鉆桿腐蝕性能對(duì)比分析

趙 鵬，于 杰，郭金寶

（寶山鋼鐵股份有限公司，上海 201900）

鉆桿腐蝕是鉆井工程中普遍存在的問(wèn)題，并隨著鉆井向深井/超深井、深海井、高腐蝕性井方向發(fā)展而日趨嚴(yán)重。在鉆井作業(yè)中，為適應(yīng)各種鉆井工藝的需要，使用了鹽水、鉀基聚合物等鉆井液體系，并含有多種添加劑，在井下高溫高壓作用下具有強(qiáng)烈的腐蝕性［1-3］。

目前，鉆桿材質(zhì)主要有油淬材質(zhì)（代表鋼種為36CrNiMo4）和水淬材質(zhì)（代表鋼種為 4130H）［4-6］。通過(guò)適當(dāng)?shù)臒崽幚砉に?，上述兩?lèi)材質(zhì)的常規(guī)力學(xué)性能都可以滿(mǎn)足APISpec 5DP—2009《鉆桿產(chǎn)品規(guī)范》對(duì)鉆桿的各項(xiàng)要求。但上述兩類(lèi)材質(zhì)的抗腐蝕性能如何，目前還沒(méi)有系統(tǒng)地對(duì)比分析試驗(yàn)。由于鉆桿遇到的腐蝕性介質(zhì)主要是溶解氧、CO2和H2S等3種［7-13］；因此，本文選擇36CrNiMo4與4130H兩種材質(zhì)鉆桿進(jìn)行腐蝕性能對(duì)比試驗(yàn)，包括氧腐蝕試驗(yàn)、CO2腐蝕試驗(yàn)、硫化物應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)，為進(jìn)一步提高鉆桿材質(zhì)的使用性能提供依據(jù)。

1 材質(zhì)分析

36CrNiMo4和4130H兩種材質(zhì)鉆桿的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）見(jiàn)表1。兩種材質(zhì)相比，36CrNiMo4鉆桿為Cr-Ni-Mo系合金化，4130H鉆桿為Cr-Mo系合金化，而且4130H鉆桿的含碳量明顯偏低。

36CrNiMo4和4130H兩種材質(zhì)鉆桿的力學(xué)性能及金相分析結(jié)果見(jiàn)表2。從表2可以看出：36CrNiMo4和4130H兩種材質(zhì)均為S鋼級(jí)，強(qiáng)度水平基本相當(dāng)。

2 腐蝕性能對(duì)比分析

2.1 氧腐蝕試驗(yàn)

對(duì)36CrNiMo4和4130H兩種材質(zhì)鉆桿進(jìn)行電化學(xué)腐蝕試驗(yàn)，測(cè)定兩種材質(zhì)在3.5%NaCl溶液中的動(dòng)電位極化曲線(xiàn)。60℃下36CrNiMo4和4130H兩種材質(zhì)鉆桿在3.5%NaCl溶液中的極化曲線(xiàn)如圖1所示。

表1 36CrNiMo4和4130H兩種材質(zhì)鉆桿化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） %

表2 36CrNiMo4和4130H兩種材質(zhì)鉆桿的力學(xué)性能及金相分析結(jié)果

圖1 60℃下36CrNiMo4和4130H兩種材質(zhì)鉆桿在3.5%NaCl溶液中的極化曲線(xiàn)

從圖1可以看出：陰極極化曲線(xiàn)較陽(yáng)極極化曲線(xiàn)陡，腐蝕電位接近陽(yáng)極平衡電位，由電化學(xué)動(dòng)力學(xué)可知兩種材質(zhì)在3.5%NaCl溶液中的腐蝕主要由陰極控制。陰極極化曲線(xiàn)隨著腐蝕電流密度的增加而陡直下降，這是由于氧擴(kuò)散的阻滯引起的極化不斷增加，使整個(gè)陰極過(guò)程主要由氧的擴(kuò)散過(guò)程所控制。

表3是36CrNiMo4和4130H兩種材質(zhì)鉆桿在3.5%NaCl溶液中浸泡的試驗(yàn)結(jié)果。從表3可以看出：無(wú)論是在室溫還是在60℃條件下，4130H鉆桿與36CrNiMo4鉆桿的氧腐蝕速率基本相同。

表3 36CrNiMo4和4130H兩種材質(zhì)鉆桿在3.5%NaCl溶液中浸泡的試驗(yàn)結(jié)果

為了進(jìn)一步驗(yàn)證表3中的結(jié)論，從油田取來(lái)鹽水鉆井液，采用高壓釜進(jìn)行氧腐蝕試驗(yàn)。在通入飽和氧的條件下，36CrNiMo4和4130H兩種材質(zhì)鉆桿在鹽水鉆井液中的腐蝕試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4，也表明兩種材質(zhì)的氧腐蝕速率基本相同。

表4 36CrNiMo4和4130H兩種材質(zhì)鉆桿在鹽水鉆井液中的腐蝕試驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)上述對(duì)比試驗(yàn)可知，鉆桿的溶解氧腐蝕是氧去極化腐蝕。由于鉆桿的腐蝕受溶解氧的擴(kuò)散所控制，因而鉆桿材質(zhì)對(duì)腐蝕速度基本無(wú)影響。

2.2 CO2腐蝕試驗(yàn)

對(duì)36CrNiMo4、4130H兩種材質(zhì)鉆桿進(jìn)行CO2腐蝕試驗(yàn)，測(cè)定兩種材質(zhì)在不同環(huán)境介質(zhì)中的CO2腐蝕速率。CO2腐蝕試驗(yàn)溶液配比見(jiàn)表5。在通入飽和CO2的條件下，36CrNiMo4和4130H兩種材質(zhì)鉆桿的CO2腐蝕試驗(yàn)條件及試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表6，36CrNiMo4和4130H兩種材質(zhì)鉆桿在溶液1和溶液2中的腐蝕形貌如圖2所示。

表5 CO2腐蝕試驗(yàn)溶液配比 mg/L

表6 36CrNiMo4和4130H兩種材質(zhì)鉆桿的CO2腐蝕試驗(yàn)條件及試驗(yàn)結(jié)果

圖2 36CrNiMo4和4130H兩種材質(zhì)鉆桿在溶液1和溶液2中的腐蝕形貌

從表6可以看出：無(wú)論是采用溶液1還是溶液2進(jìn)行CO2腐蝕試驗(yàn)，36CrNiMo4材質(zhì)鉆桿的CO2腐蝕速率均低于4130H材質(zhì)。其中，在溶液1腐蝕環(huán)境下，36CrNiMo4材質(zhì)鉆桿的腐蝕速率比4130H材質(zhì)的腐蝕速率低27.4%；在溶液2腐蝕環(huán)境下，36CrNiMo4材質(zhì)的腐蝕速率比4130H材質(zhì)低12.1%。另外，在不同的腐蝕環(huán)境中，36CrNiMo4材質(zhì)鉆桿在溶液2中的腐蝕速率比在溶液1中的高出49.1%，4130H材質(zhì)鉆桿在溶液2中的腐蝕速率比在溶液1中的高出23.3%。由此可以看出，雖然36CrNiMo4材質(zhì)中的Ni、Mo等耐腐蝕合金元素含量明顯高于4130H材質(zhì)，導(dǎo)致不同材質(zhì)抗CO2腐蝕性能存在差異，但仍沒(méi)有環(huán)境介質(zhì)的影響大。

2.3 硫化物應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)

采用恒載荷法，在NACE TM 0177—2005《金屬在H2S環(huán)境中抗硫化物應(yīng)力開(kāi)裂和應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂的實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)A溶液中對(duì)36CrNiMo4和4130H兩種材質(zhì)鉆桿進(jìn)行抗硫化物應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂（SSC）試驗(yàn)。36CrNiMo4和4130H兩種材質(zhì)鉆桿的抗SSC試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表7。

表7 36CrNiMo4和4130H兩種材質(zhì)鉆桿的抗SSC試驗(yàn)結(jié)果 h

從表7可以看出：兩種材質(zhì)鉆桿因強(qiáng)度過(guò)高，均在很短時(shí)間內(nèi)斷裂，不適合在含硫環(huán)境中應(yīng)用；但相比之下，36CrNiMo4材質(zhì)鉆桿的抗SSC性能明顯低于4130H材質(zhì)，而且隨著加載應(yīng)力水平的降低，4130H材質(zhì)鉆桿的抗SSC性能的優(yōu)越性越來(lái)越明顯。當(dāng)加載應(yīng)力為80%SMYS時(shí)，4130H材質(zhì)鉆桿的斷裂時(shí)間約為36CrNiMo4材質(zhì)的1.9倍；當(dāng)加載應(yīng)力為60%SMYS時(shí)，4130H材質(zhì)鉆桿的斷裂時(shí)間約為36CrNiMo4材質(zhì)的5.0倍。

研究表明：鋼在含H2S水溶液中的腐蝕屬于氫致開(kāi)裂型的應(yīng)力腐蝕，是陰極反應(yīng)析出的氫進(jìn)入鋼中并富集在某些關(guān)鍵部位引起的［14］。當(dāng) w（Ni）≤2%、硬度∧22 HRC時(shí)，含鎳鋼的抗SSC性能低于不含鎳鋼的原因是：含鎳鋼的析氫過(guò)電位低，促進(jìn)了陰極析氫，造成更多的氫進(jìn)入鋼中，使鋼中可擴(kuò)散氫的濃度增加，從而造成鋼的抗SSC性能下降。

3 結(jié) 論

（1）36CrNiMo4與4130H兩種材質(zhì)的氧腐蝕速率基本相同。

（2）36CrNiMo4材質(zhì)鉆桿的抗CO2腐蝕性能優(yōu)于4130H材質(zhì)。

（3）36CrNiMo4材質(zhì)鉆桿的抗硫化物應(yīng)力腐蝕性能明顯低于4130H材質(zhì)。

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