不同腐蝕條件下L360鋼慢應(yīng)變速率拉伸性能分析

侯 鐸,曾 鐘,唐孝華,唐 佳,張志東

(1. 西南石油大學(xué) 油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 四川 成都 610500;2.中石油川慶鉆探工程公司安全環(huán)保質(zhì)量監(jiān)督檢測研究院 四川 廣漢 618300)

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不同腐蝕條件下L360鋼慢應(yīng)變速率拉伸性能分析

侯 鐸1,曾 鐘2,唐孝華2,唐 佳1,張志東2

(1. 西南石油大學(xué) 油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 四川 成都 610500;2.中石油川慶鉆探工程公司安全環(huán)保質(zhì)量監(jiān)督檢測研究院 四川 廣漢 618300)

利用慢應(yīng)變速率拉伸法研究了L360鋼在NACE 0177—2005標(biāo)準(zhǔn)A溶液、模擬地層水兩種腐蝕環(huán)境中的慢應(yīng)變速率拉伸性能，運(yùn)用掃描電鏡SEM分析L360鋼在兩種腐蝕介質(zhì)中的裂紋擴(kuò)展規(guī)律及其斷口形貌特征。綜合分析A溶液、模擬地層水與空氣中的慢應(yīng)變拉伸實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，L360鋼抗拉強(qiáng)度在A溶液和模擬地層水中分別衰減3.1%和12.1%，斷后延伸率分別降低48.3%和69.2%，慢應(yīng)變速率拉伸過程中發(fā)生形變、開裂直至斷裂破壞所吸收的應(yīng)變能分別降低47.5%和75.9%，說明L360鋼在兩種腐蝕介質(zhì)中抵抗環(huán)境腐蝕和載荷沖擊的能力均明顯下降，在模擬地層水中具有較高的SCC敏感性。

石油管 慢應(yīng)變速率拉伸 力學(xué)性能 應(yīng)力腐蝕敏感性 裂紋擴(kuò)展

石油管現(xiàn)場服役工況復(fù)雜，管道鋼在各種腐蝕介質(zhì)中服役時(shí)存在應(yīng)力腐蝕開裂(SCC)風(fēng)險(xiǎn)，造成管材使用壽命大大降低、甚至發(fā)生開裂、失效等重大安全事故[1-3]。目前，對石油管L360鋼在服役環(huán)境中應(yīng)力腐蝕開裂性能進(jìn)行了大量研究，李挺等[2]15利用靜態(tài)掛片質(zhì)量損失法研究含H2S/CO2模擬油田水溶液中溫度及Cl-質(zhì)量濃度對L360管線鋼點(diǎn)蝕的影響，發(fā)現(xiàn)在40～70 ℃，Cl-質(zhì)量濃度為10 g/L時(shí)，L360鋼點(diǎn)蝕程度隨溫度增高而增大。蔣秀等[4]通過模擬實(shí)驗(yàn)研究L360抗硫鋼在S沉積環(huán)境且NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.5%時(shí)的腐蝕行為，研究表明:S的沉積導(dǎo)致L360鋼發(fā)生均勻腐蝕和小孔腐蝕，且使均勻腐蝕速率增加約50倍。該文通過研究各種工況條件下L360鋼使用性能的損傷特性，測試L360鋼在A溶液和模擬地層水兩種腐蝕環(huán)境中的慢應(yīng)變速率拉伸(SSRT)性能，實(shí)驗(yàn)確

定L360鋼在這兩種腐蝕介質(zhì)中力學(xué)性能的損傷情況，運(yùn)用顯微分析觀察其裂紋擴(kuò)展規(guī)律及斷口形貌特性，對L360鋼的SCC敏感性進(jìn)行綜合評判。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

實(shí)驗(yàn)選用L360管線鋼，使用LF-100-201-V-304含硫高溫高壓慢應(yīng)變速率拉伸試驗(yàn)機(jī)，拉伸速率為3.5×10-4mm/s，實(shí)驗(yàn)腐蝕介質(zhì)：標(biāo)準(zhǔn)A溶液(NACE 0177—2005，1L溶液的配制方法為50 g 氯化鈉、5 g冰乙酸溶于945 g去離子水，pH值2.6～2.8)和某氣田模擬地層水，具體離子含量及配制方法見表1和表2。實(shí)驗(yàn)前腐蝕介質(zhì)進(jìn)行不少于1 h的除氧操作，試樣安裝在慢拉伸試驗(yàn)機(jī)后繼續(xù)除氧30 min，當(dāng)溫度、壓力達(dá)到實(shí)驗(yàn)條件后，開始實(shí)驗(yàn)。試樣斷裂后，立即用掃描電子顯微鏡(SEM)觀察斷口形貌特征。

表1 某氣田模擬地層水離子質(zhì)量濃度 g/L

表2 模擬地層水配制方法

2 結(jié)果與討論

2.1 SSRT實(shí)驗(yàn)結(jié)果

L360鋼在兩種腐蝕介質(zhì)中的慢拉伸實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表3，應(yīng)力-應(yīng)變曲線見圖1。由表3可知，L360鋼在A溶液和模擬地層水中均存在應(yīng)力腐蝕敏感性，抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度均有所降低；塑性性能明顯降低，體現(xiàn)為延伸率和斷面收縮率急劇減小。其中抗拉強(qiáng)度在A溶液時(shí)降幅為3.1%，在模擬地層水中降幅為12.1%，遠(yuǎn)大于在A溶液中的降低幅度。A溶液中延伸率降低48.3%，模擬地層水中延伸率降低69.2%，同樣遠(yuǎn)大于在A溶液中的降低幅度，表明L360鋼在模擬地層水中的SCC敏感性較高。利用式(1)計(jì)算L 360鋼在兩種腐蝕環(huán)境中的應(yīng)變能密度：

(1)

式中：Vε為應(yīng)變能密度，J/m3；σ為應(yīng)力，MPa；ε為應(yīng)變，%；D為應(yīng)力-應(yīng)變曲線與坐標(biāo)軸圍成的面積，m2。

應(yīng)力-應(yīng)變積分的物理意義為外力在拉伸過程中對試樣所做的功，也是試樣在發(fā)生形變和斷裂過程中吸收的能量，此能量的消耗一部分用在以滑移或?qū)\生為主的形變功上，并以熱量的形式傳遞到環(huán)境中，另一部分儲(chǔ)存在材料內(nèi)部高密度位錯(cuò)中[5]。該能量的大小可以直觀的用應(yīng)力-應(yīng)變曲線與坐標(biāo)軸圍成的面積表示。當(dāng)試樣發(fā)生SCC時(shí)，在腐蝕介質(zhì)中的應(yīng)力-應(yīng)變曲線與坐標(biāo)軸圍成的面積遠(yuǎn)小于試樣在標(biāo)準(zhǔn)拉伸下曲線與坐標(biāo)軸圍成的面積[6]，根據(jù)石油管L360鋼應(yīng)力-應(yīng)變曲線下方面積的變化特征及式(1)，計(jì)算得出應(yīng)變能密度。

計(jì)算結(jié)果表明：在A溶液中，L360鋼應(yīng)變能密度為80.23×106J/m3，降低幅度為47.5%；在模擬地層水中，L360鋼應(yīng)變能密度為36.79×106J/m3，降低幅度為75.9%，其降低幅度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于A溶液，表明L360鋼在模擬地層水中斷裂所需能量小于在A溶液中吸收的能量，進(jìn)一步說明L360鋼在模擬地層水中抵抗應(yīng)力腐蝕開裂的能力遠(yuǎn)低于在A溶液中的能力。

表3 L360鋼SSRT實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算結(jié)果

圖1 不同腐蝕介質(zhì)下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

2.2 敏感性分析

由表3和圖1可知，L360鋼在A溶液和模擬地層水這兩種腐蝕介質(zhì)中存在SCC敏感性。其敏感性的高低可用試樣在腐蝕環(huán)境中性能的測試結(jié)果與在惰性環(huán)境(空氣中)測試結(jié)果的比值來評定，即

(2)

比值較1偏離的越遠(yuǎn)，SCC敏感性越高。

表4是敏感性計(jì)算結(jié)果，由表4可知，L360鋼在模擬地層水中每個(gè)參數(shù)的比值都比A溶液中的比值較1偏離的更遠(yuǎn)，其中應(yīng)變能和延伸率這兩個(gè)參數(shù)的比值體現(xiàn)最為明顯。在A溶液中，應(yīng)變能比值為0.52，模擬地層水中應(yīng)變能比值為0.24，在模擬地層水中的偏離幅度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于在A溶液中的偏離幅度，敏感性越高；對于延伸率，在A溶液中比值為0.52，在模擬地層水中比值為0.31，其偏離幅度也遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于在A溶液中的偏離幅度。說明L360鋼在模擬地層水中的SCC敏感性最高，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于L360鋼在A溶液中的SCC敏感性。

表4 敏感性計(jì)算結(jié)果

注：表中所有的比值由公式(2)計(jì)算獲得。

2.3 斷口及裂紋形貌觀察

根據(jù)L360在空氣中斷口顯微形貌(見圖2)，斷口附近出現(xiàn)明顯的頸縮現(xiàn)象，微觀斷口形貌呈現(xiàn)明顯的等軸韌窩，局部韌窩壁上有蛇形滑移特征，呈現(xiàn)典型的韌性斷裂特征。表明L360鋼在空氣環(huán)境下的SSRT實(shí)驗(yàn)中伴隨著大量的塑性變形，當(dāng)應(yīng)力超過材料的屈服強(qiáng)度后，材料開始發(fā)生塑性變形，在材料內(nèi)部夾雜物、析出相、晶界或亞晶界等地方發(fā)生位錯(cuò)塞積，產(chǎn)生應(yīng)力集中，進(jìn)而形成顯微孔洞，且隨著形變增加，顯微孔洞增大且相互吞并，最后發(fā)生頸縮和斷裂[7-8]。

圖2 在空氣中斷口顯微形貌(頸縮+韌性斷口)

圖3是L360鋼在A溶液中的SSRT斷口形貌，由圖3可見，當(dāng)試樣在A溶液中拉伸時(shí)，宏觀斷口附近無頸縮現(xiàn)象，斷口比較平齊，斷口微觀形貌出現(xiàn)準(zhǔn)解理特征，同時(shí)局部伴有少量微孔，呈現(xiàn)出脆性斷裂特征，應(yīng)力集中在微裂紋處，并沿特定的晶面擴(kuò)展、劈開，造成解理斷裂。表明塑韌性較好的L360鋼在A溶液SSRT中顯現(xiàn)出脆性斷裂特征，其塑韌性較標(biāo)準(zhǔn)拉伸時(shí)的塑韌性低；試樣發(fā)生脆性斷裂時(shí)，承受的工程應(yīng)力不超過試樣的屈服強(qiáng)度，可見在A溶液中L360鋼的強(qiáng)度有一定程度的降低。由此可見，L360鋼在A溶液中力學(xué)性能下降、塑性性能降低，具有一定的SCC敏感性。

圖3 在A溶液中的SSRT斷口形貌

圖4是L360鋼在模擬地層水中的SSRT斷口形貌，由圖4可見，當(dāng)試樣在模擬地層水中拉伸時(shí)，宏觀斷口齊平，微觀斷口出現(xiàn)河流花樣的形貌特征，表現(xiàn)為脆性斷裂。L360鋼在模擬地層水中發(fā)生脆性斷裂，其力學(xué)性能和塑性性能降低，且降幅大于在A溶液中的降幅，表明L360鋼在模擬地層水中的SCC敏感性更高。

綜上可知，L360鋼在A溶液(低壓酸性工況)和模擬地層水(高壓地層工況)均具有SCC敏感性，且在模擬地層水中的SCC敏感性高于在A溶液中的敏感性。

圖4 L360鋼在模擬地層水中的SSRT斷口形貌

3 結(jié) 論

(1)L360鋼在A溶液和模擬地層水這兩種腐蝕介質(zhì)中均存在應(yīng)力腐蝕開裂敏感性，且在模擬地層水中強(qiáng)度、塑性性能降幅較大，SCC敏感因子較高；

(2)根據(jù)SEM斷口形貌分析，L360鋼在A溶

液中斷口呈解理斷裂，在模擬地層水中為脆性斷裂；

(3)L360鋼在A溶液、模擬地層水兩種腐蝕介質(zhì)中，斷裂方式由韌性斷裂轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈詳嗔?，發(fā)生斷裂時(shí)的應(yīng)力遠(yuǎn)低于其自身屈服強(qiáng)度，斷裂時(shí)所需吸收的能量較低。說明材料在腐蝕環(huán)境中，由于腐蝕損傷，造成管材自身抵抗環(huán)境斷裂的能力減弱。

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(編輯 王維宗)

Analysis of SSRT Performance of L360 Steel Under Different Corrosive Conditions

HouDuo1,ZengZhong2,TangXiaohua2,TangJia1,ZhangZhidong2

(1.StateKeyLaboratoryofOilandGasReservoirGeologyandExploitation,SouthwestPetroleumUniversity,Chengdu610500，China;2.CNPCHSESupervisionandTestingInstitute,Guanghan618300,China)

The slow strain race test (SSRT) is applied to study the slow strain rate tensile properties of L360 steel in Solution A in NACE 0177-2005 standard and simulate the formation water under two different corrosive environments. The crack propagation law and fracture morphology of L360 steel in different corrosive environments are analyzed by scanning electron microscope (SEM). The analysis of solution A and simulation of SSRT of formation water have found that L360 steel’s tensile strength is reduced by 3.1% and 12.1% respectively in simulation solution A and formation water and the break elongation is reduced by 48.3% and 69.2%. The strain absorbed by formation change, cracking and fracture in the process of SSRT is lowered by 47.5%, and 75.9% respectively, which indicates that both the corrosion resistance and anti-impact performances of L360 steel in two corrosive media are obviously reduced, and has a higher SCC sensitivity in the simulated formation water.

oil pipeline, slow strain rate tensile (SSRT), mechanical properties, SCC sensitivity, crack propagation

2016-01-06；修改稿收到日期：2016-02-08。

侯鐸(1984-)，博士，長期從事石油管具設(shè)備安全評價(jià)及油氣田材料腐蝕防護(hù)研究工作。E-mail：dragon-duo@hotmail.com