普光氣田N80套管多元腐蝕行為試驗(yàn)研究

徐劍明，鄭璐璐，李亮，董海彬

（中國石化中原油田普光分公司采氣廠，四川達(dá)州 635000）①

1 試驗(yàn)材料與設(shè)備

試驗(yàn)材料為普光氣田常用的N80鋼級的套管材料，其化學(xué)成分和力學(xué)性能如表1所示。根據(jù)試驗(yàn)設(shè)備要求，試樣形狀如圖1所示。

表1 普光氣田N80套管鋼材料化學(xué)成分 wB%

圖1 高溫高壓釜腐蝕試樣尺寸

將試樣用水砂紙（200＃、400＃、600＃、800＃）打磨至無機(jī)械劃痕，用蒸餾水沖洗干凈，用丙酮除油，放入無水乙醇，濾紙吸干表面酒精，置于干燥箱中干燥、待用。用BP210S（Max 210g；d＝0.1mg）型電子天平稱重。利用游標(biāo)卡尺測量試件尺寸：D、E、F、G、H、I，試件表面積則為

試驗(yàn)設(shè)備為帶旋轉(zhuǎn)裝置的GSHA－3型高溫高壓反應(yīng)釜，如圖2所示。

圖2 GSHA－3型高溫高壓反應(yīng)釜

2 試驗(yàn)方法

正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)也稱正交設(shè)計(jì)（orthogonal design），是用來科學(xué)地設(shè)計(jì)多因素試驗(yàn)的一種方法。它利用一套規(guī)格化的正交表（orthogonal table）安排試驗(yàn)，得到的試驗(yàn)結(jié)果再用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法進(jìn)行處理，使之得出科學(xué)結(jié)論。正交表是試驗(yàn)設(shè)計(jì)的基本工具，它是根據(jù)均衡分布的思想，運(yùn)用組合數(shù)學(xué)理論構(gòu)造的一種數(shù)學(xué)表格，均衡分布性是正交表的核心［3－5］。

安排的4因素3水平的試驗(yàn)，編上試驗(yàn)號，列成另外一種形式，正交試驗(yàn)表L9（34）如表2?？梢杂纱说玫较盗姓槐恚╫rthogonal table）。

表2 正交試驗(yàn)表L9（34）

A 因素第1個(gè)取值方差表示為

式中：y1為A 因素第1個(gè)值試驗(yàn)結(jié)果，y2為A 因素第2個(gè)值試驗(yàn)結(jié)果，y3為A因素第3個(gè)值試驗(yàn)結(jié)果。

彼有私急也，必以公義示而強(qiáng)之。其意有下也，然而不能已，說者因?yàn)橹椘涿蓝倨洳粸橐?。其心有高也，而?shí)不能及，說者為之舉其過而見其惡，而多其不行也。有欲矜以智能，則為之舉異事之同類者，多為之地，使之資說于我，而佯不知也，以資其智。欲內(nèi)相存之言，則必以美名明之，而微見其合于私利也。欲陳危害之事，則顯其毀誹，而微見其合于私患也。譽(yù)異人與同行者，規(guī)異事與同計(jì)者，有與同污者，則必以大飾其無傷也。有與同敗者，則必以明飾其無失也。彼自多其力，則毋以其難概之也。自勇之?dāng)?，則毋以其謫怒之。自智其計(jì)，則毋以其敗窮之。

同理可以得到KA1′、KA2′、KA3′等其他因素的方差。根據(jù)方差即可計(jì)算極差，極差反應(yīng)了試驗(yàn)影響的主次順序。極差最大的那一列，則此因素的水平改變時(shí)對試驗(yàn)指標(biāo)的影響就最大，那個(gè)因素就是要考慮的主要因素。

3 基本參數(shù)

腐蝕試驗(yàn)介質(zhì)用化學(xué)純分析試劑和去離子蒸餾水配置，腐蝕介質(zhì)參數(shù)如表3。根據(jù)表2配置9組不同的腐蝕試驗(yàn)介質(zhì)，并注入反應(yīng)釜中。并將試驗(yàn)的套管鋼刮片置于高溫高壓反應(yīng)釜中，調(diào)節(jié)反應(yīng)釜的參數(shù)，升高溫度，開始計(jì)時(shí)，試驗(yàn)時(shí)間為72h。試驗(yàn)完畢之后，取出掛片，用蒸餾水沖洗干凈，濾紙吸干表面水分。取其中1個(gè)進(jìn)行表面腐蝕形貌和成分分析，其余2個(gè)用除膜液清除腐蝕產(chǎn)物膜，除膜20 min，并用橡皮擦擦拭表面，除膜后用蒸餾水沖洗干凈，放入飽和NaHCO3溶液中浸泡2min，并放入無水乙醇中脫水3 min，吹干放入干燥箱中24h，稱重，得出腐蝕后試樣的質(zhì)量。

腐蝕后用XTL－500型體視顯微鏡和SEM 觀察腐蝕形態(tài)和產(chǎn)物膜形貌，用掃面電鏡附帶的X 射線能譜儀（EDS）進(jìn)行腐蝕產(chǎn)物膜成分分析。

表3 試驗(yàn)介質(zhì)參數(shù)

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 多元腐蝕試驗(yàn)結(jié)果

正交試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表4 正交試驗(yàn)結(jié)果

利用式（1）～（2）計(jì)算正交試驗(yàn)方差和極差，如表5。

表5 正交試驗(yàn)方差分析結(jié)果

4.2 腐蝕產(chǎn)物膜形貌和成分

通過上面分析：可以看出，對套管鋼腐蝕速率影響最大因素為NaHCO3的質(zhì)量濃度，因此對其產(chǎn)物膜進(jìn)行觀察。選擇其中最小腐蝕速率組別和最大腐蝕速率組別進(jìn)行對比分析［6－8］。

由圖3可以看出：NaHCO3質(zhì)量濃度最小影響水平中的最大腐蝕速率所對試驗(yàn)組別試樣（如圖3a）只是產(chǎn)生了較小的局部腐蝕，腐蝕形態(tài)呈現(xiàn)出由一點(diǎn)向外擴(kuò)展的圓點(diǎn)發(fā)展方式，圓點(diǎn)中心比周邊腐蝕嚴(yán)重；而NaHCO3質(zhì)量濃度最大影響水平中的最小腐蝕速率所對組別試樣（如圖3b）產(chǎn)生了較嚴(yán)重的均勻腐蝕，同時(shí)附帶局部點(diǎn)蝕形態(tài)，點(diǎn)蝕孔均勻地分布于整個(gè)試樣表面。可以看出，腐蝕嚴(yán)重程度隨NaHCO3質(zhì)量濃度的增加發(fā)生驟然增加的趨勢。因此，NaHCO3質(zhì)量濃度對N80套管鋼材的腐蝕速率影響最大。

圖3 腐蝕產(chǎn)物膜體視顯微鏡形貌（放大41.5倍）

根據(jù)如圖4所示的掃描電鏡形貌分析結(jié)果可以看出，試驗(yàn)1的試樣表面只有部分區(qū)域存在腐蝕產(chǎn)物膜的覆蓋情況，以及少量的產(chǎn)物膜脫落（如圖4a），腐蝕較輕微。對未脫落的產(chǎn)物膜，采用掃描電鏡所附帶的X射線能譜分析儀進(jìn)行能譜分析，其結(jié)果如圖4b所示，具體成分百分比如表6?？梢钥闯?，第1組試樣的產(chǎn)物膜以Fe、O、C 和S元素為主，即產(chǎn)物膜可能含有FeCO3和FexSy，且以FeCO3為主。因此，在試驗(yàn)1腐蝕環(huán)境下，套管腐蝕以NaHCO3引起的腐蝕為主。

表6 腐蝕產(chǎn)物膜成分 wB%

圖4 腐蝕產(chǎn)物膜掃描電鏡形貌和成分分析（試驗(yàn)1）

從圖5a可以看出，試驗(yàn)2試樣表面出現(xiàn)厚厚的產(chǎn)物膜層，表面被腐蝕產(chǎn)物膜完全覆蓋，且產(chǎn)物膜出現(xiàn)鼓泡和裂紋，而裂紋是從鼓泡中心向四周擴(kuò)散。采用掃描電鏡所附帶的X 射線能譜分析儀對產(chǎn)物膜進(jìn)行能譜分析，其結(jié)果如圖5b所示，具體成分如表7?？梢钥闯?，該組試樣產(chǎn)物膜中僅含有Fe、C 和S元素，其中S元素含量較第一組明顯增加，O 元素含量明顯降低，而Fe、C 元素則變化不明顯，且以Fe、S含量最高，即產(chǎn)物膜可能含有FexSy及少量FeCO3，以FexSy為主。因此，試驗(yàn)2腐蝕環(huán)境下，套管鋼材的腐蝕以Na2S腐蝕為主。

表7 腐蝕產(chǎn)物膜分析結(jié)果 wB%

圖5 腐蝕產(chǎn)物膜掃描電鏡形貌和成分分析（試驗(yàn)2）

5 結(jié)論

1）試驗(yàn)中各因素對試驗(yàn)指標(biāo)（腐蝕失重率）的影響按大小順序是NaHCO3質(zhì)量濃度、溫度、Na2S質(zhì)量濃度、NaCl質(zhì)量濃度。

2）N80套管材料在不同腐蝕環(huán)境下，腐蝕表面形貌各異，多有蝕坑狀，少數(shù)試樣表面有臺階狀。腐蝕形態(tài)多為點(diǎn)蝕或坑蝕。

3）N80套管材料腐蝕表面產(chǎn)物各不相同，所有腐蝕產(chǎn)物均包括CaC3、SiO2，部分試樣腐蝕產(chǎn)物還包括FeS、KCl，且各腐蝕產(chǎn)物所占質(zhì)量均不相同。

4）根據(jù)掃描電鏡的掃描分析可以得出：碳酸氫根離子濃度對套管材料的腐蝕影響最大，F(xiàn)e的消耗最多，高濃度的碳酸氫根離子引起材料的全面腐蝕，且蝕斑較多較大；氯離子是引起套管材料的點(diǎn)蝕；硫離子和套管材料發(fā)生反應(yīng)生成黑色的FeS。

［1］李鶴林，白真權(quán)，劉道新，等.模擬油田CO2／H2S環(huán)境中N80鋼的腐蝕及影響因素研究［J］.材料保護(hù)，2003，36（4）：32－34.

［2］周計(jì)明.油管鋼在含CO2／H2S高溫高壓水介質(zhì)中的腐蝕行為及防護(hù)技術(shù)的作用［D］.西安：西北工業(yè)大學(xué)，2002.

［3］姜同川.正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)［M］.濟(jì)南：山東科學(xué)技術(shù)出版社，1985：1－9

［4］《正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)法》編寫組.正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)法——多因素的試驗(yàn)方法［M］.上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，1979：173－184.

［5］朱世東，魏建鋒，周根數(shù)，等.基于正交試驗(yàn)的P110腐蝕行為的研究［J］.熱處理技術(shù)與裝備，2010，31（1）：4－9.

［6］黃本生，江仲英.G105鉆桿材料多元腐蝕行為研究［J］.功能材料，2012，19（43）：2624－2429.

［7］孔學(xué)云，劉金山，馬認(rèn)琦，等.鉆桿接頭斷裂失效原因分析與預(yù)防［J］.石油礦場機(jī)械，2012，41（8）：40－43.

［8］薛明晉，陳海林，王篤雄，等.60Si2Mn彈簧表面脫炭仿真與試驗(yàn)研究［J］.石油礦場機(jī)械，2012，41（8）：47－50.