鉆桿用鋼腐蝕疲勞試驗(yàn)研究

李鶴林，宋余九，趙文軫

(1.中國(guó)石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院，石油管材及裝備材料服役行為與結(jié)構(gòu)安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室　陜西　西安　710077) (2.西安交通大學(xué)　陜西　西安　710049)

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·試驗(yàn)研究·

鉆桿用鋼腐蝕疲勞試驗(yàn)研究

李鶴林1，宋余九2，趙文軫2

(1.中國(guó)石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院，石油管材及裝備材料服役行為與結(jié)構(gòu)安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室陜西西安710077) (2.西安交通大學(xué)陜西西安710049)

摘要：通過(guò)對(duì)不同化學(xué)成分、組織狀態(tài)及鋼級(jí)的鉆桿材料在不同應(yīng)力集中程度下和典型環(huán)境介質(zhì)中腐蝕疲勞行為的研究，搞清了應(yīng)力集中、鉆桿鋼級(jí)及環(huán)境介質(zhì)與鉆桿腐蝕疲勞的關(guān)系，為鉆桿的合理選擇和使用提供了依據(jù)。

關(guān)鍵詞：鉆桿用鋼；腐蝕疲勞；應(yīng)力集中；環(huán)境介質(zhì)

0引言

鉆桿是石油鉆具的重要組成部分，服役條件惡劣。據(jù)統(tǒng)計(jì)，鉆桿失效70%左右是腐蝕疲勞引起。由于鉆桿早期失效造成的經(jīng)濟(jì)損失嚴(yán)重，國(guó)外對(duì)鉆桿用鋼及其加工處理工藝均有嚴(yán)格要求與規(guī)定。

我國(guó)石油鉆采工業(yè)發(fā)展較晚，所用鋼材除部分中、低強(qiáng)度鉆桿是國(guó)產(chǎn)鋼，其余都是進(jìn)口鋼材。結(jié)合我國(guó)情況對(duì)國(guó)產(chǎn)及進(jìn)口鉆桿用鋼的腐蝕疲勞進(jìn)行研究，提高鉆桿使用壽命，是發(fā)展我國(guó)石油天然氣所急需的工作，有重大的技術(shù)經(jīng)濟(jì)意義。

鉆桿用鋼的腐蝕疲勞研究?jī)?nèi)容有以下五個(gè)方面：

(1)綜合研究日本、德國(guó)、美國(guó)及國(guó)產(chǎn)鉆桿E75、G105、S135鋼級(jí)的腐蝕疲勞行為；

(2)載荷頻率、介質(zhì)溫度，溶解O2及CO2對(duì)鉆桿材料腐蝕疲勞行為的影響；

(3)試樣缺口應(yīng)力集中程度對(duì)腐蝕疲勞的影響；

(4)鉆桿用鋼在弱堿性介質(zhì)中的電化學(xué)行為；

(5)材料的微觀組織及試樣斷口分析。

2試驗(yàn)用鋼及試驗(yàn)條件

2.1試驗(yàn)用鋼

試樣從鉆桿上直接切取。試驗(yàn)用鉆桿鋼有五種：日本新日鐵的S135級(jí)、日本鋼管的G105級(jí)、法國(guó)的G105級(jí)、中國(guó)寶鋼的G105級(jí)、美國(guó)的E75。其化學(xué)成分及室溫拉伸性能分別列入表1。

2.2應(yīng)力集中對(duì)腐蝕疲勞影響試驗(yàn)

測(cè)定缺口應(yīng)力集中程度對(duì)腐蝕疲勞影響的試樣用國(guó)產(chǎn)35CrMo鋼，其化學(xué)成分如表2。以得到S.G.E三種強(qiáng)度級(jí)別為目標(biāo)，調(diào)整35CrMo鋼熱處理工藝，參數(shù)如表3。

缺口應(yīng)力集中試樣的確定：試樣尺寸12×24×90mm，缺口角度為90°、120°、162°，缺口根部半徑r=1mm，應(yīng)力集中系數(shù)3.14、2.84及1.74。

表1　試驗(yàn)用鉆桿鋼化學(xué)成分及拉伸性能

表2　35CrMo鋼化學(xué)成分

表3　35CrMo鋼熱處理制度

2.3腐蝕疲勞試驗(yàn)條件

(1)試樣尺寸：6.5×20×80 mm

(2)加載方式：三點(diǎn)彎曲法，R=1/3

(3)載荷頻率：5 Hz，0.5 Hz

(4)載荷波形：正弦波；

(5)腐蝕介質(zhì)：用3.5%NaCl水溶液加NaOH調(diào)pH值，使之達(dá)到弱堿性(pH=10～11)；介質(zhì)溫度，25℃及60℃；含飽和O2及CO2；

(6)裂紋長(zhǎng)度測(cè)定：用斷裂片法；

(7)試驗(yàn)機(jī)：Instron 1341及GD-2試驗(yàn)機(jī)。

2.4微觀組織及斷口分析

(1)大型金相顯微鏡MEF-3；

(2)200CX透射電鏡及35C掃描電鏡。

3試驗(yàn)結(jié)果

3.1低加載頻率和高加載頻率下的腐蝕疲勞試驗(yàn)結(jié)果

圖1　四種進(jìn)口鉆桿鋼室溫0.5Hz時(shí)的腐蝕疲勞裂紋擴(kuò)展曲線

圖2　二種進(jìn)口鋼介質(zhì)溫度60℃時(shí)的腐蝕疲勞裂紋擴(kuò)展曲線

圖3　NKK G105鋼介質(zhì)溫度25℃及60℃時(shí)的腐蝕疲勞裂紋擴(kuò)展曲線

圖4　四種進(jìn)口鋼在通入飽和的介質(zhì)中的腐蝕疲勞裂紋擴(kuò)展曲線

圖5　通入飽和CO2介質(zhì)裂紋擴(kuò)展曲線

(5)5 Hz時(shí)室溫下弱堿介質(zhì)腐蝕疲勞裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)結(jié)果如圖6～8。

圖6　寶鋼G105鋼在弱堿(c)及空氣(k)中的腐蝕疲勞裂紋擴(kuò)展曲線

圖7　國(guó)產(chǎn)鋼與進(jìn)口鋼腐蝕疲勞裂紋擴(kuò)展曲線比較

②國(guó)產(chǎn)G105鋼與NKK G105鋼腐蝕疲勞比較如圖7，國(guó)產(chǎn)鋼疲勞裂紋擴(kuò)展速率大于進(jìn)口鋼。

圖8　國(guó)產(chǎn)G105與進(jìn)口S135鋼的腐蝕疲勞裂紋擴(kuò)展曲線

③國(guó)產(chǎn)G105鋼與進(jìn)口S135鋼腐蝕疲勞比較如圖8，兩種鋼的裂紋擴(kuò)展速率幾乎相近，而且國(guó)產(chǎn)G105甚至較差。

④不同強(qiáng)度級(jí)別三種進(jìn)口鋼在5 Hz時(shí)室溫下弱堿介質(zhì)中的腐蝕疲勞裂紋擴(kuò)展如圖9，從曲線位置看到強(qiáng)度高的S135鋼裂紋擴(kuò)展速率最快；E75鋼最慢。

圖9　三種進(jìn)口鋼腐蝕疲勞裂紋擴(kuò)展曲線

圖10　曼內(nèi)斯曼G105鋼5 Hz及0.5 Hz時(shí)腐蝕疲勞裂紋擴(kuò)展曲線

表4　幾種鉆桿鋼的門(mén)檻值(Kth)

綜上所述五種不同強(qiáng)度級(jí)別、不同生產(chǎn)廠的鉆桿鋼腐蝕疲勞試驗(yàn)結(jié)果，可總結(jié)如下：

(1)在相同試驗(yàn)條件下鋼的強(qiáng)度越高，腐蝕疲勞性能下降越嚴(yán)重；

(2)強(qiáng)度級(jí)別相同的國(guó)產(chǎn)鋼與進(jìn)口鋼比較，腐蝕疲勞性能較低；

(3)提高介質(zhì)溫度加速了腐蝕疲勞；

(4)介質(zhì)中含有飽和溶解氧及CO2也加速了腐蝕疲勞；

(5)降低載荷頻率，增加腐蝕疲勞裂紋擴(kuò)展速率。

3.2試樣缺口應(yīng)力集中程度對(duì)腐蝕疲勞壽命的影響

(1)應(yīng)力集中程度與疲勞壽命(Nf)關(guān)系如圖11。隨缺口張開(kāi)角度(θ)的增大，應(yīng)力集中系數(shù)(Kt)降低，疲勞壽命增大。162°時(shí)疲勞壽命最高，90°時(shí)最低。高載荷時(shí)各種缺口的Nf值相差減小，低載荷時(shí)Nf差值增大，表明腐蝕作用增大。

(2)三種強(qiáng)度級(jí)別的試樣，在90°缺口時(shí)腐蝕疲勞壽命如圖12，材料強(qiáng)度不同低載荷時(shí)腐蝕疲勞壽命相差較大。

圖11　應(yīng)力集中程序?qū)Ωg疲勞壽命的影響

圖12　90°缺口試樣不同強(qiáng)度級(jí)別鋼的腐蝕疲勞壽命

3.3鉆桿鋼金相組織及腐蝕疲勞試樣斷口特點(diǎn)

(1)金相組織：四種鉆桿鋼的金相組織如表5，金相照片如圖13。

表5　鉆桿鋼金相組織

(2)腐蝕疲勞試樣斷口形貌：新日鐵S135鋼、寶鋼G105鋼及美國(guó)E75鋼試樣掃描電鏡斷口形貌如表6及圖14、15及圖16。

圖13　鉆桿鋼金相組織

圖14　新日鐵S135鉆桿鋼腐蝕疲勞試驗(yàn)斷口形貌

圖15　寶鋼G105鉆桿鋼腐蝕疲勞試驗(yàn)斷口形貌

圖16　美國(guó)E75鉆桿鋼腐蝕疲勞試驗(yàn)斷口形貌

G105鋼掃描電鏡斷口分析結(jié)果與S135鋼相似，低ΔK區(qū)是穿晶斷裂，隨ΔK值增大沿晶斷增多，高ΔK區(qū)時(shí)腐蝕作用減少，最后以穿晶斷裂結(jié)束疲勞過(guò)程。

升高介質(zhì)溫度，介質(zhì)中含飽和氧或CO2，均加速了腐蝕過(guò)程，使出現(xiàn)沿晶斷現(xiàn)象向低ΔK區(qū)移動(dòng)。沿晶斷現(xiàn)象是氫脆機(jī)制的表現(xiàn)，說(shuō)明高強(qiáng)度鉆桿鋼在pH=10～11介質(zhì)中仍以氫脆機(jī)制為主，陽(yáng)極溶解為輔。

表6　三種鉆桿腐蝕疲勞試樣斷口形貌

E75鋼的腐蝕疲勞斷口與前兩者不同，是以穿晶斷為主，斷口上未發(fā)現(xiàn)沿晶斷現(xiàn)象。之所以如此是因?yàn)椴牧蠌?qiáng)度低，氫脆敏感性小所致。

3結(jié)論

2)載荷頻率對(duì)腐蝕疲勞有重要影響，頻率降低，腐蝕疲勞裂紋擴(kuò)展速率加快。升高介質(zhì)溫度，介質(zhì)中含飽和O2或CO2都促進(jìn)腐蝕疲勞過(guò)程。

3)應(yīng)力集中嚴(yán)重影響鉆桿的腐蝕疲勞行為。應(yīng)力集中系數(shù)增大，腐蝕疲勞壽命降低，載荷越低，這種影響越大。強(qiáng)度越高，應(yīng)力集中對(duì)腐蝕疲勞壽命的降低越嚴(yán)重，而載荷越低，這種影響越大。

4)鉆桿上先期形成的點(diǎn)蝕坑對(duì)其疲勞壽命有較大影響，點(diǎn)蝕坑越深，對(duì)疲勞壽命的降低越顯著。

( 本文系1995年12月完成的中國(guó)石油天然氣總公司科研項(xiàng)目“鉆桿腐蝕疲勞試驗(yàn)研究”的研究報(bào)告之一。)

Study on Corrosion Fatigue Properties of Drill Pipe Steel

LI Helin1， SONG Yujiu2，ZHAO Wenzhen2

(1.CNPCTubularGoodsResearchInstitute,StateKeyLaboratoryforPerformanceandStructureSafetyofPetroleumTubularGoodsandEquipmentMaterials,Xi′an,Shaanxi710077,China；2.Xi′anJiaotongUniversity，Xi′an,Shaanxi710049，China)

Abstract：Under different stress concentration degrees and ambient mediums, the corrosion fatigue behaviors of drill pipe steel with different chemical compositions，micro-structures，and grades are studied. The relationship between corrosion fatigue and stress concentration, steel grade and ambient medium is made clear. The research can provide basis for the selection and use of drill pipe properly.

Key words：drill pipe steel； corrosion fatigue； stress concentration； ambient medium

(收稿日期：2016-03-01編輯：馬小芳)

中圖法分類(lèi)號(hào)：TE921

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：2096-0077(2016)02-0022-06

第一作者簡(jiǎn)介：李鶴林，男，1937年生，中國(guó)工程院院士，1961年畢業(yè)于西安交通大學(xué)，現(xiàn)主要從事石油管的工程應(yīng)用與應(yīng)用基礎(chǔ)研究。E-mail:lihelin@cnpc.com.cn