不銹鋼管應(yīng)力腐蝕開裂的評(píng)價(jià)方法

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(1. 西安摩爾石油工程實(shí)驗(yàn)室股份有限公司，西安 710065； 2. 塔里木油田分公司 油氣工程研究院，庫爾勒 841000；3. 西安石油大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，西安 710065)

隨著高壓高溫、超高壓高溫井的不斷涌現(xiàn)，苛刻的井底服役環(huán)境迫切需要使用高強(qiáng)度耐蝕石油管材，如不銹鋼、鎳基合金和鈦合金完井管柱等。然而，API 5CT和NACE TM 0177標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于此類高強(qiáng)鋼抗應(yīng)力腐蝕開裂(SCC)性能的評(píng)價(jià)方法并沒有給出明確規(guī)定。目前，不銹鋼及其他合金管材在高溫高壓環(huán)境中的抗SCC性能評(píng)價(jià)方法多為四點(diǎn)彎曲法，但現(xiàn)場實(shí)踐表明，實(shí)驗(yàn)室評(píng)價(jià)結(jié)果顯示并未發(fā)生SCC的材料(如13Cr鋼)，在現(xiàn)場出現(xiàn)了大量的開裂或斷裂失效事故[1-2]。一方面，四點(diǎn)彎曲法不能反映管材實(shí)際表面狀態(tài)對其抗SCC性能的影響；另外，大多四點(diǎn)彎曲夾具采用鎳基合金(C276、G3等)制作而成，由于鎳基合金主要靠冷加工來提高強(qiáng)度，其在高溫高壓試驗(yàn)條件下存在強(qiáng)度衰減問題，可能導(dǎo)致加載應(yīng)力發(fā)生變化，因此四點(diǎn)彎曲法的準(zhǔn)確性有待進(jìn)一步研究。本工作通過腐蝕模擬試驗(yàn)驗(yàn)證采用NACE TM 0177標(biāo)準(zhǔn)中的B法、C法和D法三種方法評(píng)價(jià)不銹鋼抗SCC性能的適用性，以期為油田選材推薦合理的評(píng)價(jià)方法。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)方法

NACE TM 0177標(biāo)準(zhǔn)中的應(yīng)力腐蝕開裂評(píng)價(jià)方法包括恒載荷試驗(yàn)(A法)、彎梁試驗(yàn)(B法,也稱四點(diǎn)彎曲法)、C型環(huán)試驗(yàn)(C法)和雙懸臂梁(DCB)試驗(yàn)(D法)。本工作中，由于高溫高壓設(shè)備的局限性，高溫高壓應(yīng)力腐蝕開裂試驗(yàn)方法采用B法、C法和D法。

1.2 試驗(yàn)材料、試驗(yàn)條件及設(shè)備

試驗(yàn)材料選用超級(jí)13Cr馬氏體不銹鋼(以下簡稱超級(jí)13Cr不銹鋼)油管,尺寸為φ88.9 mm×6.45 mm，110 MPa鋼級(jí)。化學(xué)成分為：wC0.029%，wSi0.182%,wMn0.443%,wP0.015%,wS0.0003%,wNi5.374%,wCr12.691%,wMo2.280%。

抗SCC性能評(píng)價(jià)試驗(yàn)?zāi)M某油田苛刻生產(chǎn)工況，試驗(yàn)條件見表1。B法和C法中，試樣加載力水平為管材屈服強(qiáng)度的90%，D法加載位移δ取(0.51±0.02) mm(參照NACE TM 0177-2016標(biāo)準(zhǔn)中對C110管材的規(guī)定取值)，三種方法的試驗(yàn)時(shí)間均為720 h。

表1 試驗(yàn)條件Tab. 1 Test conditions

試驗(yàn)設(shè)備選用TFCZ5-35/250和TFCZ3-35/250型磁力驅(qū)動(dòng)反應(yīng)釜及C276四點(diǎn)彎曲夾具。為確定四點(diǎn)彎曲夾具鎳基合金C276在高溫高壓試驗(yàn)條件下是否存在強(qiáng)度衰減問題而導(dǎo)致加載應(yīng)力發(fā)生變化，采用有限元模擬方法進(jìn)行了分析研究。結(jié)果表明夾具本身的強(qiáng)度能夠滿足試驗(yàn)要求。

試驗(yàn)結(jié)束后將試樣表面用蒸餾水沖洗去除腐蝕介質(zhì)。用機(jī)械方法清理試樣表面腐蝕產(chǎn)物，采用體視顯微鏡(放大到10倍)觀察試樣表面是否有垂直于張應(yīng)力方向的裂紋，必要時(shí)采用橫截面金相法觀察。

2 結(jié)果與討論

2.1 B法

由圖1可見：試樣在3種溶液中均未發(fā)生斷裂，無宏觀可見裂紋，且所有試樣表面均未出現(xiàn)垂直于張應(yīng)力方向的微觀裂紋，超級(jí)13Cr不銹鋼四點(diǎn)彎曲光滑試樣在CO2地層水腐蝕環(huán)境、泥漿腐蝕環(huán)境和完井液腐蝕環(huán)境中均未發(fā)生SCC。

2.2 C法

由圖2～4可見：試樣在3種試驗(yàn)環(huán)境中均未發(fā)生斷裂，但表面可見微觀裂紋。在CO2地層水腐蝕環(huán)境中，試樣截面可觀察到微觀裂紋，裂紋起源于外表面氧化膜，呈樹枝狀擴(kuò)展，具有典型的SCC裂紋形貌。即保持原始表面質(zhì)量狀態(tài)(帶氧化膜)的C環(huán)試樣在CO2地層水腐蝕環(huán)境中會(huì)發(fā)生SCC。在泥漿腐蝕環(huán)境中，試樣表面氧化膜底部可見微小裂紋，長期使用過程中,微小裂紋會(huì)在拉應(yīng)力的作用下繼續(xù)擴(kuò)展形成SCC裂紋。即保持原始表面質(zhì)量狀態(tài)(帶氧化膜)的C環(huán)試樣在泥漿腐蝕環(huán)境中存在SCC風(fēng)險(xiǎn)。在完井液腐蝕環(huán)境中，試樣有局部腐蝕坑，坑底未見樹枝狀分支裂紋。超級(jí)13Cr不銹鋼油管表面氧化膜去除不徹底，其在高溫高pH溶液中極易發(fā)生溶解反應(yīng)，促進(jìn)點(diǎn)蝕的發(fā)生，超級(jí)13Cr不銹鋼管柱在長期使用的過程中，點(diǎn)蝕坑底部應(yīng)力集中程度顯著增強(qiáng)，在拉應(yīng)力的作用下，可能誘發(fā)SCC裂紋的萌生和擴(kuò)展，導(dǎo)致其發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂。因此，保持原始表面質(zhì)量狀態(tài)(帶氧化膜)的C環(huán)試樣在高溫高pH的完井液中存在SCC風(fēng)險(xiǎn)。

(a) 宏觀,地層水腐蝕 (b) 宏觀,泥漿腐蝕 (c) 宏觀,完井液腐蝕

(d) 微觀(10×),地層水腐蝕(e) 微觀(10×),泥漿腐蝕(f) 微觀(10×),完井液腐蝕圖1 試樣在不同試驗(yàn)溶液中經(jīng)四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)后的表面宏觀及微觀形貌Fig. 1 Macro (a，b，c) and micro (d，e，f) surface morphology of samples after four-point bending test in different test solutions

(a) 表面宏觀形貌 (b) 表面微觀形貌 (c) 截面形貌 圖2 試樣在CO2地層水中經(jīng)C環(huán)法試驗(yàn)后的形貌Fig. 2 Morphology of samples after C-ring test in CO2 ground water：(a) macro surface morphology； (b) micro surface morphology； (c) cross-section micro morphology

(a) 表面宏觀形貌 (b) 表面微觀形貌 (c) 截面形貌 圖3 試樣在泥漿中經(jīng)C環(huán)法試驗(yàn)后的形貌Fig. 3 Morphology of samples after C-ring test in slurry：(a) macro surface morphology； (b) micro surface morphology； (c) cross-section micro morphology

(a) 表面宏觀形貌 (b) 表面微觀形貌 (c) 截面形貌 圖4 試樣在完井液中經(jīng)C環(huán)法試驗(yàn)后的形貌Fig. 4 Morphology of samples after C-ring test in well completion fluid：(a) macro surface morphology； (b) micro surface morphology； (c) cross-section micro morphology

API SPEC 5CT-2011及ISO 8501-1-2007標(biāo)準(zhǔn)對不銹鋼管材表面的質(zhì)量控制都有嚴(yán)格的規(guī)定，即作為驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)的級(jí)別要求為Sa2.5級(jí)(管體表面應(yīng)不可見氧化皮)。超級(jí)13Cr不銹鋼油管帶有原始表面發(fā)紋，即油管表面存在缺陷或氧化皮去除不徹底，在使用過程中，可能會(huì)導(dǎo)致局部脫落，促進(jìn)點(diǎn)蝕的萌生，而通過局部陽極溶解在材料表面形成的點(diǎn)蝕坑可以看成是一個(gè)微裂紋，對于無裂紋的試樣來說，點(diǎn)蝕坑的形成對應(yīng)力腐蝕起著促進(jìn)作用，這是因?yàn)辄c(diǎn)蝕坑的前端會(huì)形成應(yīng)力集中。更為嚴(yán)重的是，在超級(jí)13Cr不銹鋼管材在高溫軋制過程中形成的表面缺陷，主要沿晶界向內(nèi)擴(kuò)展，促進(jìn)SCC裂紋的形核，導(dǎo)致油管在使用過程中發(fā)生SCC。因此，超級(jí)13Cr不銹鋼油管的原始表面狀態(tài)嚴(yán)重影響到其抗SCC性能。而在NACE TM 0177-2016標(biāo)準(zhǔn)中提及的四種應(yīng)力腐蝕開裂評(píng)價(jià)方法中，只有C環(huán)法能保持油管的原始表面。即C法(C環(huán)法)可以反映管材實(shí)際表面狀態(tài)對其抗SCC性能的影響。

2.3 D法

由圖5可見:所有試樣均未發(fā)生裂紋擴(kuò)展。NACE TM0177-2016標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定對于D法試樣試驗(yàn)后在V型槽缺口的基礎(chǔ)上應(yīng)有超過2.5 mm的裂紋生長，但本試驗(yàn)后所有試樣均未發(fā)生裂紋擴(kuò)展，即D法不能有效評(píng)價(jià)超級(jí)13Cr不銹鋼的抗SCC性能。

(a) CO2地層水,表面 (b) 泥漿,表面 (c) 完井液,表面

(d) CO2地層水,截面(e) 泥漿,截面(f) 完井液,截面圖5 雙懸臂梁法試驗(yàn)后試樣表面(a,b,c)及截面(d,e,f)宏觀形貌Fig. 5 Surface (a,b,c) and section (d,e,f) macro morphology of samples after double cantilever beam test in different solutions

2.4 討論

綜合以上分析，在CO2地層水、泥漿和完井液腐蝕環(huán)境中，所有四點(diǎn)彎曲試樣均未發(fā)生SCC，保持原始表面質(zhì)量狀態(tài)的C環(huán)試樣在CO2地層水腐蝕環(huán)境中發(fā)生SCC，在泥漿和完井液腐蝕環(huán)境中存在SCC風(fēng)險(xiǎn)。D法試驗(yàn)后，所有試樣均未發(fā)生裂紋擴(kuò)展，不能有效評(píng)價(jià)超級(jí)13Cr不銹鋼的抗SCC性能。

3 結(jié)論

(1) 四點(diǎn)彎曲法(B法)：光滑四點(diǎn)彎曲試樣不能反映管材實(shí)際表面狀態(tài)對其抗SCC性能的影響；

(2) C環(huán)法(C法)：SCC試樣外表面保持原始狀態(tài)，可以反映管材實(shí)際表面狀態(tài)對其抗SCC性能的影響。

(3) 雙懸臂梁法(D法)：API 5CT和NACE TM 0177標(biāo)準(zhǔn)均未對超級(jí)13Cr馬氏體不銹鋼加載應(yīng)力作出明確規(guī)定，本試驗(yàn)中，D法的加載位移參照NACE TM 0177標(biāo)準(zhǔn)中對C110管材的規(guī)定取值(0.51±0.02) mm，試驗(yàn)結(jié)果顯示所有試樣均未發(fā)生裂紋擴(kuò)展，說明采用D法并不能有效評(píng)價(jià)超級(jí)13Cr馬氏體不銹鋼的抗SCC性能。

參考文獻(xiàn)：

[1] 王鵬，王新虎，韓禮紅，等. 高溫高壓井油管完井液導(dǎo)致應(yīng)力腐蝕開裂分析[J]. 金屬熱處理，2015：40(增刊)：91-94.

[2] 謝俊峰，陳博，常澤亮，等. 某氣井13Cr油管腐蝕失效分析[J]. 腐蝕研究,2016,30(3)：58-61.