NACE A溶液浸泡對S135鉆桿沖擊韌性的影響測試

楊春雷 （中國石油大慶鉆探工程公司，吉林 松原 138000）

田剛，曾德智施太和

（油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點實驗室 （西南石油大學），四川 成都 610500）

羅月 （西南石油大學石油工程學院，四川 成都 610500）

NACE A溶液浸泡對S135鉆桿沖擊韌性的影響測試

楊春雷 （中國石油大慶鉆探工程公司，吉林 松原 138000）

田剛，曾德智施太和

（油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點實驗室 （西南石油大學），四川 成都 610500）

羅月 （西南石油大學石油工程學院，四川 成都 610500）

為研究含硫環(huán)境腐蝕對S135鉆桿沖擊韌性的影響，采用ZBC2302型示波沖擊試驗機測試了S135鉆桿沖擊試樣在NACE A溶液中浸泡前后的沖擊性能，浸泡時間為24h；同時，采用Schindler模型計算了2種條件下的動態(tài)斷裂韌性。研究結果表明：浸泡過后S135鉆桿沖擊功和動態(tài)斷裂韌性出現(xiàn)一定程度下降；與原始試樣相比，浸泡后S135鉆桿的沖擊功下降了16.99J（降幅約18.13%），動態(tài)斷裂韌性下降95.11kJ／m2（降幅約24.9%）。S135鉆桿在含硫環(huán)境中沖擊功和斷裂韌性的下降致使鉆桿環(huán)境斷裂風險增大，需加強防護。

腐蝕；S135鉆桿；沖擊韌性

含硫油氣井開發(fā)生產(chǎn)過程中，一直受到硫化氫的威脅。特別是鉆井過程中，如果發(fā)生溢流，含硫天然氣進入鉆井液，導致鉆井液pH值迅速減小。在鉆進或停鉆處理事故過程中，鋼制鉆桿與溶解有硫化氫的鉆井液接觸，發(fā)生電化學反應產(chǎn)生氫原子，并通過擴散進入鉆桿，使得鉆桿強度和塑性下降。現(xiàn)場實踐表明，氫損傷是石油管材失效的主要原因之一［1～3］。在中國深井、超深井仍大量使用的是S135鉆桿，這是現(xiàn)行API標準中強度級別最高的鉆桿材料［4］。鉆桿強度級別越高，其腐蝕開裂的敏感性越強［5］，如果鉆遇含硫儲層應該盡快處理，防止長時間浸泡引起鉆桿性能惡化甚至脆斷。筆者通過示波沖擊試驗研究了S135鉆桿在NACE A溶液中浸泡后沖擊韌性的變化，為安全鉆井、減少鉆具失效提供參考和技術支持。

1 試驗材料與方法

試驗材料取自實物S135鉆桿，其成分如表1所示。

表1 S135鉆桿化學成分及其質(zhì)量分數(shù)

沖擊試樣取自鉆桿縱向，如圖1所示，規(guī)格為55mm×10mm×7.5mm。沖擊試驗儀器為ZBC2302型示波沖擊試驗機，沖擊速度5.24m／s。將沖擊試樣分為2組，每組3個平行試樣。示波沖擊試驗按照ISO14556—2000《鋼夏比V型缺口沖擊試驗儀器化試驗方法》［6］進行。第1組試樣不浸泡，測試S135鉆桿原始沖擊性能；第2組試樣浸泡24h后取出，快速清洗后進行沖擊試驗。浸泡溫度為24±3℃；浸泡溶液采用NACE0177—2005標準［7］方法配制，由質(zhì)量分數(shù)5.0%的NaCl和質(zhì)量分數(shù)0.5%的冰乙酸溶解在蒸餾水中組成，并用高純H2S充入試驗溶液至飽和。

圖1 示波沖擊試樣規(guī)格

2 試驗結果與討論

2.1 動態(tài)斷裂韌性計算方法

動態(tài)斷裂韌性JIC根據(jù)Schindler模型［8］計算。該模型中的試樣尺寸參數(shù)如圖2所示。

式中：JIC為動態(tài)斷裂韌性，kJ／m2；Emp為起裂功，J；Fm為最大力，kN；Et為沖擊總功，J；Bn為帶側槽試樣凈厚度，mm；B為試件高度，mm；a0為裂紋深度，mm；E為彈性模量，MPa；ν為泊松比，取值為0.3；S為彎曲試樣加載跨距（本試驗機為40mm），mm；W為試樣總寬度（沿V型槽方向的厚度），mm。

2.2 示波沖擊試驗結果

示波沖擊試驗得到了沖擊過程中試樣受力－位移 （撓度）曲線 （圖3）。硫化氫溶液浸泡后，S135鉆桿沖擊曲線覆蓋面積減小，即沖擊功出現(xiàn)一定程度下降。示波沖擊試驗結果和動態(tài)斷裂韌性計算結果見表2，浸泡前后相比，S135鉆桿的沖擊功由93.54J降為76.55J，降幅約18.13%；動態(tài)斷裂韌性由382.44kJ／m2降為309.55kJ／m2，降幅約為19.06%。

2.3 浸泡機理

S135鉆桿鋼在飽和H2S的水溶液中發(fā)生的電化學反應方程式：

式中：Had為鋼表面吸附的氫原子；Hab為鋼中吸附的氫原子。

雖然H2S溶液酸度并不高，而且不通電，但是由于S2－的存在，氫的實際輸入逸度可能極高［9］，因此在H2S溶液中浸泡會在試樣表面產(chǎn)生極高的輸入氫逸度，引起大量氫原子進入材料。進入材料內(nèi)部的氫原子一部分分布在晶格間隙中，另一部分與材料內(nèi)部各種可逆或不可逆的氫陷阱發(fā)生作用，被氫陷阱捕捉。

氫能促進位錯的發(fā)射和運動［10］，即促進局部塑性變形，并且降低原子間結合力［11］。在較低應力條件下，氫促進局部塑性變形到達臨界狀態(tài)，使得該區(qū)域應力集中等于被氫降低了的原子結合力，使得微裂紋在該處形核。氫原子進入微裂紋并吸附在裂紋內(nèi)表面使得裂紋表面能下降，從而使裂紋擴展所需要的臨界應力下降［12］。正是因為氫的上述作用使得浸泡過后試樣沖擊性能下降。

圖2 Schindler模型中的試樣尺寸參數(shù)示意圖

圖3 不同浸泡時間試樣的沖擊曲線

表2 示波沖擊試驗結果與動態(tài)斷裂韌性計算結果

沖擊試樣斷口如圖4所示，圖4（a）為浸泡之前的沖擊試樣，斷口以韌性斷裂為主，呈韌窩特征；圖4（b）為浸泡后的沖擊試樣，斷口局部呈現(xiàn)準解理特征的微觀形貌，即斷口帶有一定脆性特征。由于浸泡過程中氫原子進入試樣，使得沖擊開裂由韌性斷裂機理向著 “韌性＋脆性”機理變化。

3 結論

1）在硫化氫溶液中浸泡后，S135鉆桿沖擊功和動態(tài)斷裂韌性出現(xiàn)一定程度下降。浸泡前后相比，S135鉆桿的沖擊功由93.54J降為76.55J，降幅約18.13%；動態(tài)斷裂韌性由382.44kJ／m2降為309.55kJ／m2，降幅約為19.06%。

2）鉆桿在含硫環(huán)境中沖擊功和斷裂韌性下降易導致鉆桿環(huán)境開裂，實際操作中應予以注意，防止鉆具失效事故發(fā)生。

圖4 沖擊斷口微觀形貌

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［7］NACE TM0177—2005，Laboratory testing of metals for resistance to specific forms of environmental cracking in H2S environments［S］.

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［編輯］ 帥群

Effect of Imm ersion in NACE A Solution on Impact Toughness of S135 Drill Pipe

YANG Chunlei，TIAN Gang，ZENG Dezhi，SHITaihe (First Author's Address:PetroChina Daqing Oilfield Drilling Engineering Company，Songyuan 138000，Jilin，China)

To investigate the effects of sulfur containing environment on impact toughness of S135 drill pipes，ZBC2302 type Charpy impact testmachinewas employed toevaluate the impactbehaviors of the S135 sampleswhich exposed to H2Ssaturated solution for 24h.Meanwhile，dynam ic fracture toughness under 2 conditions was also calculated by using Schindlermodel.The results show that the impact energy and dynamic fracture toughness of S135 samples decrease to a certain extent after immersion.Compared with the original samp les(0h)，the impact energy reduces16.99Jand the dynamic fracture toughness reduces 95.11kJ/m2.The drop of impact energy and dynamic fracture toughness reach 18.2%and 25.4% respectively.Risks of cracking and fracture of S135 drill pipes are raised in sourenvironment，so，great attention should be paid to the potential accidents.

corrosion;sulfur-containing environment;S135 drill pipe;impact toughness

TE921.2

A

1000-9752（2014）05-0157-04

2014-01-03

國家自然科學基金項目 （51374177）。

楊春雷 （1982-），男，2004年大學畢業(yè)，工程師，現(xiàn)主要從事鉆井工程方面的科研工作。