高強(qiáng)度HY級抽油桿在含硫工況下的環(huán)境敏感斷裂評價

陳昂,于會永,田剛,李皓,張海鑫,曾德智

(1.中國石油新疆油田公司工程技術(shù)研究院,新疆 克拉瑪依 834000;2.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)室,四川 成都 610500;3.安科工程技術(shù)研究院(北京)有限公司,北京 100089)

0 引言

抽油桿與井筒中含H2S產(chǎn)出液長期接觸,會發(fā)生氫損傷[1-2],從而導(dǎo)致敏感性斷裂.新疆油田某區(qū)塊采出井最初不含H2S,但各種提高采收率措施的實(shí)施導(dǎo)致采出井出現(xiàn)H2S,引起抽油桿斷裂.2013-2015年,新疆油田因H2S腐蝕造成抽油桿斷裂121次[3].近年來,隨著油氣開采逐漸向深井、超深井方向邁進(jìn)[4],普通抽油桿的強(qiáng)度已經(jīng)不能滿足要求,必須使用高強(qiáng)度抽油桿.但是高強(qiáng)度鋼具有較高的環(huán)境敏感性,因此研究高強(qiáng)度抽油桿在含硫環(huán)境中的敏感性具有重要意義.

目前,國內(nèi)外對H2S引起的金屬材料SSC(硫化物應(yīng)力開裂)問題的研究較為廣泛.Tsai等[5]發(fā)現(xiàn),鋼在H2S溶液中,會引發(fā)H原子產(chǎn)生,H原子能夠加速鋼的陽極溶解,增加SSC的敏感性;Gelder等[6]采用慢應(yīng)變速率拉伸(SSRT)實(shí)驗(yàn),探究了不銹鋼在H2S/CO2及含Cl-環(huán)境中SSC的敏感性;郝文魁等[7]采用電化學(xué)技術(shù)研究了35CrMo鋼在H2S溶液中的腐蝕情況,并采用SSRT實(shí)驗(yàn)研究了該材料在H2S溶液中的SSC行為與機(jī)理;曾德智等[8]采用示波沖擊的方法,測試了高強(qiáng)度套管鋼的動態(tài)斷裂韌性指數(shù),快速評價了H2S對材料的氫損傷程度.樊松等[9]研究了H級抽油桿許用應(yīng)力的計(jì)算及疲勞壽命的預(yù)測方法;尹慧博等[10]針對尾管頂部封隔器在高溫高壓高酸性油氣井環(huán)境中易腐蝕失效,甚至導(dǎo)致環(huán)空帶壓等問題,開展了耐溫、耐壓、耐腐蝕關(guān)鍵技術(shù)研究.這些研究大多集中于H2S對鋼的SSC行為,而對于高強(qiáng)度HY級抽油桿在含硫工況下的環(huán)境敏感性斷裂卻鮮有報道.

本文通過SSRT實(shí)驗(yàn),研究了高強(qiáng)度HY級抽油桿在含硫工況下的環(huán)境敏感性斷裂,比較了H2S質(zhì)量濃度對抽油桿環(huán)境敏感性的影響,為評價高強(qiáng)度抽油桿環(huán)境敏感性斷裂的實(shí)驗(yàn)方法提供了參考.

1 材料和方法

1.1 材料

HY級抽油桿材質(zhì)成分符合GB/T 3077-1999《合金結(jié)構(gòu)鋼》對元素C,Si,Mn,Cr和Mo質(zhì)量分?jǐn)?shù)的要求(C為0.32～0.40,Si為0.17～0.37,Mn為0.40～0.70,Cr為0.80～1.10,Mo為0.15～0.25).

通過測試HY級抽油桿的力學(xué)性能可知,屈服強(qiáng)度1 064.2 MPa,抗拉強(qiáng)度1 103.1 MPa,延伸率18.17%,沖擊功131.9 J.測試結(jié)果滿足SY/T 5029-2006《抽油桿》中規(guī)定的HY級抽油桿屈服強(qiáng)度不小于975 MPa,抗拉強(qiáng)度965～1 195 MPa,延伸率大于10%,沖擊功大于60 J的要求.

1.2 SSRT實(shí)驗(yàn)

SSRT實(shí)驗(yàn)是在腐蝕環(huán)境條件下,以一定的緩慢拉伸速率對試樣施加應(yīng)力,將試樣拉伸直至斷裂,從而測定材料SSC敏感性的實(shí)驗(yàn)方法.本實(shí)驗(yàn)采用的裝置為CORTEST LF-100-201-V-304慢應(yīng)變速率拉伸試驗(yàn)機(jī).試驗(yàn)機(jī)配套C-276合金鍛造高溫高壓釜,拉伸速率為3.5X10-4mm/s.實(shí)驗(yàn)參照GB/T 15970.7-2017《金屬和合金的腐蝕應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)第7部分:慢應(yīng)變速率試驗(yàn)方法》進(jìn)行.3組實(shí)驗(yàn)中的H2S質(zhì)量濃度分別為0(蒸餾水),120,3 618(飽和)mg/L,實(shí)驗(yàn)溫度為25℃.

為了定性評估H2S對抽油桿材料的氫損傷程度,本文引入氫脆指數(shù)和強(qiáng)塑積.氫脆指數(shù)I表征材料的氫脆程度,其計(jì)算式為

式中:δ0為試樣在蒸餾水中的延伸率;δH為試樣在H2S溶液中的延伸率.

強(qiáng)塑積Q表征材料強(qiáng)韌性水平的綜合性能,為抗拉強(qiáng)度σb與延伸率δ的乘積,近似等于應(yīng)力-應(yīng)變曲線包圍的面積.強(qiáng)塑積表征了試樣拉斷過程吸收的能量或外力拉斷試樣所作的功,也能用來衡量材料氫損傷程度.強(qiáng)塑積計(jì)算公式為

式中:σ為拉應(yīng)力,MPa.

2 結(jié)果與分析

2.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由圖1和表1可知:隨著H2S質(zhì)量濃度由0增加到3 618 mg/L,試樣的抗拉強(qiáng)度、斷裂時間、延伸率和強(qiáng)塑積均減小,抗拉強(qiáng)度下降了2.5%,強(qiáng)塑積下降了54.3%,氫脆指數(shù)增加;H2S質(zhì)量濃度對抗拉強(qiáng)度的影響很小;120 mg/L的H2S質(zhì)量濃度對延伸率、氫脆指數(shù)和強(qiáng)塑積的影響并不大,而3 618 mg/L的飽和H2S溶液對3個參數(shù)影響較大.

圖1 試樣在不同質(zhì)量濃度H2S環(huán)境下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

表1 不同質(zhì)量濃度H2S環(huán)境下的SSRT實(shí)驗(yàn)結(jié)果

H2S質(zhì)量濃度的增加,加劇了材料的氫損傷程度,使試樣的韌性減弱,脆性增強(qiáng),抵抗塑性變形的能力下降,試樣由韌性斷裂向韌脆性斷裂發(fā)生轉(zhuǎn)變,從而降低了抵抗斷裂失效的能力.

2.2 分析與討論

采用掃描電鏡對不同質(zhì)量濃度H2S環(huán)境下的試樣斷口形貌進(jìn)行觀察(見圖2)發(fā)現(xiàn),蒸餾水中的試樣斷口呈典型的韌性斷口特征,存在纖維區(qū)、放射區(qū)和剪切唇.纖維區(qū)為韌窩特征,發(fā)生過塑性變形;放射區(qū)存在宏觀放射裂紋,條紋方向與裂紋擴(kuò)展方向一致;剪切唇位于最后破斷區(qū),存在剪切韌窩,有很高的連續(xù)性.120 mg/L的H2S溶液里的試樣,其斷口的纖維區(qū)、放射區(qū)和剪切唇面積所占的比例極不協(xié)調(diào),韌性斷口特征減弱;纖維區(qū)和剪切唇所占面積減小,放射區(qū)所占面積增加,剪切唇分散而不連續(xù),斷口邊緣存在多處點(diǎn)蝕坑.飽和H2S溶液中的試樣斷口韌性斷裂特征基本消失,斷口比較光滑平整,表面存在多處點(diǎn)蝕坑,裂紋從表面向內(nèi)擴(kuò)展,宏觀裂紋數(shù)量減少,微裂紋數(shù)量增加.

由圖2可見,隨著環(huán)境中H2S質(zhì)量濃度的升高,試樣斷口3個區(qū)域的韌性斷裂特征逐漸消失,縮頸現(xiàn)象減弱,斷面損失率和延伸率逐漸減小.斷口形貌由粗糙、不平整,逐漸向光滑、平整轉(zhuǎn)變,越來越容易形成內(nèi)部微裂紋,材料抵抗斷裂失效的能力逐漸減弱,斷裂類型由韌性斷裂向韌脆性斷裂轉(zhuǎn)變.

圖2 不同質(zhì)量濃度H2S溶液中的試樣斷口形貌

在H2S環(huán)境中,高強(qiáng)度HY級抽油桿的SSC機(jī)制一般認(rèn)為是以氫脆為主、陽極溶解為輔的共同作用[7].

H2S溶液中發(fā)生的H2S逐步電離過程為

H2S環(huán)境中,抽油桿發(fā)生電化學(xué)腐蝕反應(yīng).

陽極反應(yīng)式:

陰極反應(yīng)式:

總反應(yīng)式:

Had表示吸附在鋼表面的H原子,Had表示進(jìn)入鋼基體的H原子.

抽油桿在含H2S的油井里服役的過程中,H2S溶液電離出的H+與鋼基體反應(yīng)生成Fe2+、H原子和H2,同時鋼基體表面產(chǎn)生局部腐蝕的現(xiàn)象;由于拉應(yīng)力的作用,容易在腐蝕坑底部形成局部應(yīng)力集中,使裂紋沿著與應(yīng)力垂直的方向擴(kuò)展,同時使鋼基體不斷暴露在溶液中;由于暴露出的新基體活性較高,基體作為陽極在溶液中溶解,此過程稱為陽極溶解.陽極溶解作用為陰極的析氫反應(yīng)提供條件,產(chǎn)生大量的H原子,一部分吸附在鋼基體表面,另一部分被基體吸收.

Had在應(yīng)力誘導(dǎo)擴(kuò)散攜帶作用下向鋼基體內(nèi)部運(yùn)動[11-12].雖然H2S溶液的酸度不高且不導(dǎo)電,但是S2-的存在使H原子在鋼表面產(chǎn)生極高的輸入逸度[13],引發(fā)了大量H原子由鋼表面向內(nèi)部擴(kuò)散.Had向裂紋前沿?cái)U(kuò)散時,被基體吸附、俘獲或氫陷阱(如夾雜在基體之間的微裂縫、晶界、孔洞、裂紋尖端等)捕捉,造成局部H原子濃度升高,H原子滲透進(jìn)入鋼中并在裂紋尖端和晶界處聚集(見圖3).一方面,Had能降低鋼的表面能,降低裂紋擴(kuò)展阻力[14-15],有助于微裂紋不斷聚集、合并,向微孔洞轉(zhuǎn)化;另一方面,Hab能降低原子間結(jié)合力并促進(jìn)位錯的發(fā)射和運(yùn)動[16],導(dǎo)致主裂紋與微孔洞結(jié)合,使主裂紋不斷向前擴(kuò)展,當(dāng)試樣剩余部分不能承受較大的拉伸載荷時,試樣就會突然斷裂.

材料的SSC是由拉應(yīng)力和環(huán)境共同作用而引起的脆性斷裂失效的現(xiàn)象.金屬材料產(chǎn)生SSC通常要具備對SSC敏感的組織結(jié)構(gòu)、特定的介質(zhì)環(huán)境,以及拉伸應(yīng)力,因此,可以從材料、環(huán)境和應(yīng)力3個方面去控制導(dǎo)致抽油桿SSC的因素,就能預(yù)防抽油桿的環(huán)境敏感斷裂.

圖3 應(yīng)力集中條件下H原子在鋼基體中分布示意

3 結(jié)論

1)在微含硫工況下,高強(qiáng)度HY級抽油桿具有一定的環(huán)境斷裂敏感性,其敏感性隨著H2S質(zhì)量濃度的升高而增加;HY級抽油桿在H2S環(huán)境下的SSC是以氫脆為主、陽極溶解為輔,兩者共同作用的結(jié)果.

2)常溫下,隨著H2S質(zhì)量濃度由0增加到3 618 mg/L(飽和)時,試樣抗拉強(qiáng)度下降了2.5%,氫脆指數(shù)達(dá)到53.3%,強(qiáng)塑積下降了54.3%,HY級抽油桿斷裂類型由韌性斷裂向韌脆性斷裂轉(zhuǎn)變.