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申请/专利权人：西南石油大学

摘要：本发明公开了一种SRB与CO2耦合作用的页岩气集输管道腐蚀速率预测方法，在综合SRB和CO2腐蚀因素的基础上，考虑以细胞色素传递机制量化SRB腐蚀电化学过程中的还原引起的腐蚀电流密度，建立一个SRBCO2共存环境的页岩气集输管道内腐蚀机理模型，以期充分预测SRBCO2共存环境下的管道内腐蚀速率，由于在获得页岩气集输管道腐蚀速率的过程中考虑了SRB和CO2耦合作用，以及考虑细胞色素传递机制的影响，可以使评价结果更加科学、准确、合理。

主权项：1.一种SRB与CO2耦合作用的页岩气集输管道腐蚀速率预测方法，其特征在于，包括如下步骤：确定SRBCO2溶液体系腐蚀过程中的电化学反应，包括CO2腐蚀的反应方程、SRB腐蚀的氧化反应方程、SRB腐蚀的还原反应方程，得出SRB与CO2腐蚀的总反应方程；结合胞外电子传递机制中的细胞色素传递方法，建立还原的电荷转移电流密度方程及的传质模型，计算还原的总电流密度；考虑H2CO3还原反应同时受活化反应和扩散传质控制，计算H2CO3还原的总电流密度；考虑H2O还原受活化反应控制，计算H2O还原的总电流密度；计算得到各电化学反应总的腐蚀电流密度，根据阳极和阴极反应的电荷平衡计算得到阳极腐蚀电位，并利用阳极腐蚀电位计算出不同时间的阳极腐蚀电流密度，将阳极腐蚀电流密度转换为腐蚀速率与腐蚀深度，最终计算出腐蚀速率；结合胞外电子传递机制中的细胞色素传递方法，建立还原的电荷转移电流密度方程及的传质模型，计算还原的极限扩散电流密度，包括如下步骤：根据式14的总电阻方程计算硫酸盐还原产生的总电流密度式14如下所示： 其中，为还原的总电流密度；为还原的极限扩散电流密度；为还原的电荷转移电流密度；电子从金属到生物膜的转移速率是跨生物膜的活性电荷转移层的电流密度和金属表面电势的函数，则通过Tafel方程建立的表达式即为式15： 其中，rc为电子从金属到生物膜的跨电位降的传输速率；F为Faraday常数；为还原的交换电流密度；α为电子转移系数；E为阳极腐蚀电位；为还原平衡电位；R为通用气体常数；T为实际工况下的绝对温度；使用Nerst方程计算见式16： 其中，pH为SBR细胞质中的pH值；最终，如下式17： 其中，为细胞色素与生物膜之间电子转移的速率；LB为主动传输层长度；CZ为细胞色素浓度；由Nernst-Planck方程计算见式18： 其中，ne为参与反应的电子数；为生物膜中的扩散率；为生物膜内的浓度；通过修正后的Fick第二定律可模拟在生物膜内部的分布，见式19： 其中，为生物膜中SRB对消耗的速率，通过Monod方程计算，见式20： 其中，Km为生物膜中SRB的Monod半速度系数；qmax为最大硫酸盐利用率；Xs为点蚀坑内的SRB浓度；Lf为生物膜厚度；考虑H2CO3还原反应同时受活化反应和扩散传质控制，对H2CO3的极限扩散电流密度和电荷转移电流密度进行计算，包括如下步骤：H2CO3还原的总阴极电流密度见式21： 其中，为H2CO3还原的总电流密度；为H2CO3还原的电荷转移电流密度；为H2CO3还原的极限扩散电流密度；通过Tafel方程建立计算方程见式22： 其中，为H2CO3还原的交换电流密度；bc为Tafel斜率；为H2CO3还原的平衡电位；通过式10计算bc： 其中，αc为电子转移系数；通过式23计算 其中，为氢气的分压；通过式24计算 其中，为H2CO3还原的参考交换电流密度；为H2CO3还原的活化焓；Tref为参考温度；通过Vetter方程建立的计算方式见式25： 其中，[CO2]b为溶液中溶解的CO2体积浓度；为CO2在水中的扩散率；Khyd为CO2水合反应的平衡常数；为CO2水合反应的正向反应速率；通过式26计算[CO2]b： 其中，为CO2的亨利常数；为CO2分压；考虑H2O还原受活化反应控制，对H2O的电荷转移电流密度进行计算，包括如下步骤：通过Tafel方程对H2O还原的总电流密度进行计算，计算式见式27： 其中，为H2O还原的总电流密度；为H2O还原的交换电流密度；为H2O还原的平衡电位；H2O还原的Tafel斜率与H2CO3还原的Tafel斜率相同；通过式28计算 通过Arrhenius方程计算计算式见式29： 其中，为H2O还原的参考交换电流密度；为H2O还原的活化焓；计算得到各电化学反应总的腐蚀电流密度，根据阳极和阴极反应的电荷平衡计算得到阳极腐蚀电位，并利用阳极腐蚀电位计算出不同时间的阳极腐蚀电流密度，将阳极腐蚀电流密度转换为腐蚀速率与腐蚀深度，最终计算出腐蚀速率，包括如下步骤：通过Tafel方程计算阳极腐蚀电流密度iFe，见式9： 其中，iFe为阳极腐蚀电流密度；io,Fe为阳极交换电流密度；为阳极平衡电位；通过式12计算io,Fe： 其中，为Fe的参考交换电流密度；ΔHFe为Fe的活化焓；根据Faraday第二定律将阳极腐蚀电流密度转换为腐蚀速率Vcorr，见式13所示，此处的腐蚀速率Vcorr相当于一维点蚀模型中的点蚀速率； 其中，MFe为铁的原子量；ρFe为铁的密度；通过电荷平衡方程计算E，见式30： 其中，na和nc分别为阳极和阴极反应的总数；ia和ic分别为阳极电荷和阴极电荷；展开后即为式31： 通过有限差分法对式19求解，得到不同时间下生物膜上浓度，再将T、pH、SRB数量分别代入包含该参数的各公式中，将式15和18代入式14得到式32，将式22和25代入式21得到式33，式32和式33如下所示： 此时式9、式27、式32和式33中的未知数仅为阳极腐蚀电位E；将式9、式27、式32和式33通过电荷平衡方程式31联立，求解出阳极腐蚀电位E，再以阳极腐蚀电位E作为式9的输入，即可求出不同时间的阳极腐蚀电流密度iFe，最后将阳极腐蚀电流密度iFe代入式13即可求解腐蚀速率Vcorr。

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