影响。Jiang[9] 研究了不同腐蚀抑制条件下碳钢(Carbon steel,CS)和不锈钢的纯机械磨损，指出不同的方法下碳钢和不锈钢的质量损失随着载荷增加而提高；Neville[7]研究了载荷和相对运动频率对磨损过程的影响，提出能够影响磨粒尺寸和数量的因素在磨损过程中都应该得到关注；Reza Bateni[10]，Pamfilov[6]和Mischler[11]的研究表明氧化层的存在有利于降低磨损过程中材料的损失；Yakupov[12]指出当磨损发生时，处于拉伸状态的材料比压缩状态更容易破坏。而对油/水介质的研究大多集中于介质流速、油水比例和流动状态对腐蚀磨损过程的影响[13,14,15,16]，而对材料的纯磨损研究却很少，介质条件如何影响材料的腐蚀磨损过程更是鲜有报道。
以表面水润湿状态为切入点，在Mg牺牲阳极保护下，研究碳钢在油/水混合流体中的纯磨损行为，考察介质流动速度和油/水比例对表面水润湿状态的影响，并在不同的表面水润湿率(Surface water wetting percentage,SWWP)时研究碳钢的纯磨损量，探究表面润湿状态与碳钢纯磨损行为之间的内在联系，为进一步研究油/水流体中碳钢的腐蚀磨损提供支持。 1 材料与方法 1.1 试验设备
利用自制的金属表面水润湿测量装置[16]测定碳钢表面的水润湿状态，如图 1所示。试样中，水槽中的油/水混合介质在循环泵的抽动下，流经流量计、分流器和样品测试模块后再次回到水槽中，10 min后，当油/水介质平稳的流经样品(见图 2)表面时，信息采集和显示系统将根据油膜和水膜不同的电导率，利用样品表面均匀分布的160个微型电导传感器(见图 3)测定样品表面的润湿膜类别，并统计测到水润湿的电导传感器数量N，将N与电导传感器总数的比值作为碳钢表面的水润湿率，同时将测定的水润湿率实时传递给计算机。每次试验测定时间为1 min，测定60次，然后将60次测定的水润湿率取平均值。每个条件重复测量5次确保试验数据的准确性。
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| 1—Circulation pump; 2—Flow rate control valve; 3—Manifold; 4—Sample test module; 5—Information collection and display system; 6—Reservoir; 7—Oval gear volume flow meter 图 1 油/水润湿状态测量装置示意图Fig. 1 Schematic diagram of the experimental apparatus for oil/water wetting behavior studies |
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| 图 2 样品的表面和截面示意图Fig. 2 Schematic diagram of the surface and cross section of the sample |
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| 图 3 微型电导传感器示意图 Fig. 3 Schematic diagram of the micro-conductivity sensor |
利用济南舜茂仪器有限公司设计的往复式腐蚀磨损试验机[16]测定碳钢样品在流动油/水介质中的纯磨损量，样品槽如图 4所示。设定试验条件：单次磨程 0.5 m，往复频率 1 Hz，载荷100 N，试验时间1 h。
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| 图 4 样品槽示意 Fig. 4 Schematic diagram of the sample chamber |
选取尺寸为60 mm×36 mm×5 mm 和Φ 3 mm×17 mm，硬度40~45 HRC的淬火45号钢为样品和对摩副。用磨床打磨样品和对摩副，并用粒度为2.5 μm的金刚石抛光液进行抛光，以保证样品和对摩副测试面平整、光滑；试验前后均用蒸馏水和酒精对样品和对摩副进行清洗、吹干，计算样品失重(精度0.1 mg)。试验中碳钢样品与介质的接触面积为60 mm×5 mm，其余部分用胶带粘贴，保证其与介质绝缘。
选取元素组成为(质量分数/%)：0.004 Al；0.024 Zn；1.3 Mn；0.003 2 Fe；0.002 3 Cu，其余为 Mg的镁-锰牺牲阳极，阳极尺寸为30 mm×20 mm×5 mm。用400号砂纸去掉牺牲阳极表面的覆盖物和腐蚀产物，然后将牺牲阳极和碳钢样品用铜丝相连接，铜丝用胶带密封，与油/水介质绝缘。
选择密度为832 kg/m3，粘度(25 ℃)为2.88 mm2/s和表面张力27.27 mN/m的司卡兰3号白油作为混合介质的油相，氯化钠含量(质量分数)为3%的水溶液为水相。配置水含量(体积分数)为35%，45%和60%的油/水混合流体，设定流动速度为0.5 m/s和1 m/s。 2 结果和分析 2.1 油/水双相流体中表面水润湿行为
图 5给出了含水量35%，45%和60%，流动速度为0.5 m/s和1 m/s的流体中，碳钢的表面水润湿率。
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| 图 5 油/水流体中样品的表面水润湿率 Fig. 5 Surface water wetting percentage of the samples in oil/water fluids |
从图中可知：随着含水量的提高，碳钢表面的水润湿率都提高；但是碳钢的表面水润湿率在含水量35%的流体中随着流动速度的提高而降低，在含水量45%和60%的流体中随含水量的提高而升高；在高速流体中，随着含水量的增加，碳钢的表面水润湿率提高幅度更大。这可能是由于油/水混合流体在含水量35%时接近于反相点[17,18,19]，水分子以堆垛结构存在，与样品表面的接触少，样品表面的水润湿率较低；当含水量达到45%和60%时，流体以水包油的状态存在[17,18,19]，样品表面与水相的接触增加，提高了样品表面的水润湿率。这是因为在含水量35%的流体中，随着流动速度的增加，油含量增加，提高了样品的表面水润湿率。在含水量35%的流体中，随着流动速度的增加，油容易从堆垛结构的水分子中逃脱，增加流体中油相的活动范围，甚至形成油包水的流体，降低了碳钢的表面水润湿率；而水含量高的流体中，流体以稳定的水包油状态存在，随着流速的提高，油相受到的剪切增加，油滴尺寸减小，使得水包油状态得到进一步巩固，增加了碳钢的表面水润湿率。 2.2 油/水双相流体中牺牲阳极保护效果
图 6给出了牺牲阳极保护条件下，含水量45%，流速0.5 m/s的油/水流体中碳钢样品的宏观形貌和未磨损区域的扫描电镜形貌和能谱
图。从图中可以看出，此时碳钢表面光滑平整，且能谱图中只检测到碳钢的主要成分，同时也未检测到氧，表明此时碳钢并未发生腐蚀，表明在牺牲阳极保护条件下碳钢的腐蚀得到了很好的抑制，此时碳钢的质量损失可以作为碳钢的纯磨损分量来计算，文中利用牺牲阳极来研究碳钢在油/水双相流体中的纯磨损行为是可行的。
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| 图 6 碳钢在含水量45%，流速0.5m/s的油/水流体中的形貌和 EDS能谱 Fig. 6 Morphologies and EDS spectrum of CS in the oil/water fluids with the water content of 45% and flow velocity of 0.5 m/s |
图 7给出了牺牲阳极保护条件下，碳钢在油/水流体中质量损失随含水量和流速的变化情况。由图可知：碳钢样品的质量损失随着含水量的增加而增加，且在高速流体中，质量损失增加的更快；随着流动速度的增加，在含水量35%的流体中，碳钢的质量损失有所降低，在含水量45%和60%的流体中质量损失明显增加，且在高含水量时，质量损失受到流速的影响更大。
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| 图 7 油/水流体中样品的质量损失 Fig. 7 Weight loss of the original samples in the oil/water fluids |
图 8给出了对摩副的质量损失，从图中可以看出：在含水量35%的油/水流体中对摩副损失最小；在流速1 m/s时，对摩副的失重不随含水量发生变化，而在流速0.5 m/s时，其随水含量的增加而增加，且在含水量为45%和60%时损失相同。
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| 图 8 油/水流体中对摩副的质量损失 Fig. 8 Weight loss of the frictional pairs the in the oil/water fluids |
图 9给出了牺牲阳极保护条件下，油/水流体中碳钢的平均摩擦因数随含水量和流速的变化情况。不难看出摩擦因数的变化规律与碳钢的质量损失规律相同。同时比较碳钢失重和摩擦因数与碳钢表面水润湿率变化规律可知：两者在很大程度上受到表面水润湿率的影响，然而对摩副的质量失重却与表面水润湿行为相差很大，说明可能还有其它因素影响纯摩损过程。
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| 图 9 油/水流体中碳钢的平均摩擦因数 Fig. 9 Average friction coefficient of CS in the oil/water fluids |
在含水量35%的油/水流体中，样品表面水润湿率较低，此时样品表面主要被油相占据。由于油相良好的润滑性能，在很大程度上减小了摩擦因数；同时油相良好的承载能力，使其能够很好的存在于样品和对摩副之间，限制了样品和对摩副之间的直接接触，有效的降低了样品和对摩副的磨损量。但是当水含量增加到45%时，流体以水包油状态存在，样品表面的水润湿比例显著提高，而水膜较油膜的润滑效果差，使得摩擦因数提高；同时水膜的承载小、粘度小、流动性好，在摩损过程中易于被挤压出接触面，使得样品和对摩副直接接触，发生强烈的对磨，提高了碳钢样品的磨损量。当水含量进一步提高到60%时，流体水包油的状态更加稳定，碳钢表面水润湿率进一步提高，进而使摩擦因数和磨损量提高。然而水润湿率高的条件下，碳钢在镁牺牲阳极的保护下有发生氢脆的危险，这也许是碳钢样品随水润湿率急剧增高而对摩副的失重不发生变化的原因。
图 10给出了牺牲阳极保护条件下碳钢样品在含水量35%、45%和60%的油/水流体中纯磨损磨痕的SEM形貌以及流速1 m/s条件下磨痕内的EDS谱图。图 11给出了含水量35%、45%和60%，流速1 m/s条件下对摩副的SEM形貌图。由图 10(a)和10(b)可知：含水量35%时，碳钢样品以磨粒磨损为主要磨损机制，磨痕表面犁沟明显，并发生明显的塑性变形，当流动速度提高时犁沟变浅、窄，油润滑效果提高；由图 10(c)能谱图可知：磨痕内有氧存在，说明此时磨损过程可能发生了显著的摩擦氧化，这可能也是此时摩擦因数和磨损失重较低的另一原因。图 11(a)中对摩副犁沟浅且窄，表面光滑，磨损轻微。
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| 图 10 不同含水量和流速下碳钢样品磨痕的SEM形貌和EDS能谱 Fig. 10 SEM morphologies views and EDS spectrum of the worn scars of carbon steel samples under different water content and flow velocities |
从图 10(d)和10(e)不难发现：含水量45%时，样品依然以磨粒磨损为主，犁沟明显，且犁沟的深度较含水量35%时有所加深，磨损加剧；同时磨痕内开始出现明显的剥落和裂纹，且随着流速的提高，犁沟和剥落都更加严重。这可能是表面水润湿率高的条件下，介质的润滑效果下降，表面润湿膜承载能力下降的结果。同时能谱分析(图 10(f))发现，剥落处依然有氧存在，在磨损过程依然有摩擦氧化发生，表明此时并没有明显的析氢现象发生，材料依然保持一定的塑性。图 11(b)显示对摩副的表面还是以犁沟为主，但表面发现有磨屑粘附，这可能是对摩副失重较小的原因，同时也说明，此时碳钢的磨损加剧。
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| 图 11 对摩副在不同含水量的油/水流体中的表面形貌(v=1 m/s) Fig. 11 Surface morphologies of the frictional pairs in the oil/water fluids under different water content (v=1 m/s) |
从图 10(g)和10(h)不难发现，在含水量60%时磨痕中犁沟并不明显，磨损表面表现出脆性断裂的迹象并出现大量的裂纹和剥落。此时高的含水量和水润湿率使得磨损条件更加苛刻，样品和对摩副之间的相互作用加剧，增加了样品的质量损失。图 10(i)碳钢磨痕的能谱结果中没有检测到氧，摩擦氧化过程受到抑制。而对摩副表面(图 11(c))出现大量的磨屑黏着，这可能是此时对磨副失重较小的原因之一。同时，在高的含水量和水润湿条件下，镁牺牲阳极提供更大的阴极保护电流，在碳钢表面产生更负的阴极保护电位，进而导致碳钢表面大量水分子电解，引起材料发生氢脆并抑制摩擦氧化过程。氢脆能够降低材料的塑性变形能力和抗磨损能力，这可能也是此时碳钢出现脆性断裂和磨损加剧的原因，而氢脆的发生也可能使得样品的去除更加容易，进而导致对摩副失重较小。氢脆现象的发生也表明油/水流体中碳钢的纯磨损测量方法还有待进一步改进。 3 结 论
以碳钢表面水润湿状态为切入点，在含水量35%、45%和60%的油/水流体中，研究了碳钢样品表面的水润湿率与牺牲阳极保护条件下碳钢样品的纯力学磨损行为之间的关系。
(1) 随着含水量的提高，碳钢表面的水润湿率提高，且在高含水量的油/水流体中碳钢表面的水润湿率受到流速变化的影响更大。
(2) 表面水润湿率在含水量35%的油/水流体中，随流速的增加而降低，而在含水量45%和60%的油/水流体中则随着流速的提高而提高。
(3) 碳钢的纯磨损失重和摩擦因数随着含水量和流速的变化与表面水润湿率相同，碳钢的纯磨损行为受到表面水润湿率的影响。
(4) 对摩副的失重与水润湿之间的关系并不明显，尤其是高含水量和高流速条件下，此时磨屑的黏着和样品的氢脆可能在很大程度上影响对摩副的摩擦磨损过程。
(5) 碳钢的纯磨损以磨粒磨损为主，在含水量35%的油/水流体中，材料表现出一定的塑性，以塑性去除为主；在含水量60%的油/水流体中，镁牺牲阳极可能导致碳钢发生氢脆，进而加剧碳钢的磨损，碳钢以脆性去除为主。
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