N80鋼級(jí)3Cr耐蝕套管點(diǎn)腐蝕分析

豐振軍，聶向暉，王高峰，劉迎來(lái)，許彥，李亮

N80鋼級(jí)3Cr耐蝕套管點(diǎn)腐蝕分析

豐振軍1，2，聶向暉1，2，王高峰1，2，劉迎來(lái)1，2，許彥1，2，李亮1，2

（1.中國(guó)石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院，陜西西安710065；2.北京隆盛泰科石油管科技有限公司，北京100101）

采用宏觀分析、金相分析、能譜分析、掃描電鏡分析等方法，研究了N80鋼級(jí)3Cr耐蝕套管的點(diǎn)腐蝕現(xiàn)象。研究表明：螺紋齒面發(fā)生了點(diǎn)腐蝕，該點(diǎn)腐蝕屬于氧腐蝕，溶解氧是造成接箍腐蝕的主要原因，溶解氧來(lái)源于接箍與保護(hù)器螺紋嚙合面的殘留水，Cl-的存在加快了點(diǎn)腐蝕的速度。建議現(xiàn)場(chǎng)改善套管的存儲(chǔ)環(huán)境或根據(jù)工況選用耐蝕性好的材料。

耐蝕套管；點(diǎn)腐蝕；螺紋；溶解氧

在實(shí)際服役過(guò)程中，套管常常遭受介質(zhì)的腐蝕破壞，點(diǎn)腐蝕是其中最嚴(yán)重的破壞形態(tài)之一。由于點(diǎn)腐蝕是一種隱蔽性較強(qiáng)、危險(xiǎn)性很大的局部腐蝕，一旦產(chǎn)生很可能成為應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂和腐蝕疲勞的根源［1-4］。同時(shí)，由于點(diǎn)腐蝕的存在，管體內(nèi)表面呈現(xiàn)多孔形態(tài)，可對(duì)管材整體力學(xué)性能產(chǎn)生較大的影響［5-8］，高溫、高壓、高礦化度和高含水率（富含CO2、H2S和Cl-等）［9-11］，這些因素及其交互作用的影響，使得套管腐蝕嚴(yán)重。

為了找出造成N80鋼級(jí)3Cr耐蝕套管內(nèi)螺紋銹蝕、部分牙頂缺失等現(xiàn)象的原因，通過(guò)對(duì)腐蝕部位取樣，運(yùn)用掃描電鏡、金相檢驗(yàn)和能譜分析等試驗(yàn)方法，對(duì)其進(jìn)行分析研究，并找到了解決方法。

1 宏觀分析

現(xiàn)場(chǎng)出廠時(shí)沿平行于接箍軸向解剖該套管，用煤油清洗螺紋脂，接箍端螺紋表面呈亮黃色，其表面未見(jiàn)異常；現(xiàn)場(chǎng)端螺紋表面呈黑褐色銹蝕形貌。仔細(xì)觀察螺紋表面，現(xiàn)場(chǎng)端螺紋齒頂和齒底部有大量的呈孤立彌散或聚集分布的點(diǎn)蝕坑，且接箍螺紋一端腐蝕較為嚴(yán)重，另一端腐蝕相對(duì)較輕。局部銹蝕較為嚴(yán)重的區(qū)域，螺紋齒頂金屬不連續(xù)，齒底明顯凹陷，附近鍍銅層也已脫落。

2 理化試驗(yàn)

2.1 化學(xué)成分分析

從N80鋼級(jí)3Cr耐蝕套管管體上取化學(xué)分析試樣，在ARL 4460直讀光譜儀上，按照ASTM A 751—2014《鋼制品化學(xué)分析標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法、試驗(yàn)操作和術(shù)語(yǔ)》，在室溫條件下進(jìn)行化學(xué)分析試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 N80鋼級(jí)3Cr耐蝕套管化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）%

2.2 夏比沖擊試驗(yàn)

以N80鋼級(jí)3Cr耐蝕套管壁厚中心為試樣中心線(xiàn)，沿橫向取夏比V型缺口沖擊試樣，在PIT302D型試驗(yàn)設(shè)備上，按照ASTM E 23—2012c《金屬材料缺口試樣標(biāo)準(zhǔn)沖擊試驗(yàn)方法》，在0℃條件下進(jìn)行夏比沖擊試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 N80鋼級(jí)3Cr耐蝕套管夏比沖擊性能試驗(yàn)結(jié)果

2.3 拉伸試驗(yàn)

以N80鋼級(jí)3Cr耐蝕套管壁厚中心為試樣中心線(xiàn)，沿縱向取Φ8.9 mm×35 mm的圓棒拉伸試樣，在UTM 5305型電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上，按照ASTM A 370—2013《鋼制品力學(xué)性能試驗(yàn)方法及定義》標(biāo)準(zhǔn)，在室溫條件下進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 N80鋼級(jí)3Cr耐蝕套管拉伸性能試驗(yàn)結(jié)果

3 組織分析

取金相試樣，在MeF3A型金相顯微鏡上進(jìn)行金相分析。N80鋼級(jí)3Cr耐蝕套管試樣的金相組織形貌如圖1所示。試樣基體組織為回火索氏體，內(nèi)表面有多處腐蝕坑，腐蝕坑周?chē)M織同其基體無(wú)異常。

圖1 N80鋼級(jí)3Cr耐蝕套管試樣的金相組織形貌

4 能譜分析

找一個(gè)腐蝕特征較為明顯的、帶有腐蝕坑的試樣，對(duì)其進(jìn)行電鏡低倍形貌掃描。腐蝕坑腐蝕形貌如圖2所示，腐蝕坑掃描電鏡形貌如圖3所示。對(duì)圖3所示的腐蝕坑進(jìn)行X射線(xiàn)能譜分析，圖3中譜圖1的掃描分析譜線(xiàn)如圖4所示，其腐蝕產(chǎn)物主要由Fe、Cr、Cl、O、C、Si、Cu和S等元素組成，X射線(xiàn)能譜半定量分析結(jié)果見(jiàn)表4。根據(jù)接箍存放環(huán)境推測(cè)，在腐蝕產(chǎn)物中C和S元素可能主要來(lái)源于螺紋表面涂敷的螺紋脂，Cu元素來(lái)源于螺紋表面的鍍銅層。

圖2 腐蝕坑腐蝕形貌

圖3 腐蝕坑掃描電鏡形貌

圖4 圖3中譜圖1的掃描分析譜線(xiàn)

在裂紋附近取一個(gè)帶有明顯腐蝕特征腐蝕坑的試樣，裂紋附近腐蝕形貌如圖5所示，對(duì)其進(jìn)行電鏡掃描。裂紋附近點(diǎn)蝕坑掃描電鏡形貌如圖6所示。從圖6可以看出：腐蝕坑底部?jī)?nèi)有大量灰色塊狀物質(zhì)，對(duì)其進(jìn)行X射線(xiàn)能譜半定量分析，結(jié)果見(jiàn)表5。從表5可以看出：灰色塊狀物質(zhì)主要是鐵的氯化物，圖6中譜圖5的掃描分析譜線(xiàn)如圖7所示，灰色物質(zhì)主要由Fe、Cl和O等元素組成。

表4 圖3中譜圖1的X射線(xiàn)能譜半定量分析結(jié)果

圖5 裂紋附近腐蝕形貌

圖6 裂紋附近點(diǎn)蝕坑掃描電鏡形貌

表5 圖6中譜圖5的X射線(xiàn)能譜半定量分析結(jié)果

5 試驗(yàn)分析

據(jù)該接箍宏觀形貌可知，其表面進(jìn)行過(guò)鍍銅處理，但通過(guò)掃描電鏡X射線(xiàn)能譜分析等試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)接箍現(xiàn)場(chǎng)端螺紋表面腐蝕坑處試樣上有Cl和O元素的富集產(chǎn)物存在。將出廠時(shí)的接箍清洗干凈，從外觀看，其螺紋原有的齒面鍍銅色保持良好，無(wú)明顯的損傷特征，這一方面說(shuō)明了接箍初始涂敷的螺紋脂在其存放階段有效地發(fā)揮了保護(hù)作用；另一方面，可排除原螺紋脂對(duì)該接箍螺紋造成明顯腐蝕損傷的可能性。

圖7 圖6中譜圖5的掃描分析譜線(xiàn)

所以，該接箍現(xiàn)場(chǎng)端產(chǎn)生螺紋腐蝕的現(xiàn)象只會(huì)發(fā)生在接箍庫(kù)存階段。接箍經(jīng)入庫(kù)檢測(cè)后，現(xiàn)場(chǎng)涂敷了螺紋儲(chǔ)存脂，并安裝了接箍螺紋保護(hù)器，在正常情況下，外界腐蝕介質(zhì)是很難直接進(jìn)入螺紋與保護(hù)器螺紋嚙合面的，而該接箍存在大量的彌散或聚集分布的點(diǎn)蝕坑，這說(shuō)明其接箍現(xiàn)場(chǎng)端螺紋與螺紋保護(hù)器螺紋嚙合面可能存在腐蝕介質(zhì)，比如有Cl和O元素存在，這些腐蝕介質(zhì)致使其在存放階段發(fā)生了點(diǎn)腐蝕［12-15］。

若接箍現(xiàn)場(chǎng)端螺紋清洗不干凈，螺紋表面存在殘留物；環(huán)境空氣濕度大，空氣中含鹽的水汽在金屬表面凝聚；二次涂敷的螺紋儲(chǔ)存脂質(zhì)量純度不高，攜帶有少量的水份或鹽份雜質(zhì)時(shí)，上述三種情況都可能成為造成螺紋表面產(chǎn)生點(diǎn)腐蝕的介質(zhì)來(lái)源。接箍螺紋與螺紋保護(hù)器螺紋嚙合面一旦存在含有Cl-的水合物，其表面就極易發(fā)生點(diǎn)腐蝕。因?yàn)镃l-能破壞鋼鐵表面的鈍化膜，接箍螺紋與螺紋保護(hù)器螺紋的嚙合面存在殘留水，其殘留水份中的溶解氧就會(huì)不斷地進(jìn)入腐蝕膜內(nèi)，在孔內(nèi)外形成氧濃差電池，加速了孔內(nèi)不斷產(chǎn)生Fe2+，孔外Cl-向孔內(nèi)遷移，孔內(nèi)氯化物濃縮水解使孔內(nèi)pH值降低，加速金屬的溶解，使點(diǎn)蝕持續(xù)擴(kuò)展，從而在接箍上形成點(diǎn)蝕和局部腐蝕。另外，螺紋表面鍍銅膜與基體金屬存在較大的電位差，在腐蝕介質(zhì)存在時(shí)，疏松的表面鍍銅膜也會(huì)因原電池效應(yīng)加速螺紋齒面的點(diǎn)腐蝕進(jìn)度。

6 結(jié)論

（1）N80鋼級(jí)3Cr耐蝕套管螺紋齒面發(fā)生了點(diǎn)腐蝕，該點(diǎn)腐蝕屬于氧腐蝕，溶解氧是造成接箍腐蝕的主要原因，溶解氧來(lái)源于接箍與保護(hù)器螺紋嚙合面的殘留水，Cl-的存在加快了點(diǎn)腐蝕的速度。

（2）建議現(xiàn)場(chǎng)改善N80鋼級(jí)3Cr耐蝕套管存儲(chǔ)環(huán)境或根據(jù)工況選用耐蝕性好的接箍材料。

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Analysis of Pitting Corrosion on N80 3Cr Anti-corrosion Casing

FENG Zhenjun1，2，NIE Xianghui1，2，WANG Gaofeng1，2，LIU Yinglai1，2，XU Yan1，2，LI Liang1，2
（1.CNPC Tubular Goods Research Institute，Xi’an 710065，China；2.Beijing Longshine Oil Tubular Technology Co.，Ltd.，Beijing 100101，China）

Analyzed in the paper is the pitting corrosion on N80 3Cr anti-corrosion casing by means of macroscopic analysis，metallographic analysis，energy specetum analysis and SEM analysis.The analysis results show that the pitting corrosion occurred on the thread belongs to oxygen corrosion.Corrosion of a coupling is mainly caused by dissolved oxygen from the residual water on the gearing face in between the coupling and the protector，and the speed of pitting corrosion is accelerated with the presence of Cl-.It is suggested to improve the field storage environment or select materials with good corrosion resistance according to the working condition.

anti-corrosion casing；pitting corrosion；thread；dissolved oxygen

TG113.23+1；TE931+.2

B

1001-2311（2016）05-0060-04

2016-04-22；修定日期：2016-05-24）

豐振軍（1982-），男，工學(xué)碩士，工程師，從事油氣輸送管及油井管性能研究工作。