基于雙相不銹鋼的膨脹管試驗(yàn)研究

楊曉莉

（中國石油技術(shù)開發(fā)公司，北京100028）

基于雙相不銹鋼的膨脹管試驗(yàn)研究

楊曉莉

（中國石油技術(shù)開發(fā)公司，北京100028）

針對常規(guī)膨脹管抗外壓能力低，耐H2S腐蝕性能差等問題開展了雙相不銹鋼材料特性研究，并進(jìn)行了不同壁厚管材膨脹、抗外壓試驗(yàn)與耐H2S腐蝕測試。結(jié)果表明：雙相不銹鋼材料強(qiáng)塑性較高，屈強(qiáng)比合適，可以作為膨脹管材料；在干摩擦條件下雙相不銹鋼管材膨脹壓力在35～40mPa，高于現(xiàn)用20 G材料10%左右，但是雙相不銹鋼管材膨脹后抗外壓強(qiáng)度大于25mPa，耐H2S腐蝕速率0．021mm／a，明顯優(yōu)于碳鋼材料，能夠滿足高壓、高腐蝕井套管補(bǔ)貼需要。

膨脹管；雙相不銹鋼；H2S腐蝕；試驗(yàn)

膨脹管管材是制約膨脹管技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一［1-3］，膨脹管要在井筒中發(fā)生塑性變形后徑向膨脹，還要在嚴(yán)酷的井底環(huán)境中長期服役，這些都對膨脹管管材的選用提出了很高的要求。常規(guī)膨脹管材屬碳素結(jié)構(gòu)鋼，脹后強(qiáng)度弱，耐腐蝕性差，使用壽命降低。近年來，雙相不銹鋼材料的開發(fā)和應(yīng)用極為迅速，憑借著其兼有鐵素體不銹鋼和奧氏體不銹鋼的優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)逐步取代304L、316L等奧氏體不銹鋼，目前在石油工業(yè)中也得到廣泛應(yīng)用。開展雙相不銹鋼膨脹管材研究，對于提高膨脹管脹后力學(xué)性能與使用壽命具有重要的現(xiàn)實(shí)意義［4-5］。

本文研究了雙相不銹鋼管材的性能特點(diǎn)，并進(jìn)行了膨脹試驗(yàn)，抗外壓試驗(yàn)以及耐H2S腐蝕測試。結(jié)果表明，與常規(guī)膨脹管材相比，雙相不銹鋼會(huì)導(dǎo)致膨脹力增加10%，但是脹后強(qiáng)度與耐腐蝕性能卻有較大幅度提升。

1 雙向不銹鋼特點(diǎn)

現(xiàn)場應(yīng)用的膨脹管材料應(yīng)該具有較為優(yōu)良的綜合力學(xué)性能，既具有一定的強(qiáng)度又具有一定的塑性，即強(qiáng)塑性較高，屈強(qiáng)比合適。雙相不銹鋼屈服強(qiáng)度明顯高于普通碳鋼，且具有成型需要的塑韌性。同時(shí)其主要合金元素是Cr、Ni、m o和N，對晶間腐蝕不敏感，有良好的耐點(diǎn)蝕、耐應(yīng)力腐蝕性能。特別是在介質(zhì)環(huán)境比較惡劣（如H2S、C O2、Cl－含量較高）的條件下，其抗點(diǎn)蝕、縫隙腐蝕及應(yīng)力腐蝕等性能明顯優(yōu)于其他不銹鋼管材。

為進(jìn)一步研究雙相不銹鋼作為膨脹管材的可靠性，本文通過試驗(yàn)，對比分析了20 G管材與雙相不銹鋼管材的膨脹壓力，抗外壓強(qiáng)度以及抗H2S腐蝕性能，材料力學(xué)性能如表1所示。

表1 管材技術(shù)參數(shù)

2 試驗(yàn)與討論

根據(jù)現(xiàn)場應(yīng)用統(tǒng)計(jì)，在用的膨脹管管材壁厚通常在4～8mm，膨脹率5%～12%，為使試驗(yàn)結(jié)果更具有代表性，本文選用112mm×6mm、112mm×8mm（外徑×壁厚）兩種型號管材，材料分別為20 G與雙相不銹鋼，膨脹錐最大外徑108mm，獲得膨脹率分別為8%與12．5%。膨脹管與膨脹錐之間為干摩擦，接觸狀態(tài)如圖1所示，膨脹錐依靠液力推動(dòng)實(shí)現(xiàn)膨脹管的定徑膨脹。

圖1 膨脹管膨脹試驗(yàn)原理

2．1 膨脹試驗(yàn)

圖2為膨脹力變化過程，其中試件1～4分別對應(yīng)2種規(guī)格的20 G膨脹管與雙相不銹鋼膨脹管。

可以看出，在不同壁厚與膨脹率條件下，雙相不銹鋼管的膨脹壓力都在40m Pa以內(nèi)，比常用的20 G膨脹管的膨脹壓力高10%～15%，但是仍在安全作業(yè)范圍以內(nèi)，同時(shí)隨著壁厚降低，雙相不銹鋼管膨脹壓力的降低幅度遠(yuǎn)大于20 G管材，由于試驗(yàn)未使用潤滑介質(zhì)，膨脹壓力偏高。

圖2 不同膨脹管的膨脹壓力變化曲線

表2 抗外壓試驗(yàn)數(shù)據(jù)

常用膨脹管管材脹后單位長度抗外壓能力通常不超過16mPa，圖4為屈服的20 G膨脹管。而雙相不銹鋼管材在25mPa外壓條件下保壓20min無任何泄漏，表現(xiàn)出良好的抗外壓性能。

圖4 屈服的20 G膨脹管

2．3 耐腐蝕試驗(yàn)

將脹后膨脹管試片置于H2S濃度為30 000mg／m3中，10 h后取出試片，清洗處理后稱重計(jì)算腐蝕速率，即單位時(shí)間內(nèi)單位面積上的質(zhì)量變化。式（1）為腐蝕速率計(jì)算公式［6-7］。式中：Δ w為掛片失重，g；Δ wo為清洗腐蝕產(chǎn)物時(shí)的空白掛片失重，g；S為掛片腐蝕面積，cm2；t為腐蝕時(shí)間，h；ρ為材料密度，g／cm3

圖5為不同編號的管材試片腐蝕形貌，可以看出試件1與試件3表面腐蝕產(chǎn)物呈黃褐色，局部地區(qū)出現(xiàn)點(diǎn)蝕，在清洗的過程中雜質(zhì)比較難清除，腐蝕產(chǎn)物與基體結(jié)合牢固；而試件2與試件4表面比較平整，無明顯腐蝕坑產(chǎn)生。經(jīng)計(jì)算，20 G材料的腐蝕速率達(dá)到0．1 191mm／a，按照S Y／T0087—1995標(biāo)準(zhǔn)已達(dá)到中等腐蝕程度，而雙相不銹鋼材料的腐蝕速率僅為0．021mm／a，表現(xiàn)出良好的抗H2S腐蝕性能。

圖5 試片在　H2S環(huán)境下腐蝕形貌

3 結(jié)論

1） 膨脹管材料性能是制約該技術(shù)發(fā)展的重要因素。目前常用的碳鋼材料存在脹后強(qiáng)度弱、抗腐蝕能力差等問題。

2） 雙相不銹鋼的強(qiáng)塑性較高，屈強(qiáng)比合適，適合作為膨脹管管材。

3） 通過6mm、8mm壁厚管材膨脹試驗(yàn)，雙相不銹鋼管材膨脹壓力高于現(xiàn)用20g管材10%左右，但是其脹后抗外壓強(qiáng)度達(dá)到25mPa，明顯高于普通碳鋼。

4）在H2S濃度為30 000mg／m3的腐蝕環(huán)境中，雙相不銹鋼的腐蝕速率明顯低于碳鋼材料，其表面無明顯腐蝕坑產(chǎn)生。

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Experimental Study of Solid Expandable Tubular Based on the Duplex Stainless Steel

YANG Xiaoli
（China PetroleumTechnology and Development Com pany，Beijing100028，China）

the conventional expandable tubular was weak in itsmechanical strength and anti corrosion ability after expansion，in view of these problems the duplex stainless steel was studied and experiments such as expansion，collapse and H2S corrosion were carried．T he results dem onstrated that the duplex stainless steel an option for the expandable tubular due to its high collapse strength and ductile ability；the duplex stainless steel demanded an expansion force of 35mPa—40mPa，w hich was higher than the requirement of 20 G，however the duplex stainless steel tubular after expansion delivered bettermechanical strength and anti-H2S corrosion，good choice for the high pressure and high corroding well．

expandable tubular；the duplex stainless steel；H2S corrosion；test

T E931．207

A

10．3969／j．issn．1001-3842．2015．05．009

2014-11-17

楊曉莉（1981-），女，山東人，2003年畢業(yè)于天津大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，主要從事石油物資裝備出口管理，E-mail：euphoria1934＠aliyun．com。