鍍鎢合金連續(xù)管的力學及耐蝕性能分析*

李鴻斌，郭新維，畢宗岳，余 晗，韋 奉，黨 浩

（1.國家石油天然氣管材工程技術(shù)研究中心，陜西 寶雞 721008；2.寶雞石油鋼管有限責任公司，陜西 寶雞 721008；3.中國石油新疆油田分公司工程技術(shù)公司，新疆 克拉瑪依 834000）

連續(xù)管有很好的繞性，作業(yè)時卷筒上的管子可反復收放和使用，具有可帶壓作業(yè)、連續(xù)起下、作業(yè)效率高、對地層傷害低、應(yīng)用范圍廣等獨特優(yōu)勢，倍受油田用戶青睞，在油氣田勘探開發(fā)中發(fā)揮著越來越重要的作用，已廣泛應(yīng)用于油田修井、鉆井、完井、測井、增產(chǎn)等領(lǐng)域，貫穿油氣開采的全過程[1-5]。目前，連續(xù)管的材質(zhì)主要為低碳鋼，通常能滿足多數(shù)油田作業(yè)要求，但隨著我國油氣勘探開發(fā)難度加大，對于某些含CO2、H2S、Cl-等腐蝕環(huán)境油氣田的開發(fā)，應(yīng)用現(xiàn)有碳鋼材質(zhì)的連續(xù)管，不僅存在酸性介質(zhì)引起的高腐蝕速率的電化學腐蝕，同時還存在硫化物應(yīng)力腐蝕開裂的風險，管材耐蝕性能往往不能滿足使用要求[6-9]。然而，采用整體耐蝕合金材質(zhì)連續(xù)管的不經(jīng)濟性，以及表面技術(shù)的飛速發(fā)展，驅(qū)使人們采用表面防腐的方法，尋找新技術(shù)、新工藝去應(yīng)對低碳鋼連續(xù)管的腐蝕問題。

目前，鍍鎢合金技術(shù)正在興起，制備方法包括熔鹽電鍍法、等離子噴涂法、爆炸噴涂法、氣相沉積法等，鎢合金鍍層能使管材表面形成致密均勻的耐蝕鍍層，在不降低原有力學性能的前提下，其表面抗蝕性能較常規(guī)處理的油管有明顯改善，尤其是耐 H2S、CO2、Cl-等腐蝕介質(zhì)；同時，有很高的光潔度，摩擦系數(shù)大大降低，具有較高的耐磨性[10-11]。電鍍鎢合金鍍層是一種非晶態(tài)合金材料，用電沉積法獲得的非晶態(tài)合金鍍層具有工藝簡便、成本低廉、耐腐蝕及耐磨性能優(yōu)異等特點，采用這種技術(shù)的防腐油管、套管、螺桿鉆具、抽油桿已在油田廣泛應(yīng)用[12-15]。但由于連續(xù)管服役環(huán)境及作業(yè)過程的特殊性，鍍鎢合金技術(shù)能否適用于連續(xù)管產(chǎn)品，在滿足連續(xù)管常規(guī)作業(yè)的前提下，實現(xiàn)管材耐蝕性能的提高。針對該問題，本研究采用 CT80 鋼級Φ50.8 mm×4.0 mm 規(guī)格連續(xù)管管段，制備鍍鎢合金連續(xù)管試樣，開展相關(guān)力學性能及耐蝕性能檢測分析。

1 試驗方法

對 2 根長度為 2 m 的 CT80 鋼級 Φ50.8 mm×4.0 mm 鍍鎢合金連續(xù)管試樣開展檢測分析，檢測方法及相關(guān)標準見表1。

表1 CT80 鋼級Φ50.8 mm×4.0 mm 鍍鎢合金連續(xù)管檢測方法及標準

2 結(jié)果與討論

2.1 常規(guī)性能檢測

2.1.1 鍍層形貌及成分

鍍鎢合金連續(xù)管鍍層表面宏觀形貌、表面掃描電鏡 （SEM）形貌、橫截面宏觀形貌、橫截面SEM形貌如圖1～圖4所示。鍍鎢合金連續(xù)管呈銀鏡色，表面光滑，光潔度較高；通過鍍層表面及截面SEM形貌可以看出，鍍層致密、均勻、無明顯缺陷；鍍層厚度均勻，約50 μm，鍍層與基體結(jié)合緊密。

圖1 鍍鎢合金連續(xù)管表面宏觀形貌

圖2 鍍鎢合金連續(xù)管鍍層表面SEM 形貌

圖3 鍍鎢合金連續(xù)管橫截面宏觀形貌

圖4 鍍鎢合金連續(xù)管鍍層橫截面SEM 形貌

采用能譜 （EDS）對鍍鎢合金連續(xù)管鍍層成分分析，結(jié)果如圖5、表2所示。結(jié)果表明：鍍層主要由 Fe、Ni、W、Ir 元素組成，其中 Ni、W 占總量百分比分別為63.23%、33.55%。

圖5 鍍鎢合金連續(xù)管鍍層表面EDS 圖譜

表2 鍍鎢合金連續(xù)管鍍層表面元素能譜分析 %

2.1.2 鍍層厚度

對樣管頭部、中部、尾部取樣，每件試樣沿環(huán)向檢測 0°、120°、240° 3 個位置鍍層厚度，檢測結(jié)果見表3。由表3結(jié)果可以看出：樣管鍍層厚度平均值為54.93 μm；試樣鍍層厚度為頭部＞中部＞尾部。

表3 鍍層厚度檢測結(jié)果

2.1.3 鍍層硬度

對樣管頭部、中部、尾部取樣，每件試樣沿環(huán)向檢測 0°、120°、240° 3 個位置鍍層硬度，檢測結(jié)果見表4。由表4結(jié)果可以看出：樣管鍍層硬度平均值為688HV1.0，樣品頭部、中部、尾部鍍層硬度基本一致。

表4 鍍層硬度檢測結(jié)果

2.1.4 拉伸性能

對鍍鎢連續(xù)管及未鍍鎢連續(xù)管試樣進行拉伸性能檢測 （如圖6所示），檢測結(jié)果見表5。結(jié)果表明：鍍鎢及未鍍鎢連續(xù)管拉伸試驗結(jié)果滿足標準要求，CT80 連續(xù)管試樣經(jīng)過表面鍍鎢后，經(jīng)拉伸性能檢測，鍍鎢樣品屈服強度、抗拉強度及伸長率未發(fā)生明顯改變。鍍鎢連續(xù)管拉伸斷口宏觀形貌及SEM 形貌如圖7所示，可以看出樣品拉伸后，表面鍍層發(fā)生開裂，鍍層與基體間存在間隙，結(jié)合力下降。

圖6 鍍鎢合金連續(xù)管拉伸檢測照片

表5 鍍鎢連續(xù)管及未鍍鎢連續(xù)管拉伸性能試驗結(jié)果

圖7 鍍鎢合金連續(xù)管拉伸斷口宏觀形貌及SEM 形貌

2.1.5 壓扁性能

對鍍鎢連續(xù)管試樣進行壓扁性能檢測，檢測結(jié)果見表6。結(jié)果表明：CT80 連續(xù)管試樣經(jīng)過表面鍍鎢后，進行壓扁性能檢測，壓板間距在42 mm，鍍層無開裂，試樣仍滿足API SPEC 5ST標準要求；壓板間距在25.8 mm，鍍層發(fā)生微開裂；壓板間距在8 mm （壁厚貼合），鍍層發(fā)生開裂，試驗后鍍層形貌如圖8所示。

表6 鍍鎢連續(xù)管試樣壓扁試驗結(jié)果

圖8 壓扁試樣表面鍍層形貌

2.1.6 擴口性能

對鍍鎢連續(xù)管試樣進行擴口性能檢測，檢測結(jié)果見表7。結(jié)果表明：CT80 連續(xù)管試樣經(jīng)過表面鍍鎢后，采用60°頂心進行擴口性能檢測，內(nèi)徑擴口率為25%，鍍層發(fā)生開裂，試驗后鍍層形貌如圖9、圖10所示。

表7 鍍鎢連續(xù)管試樣擴口試驗結(jié)果

圖9 擴口試樣宏觀形貌

圖10 擴口試樣表面鍍層形貌

2.1.7 彎曲疲勞性能

用PLW-100 型疲勞試驗機，對鍍鎢連續(xù)管試樣進行彎曲疲勞性能檢測 （如圖11所示），試樣尺寸為 Φ50.8 mm×4.0 mm×1 524 mm，彎曲模半徑為1 828 mm，管樣在內(nèi)壓為34.47 MPa 下反復進行 “彎曲-拉直-彎曲” 循環(huán)疲勞試驗，并記錄疲勞循環(huán)次數(shù)，直到試樣出現(xiàn)泄壓或漏水結(jié)束試驗，檢測結(jié)果見表8。結(jié)果表明：試樣在半徑1 828 mm 彎模下反復彎曲，彎曲 10 次，鍍層無裂紋；彎曲30 次，鍍層沿管體環(huán)向出現(xiàn)微裂紋；彎曲60 次，鍍層沿管體環(huán)向、徑向均出現(xiàn)裂紋，形成網(wǎng)狀；彎曲90 次，鍍層沿管體環(huán)向、徑向形成的網(wǎng)狀裂紋更加密集；彎曲至99 次，管材發(fā)生刺漏，結(jié)束試驗。CT80 連續(xù)管試樣經(jīng)過表面鍍鎢后，其疲勞壽命未發(fā)生明顯改變。彎曲后表面鍍層宏觀形貌及彎曲疲勞失效后鍍層SEM 形貌如圖12、圖13所示。

圖11 鍍鎢連續(xù)管彎曲疲勞檢測照片

表8 鍍鎢連續(xù)管彎曲疲勞試驗結(jié)果

圖12 鍍鎢連續(xù)管彎曲后表面鍍層宏觀形貌

圖13 鍍鎢連續(xù)管彎曲疲勞失效后鍍層SEM 形貌

2.2 耐蝕性能檢測

2.2.1 HIC 試驗

對鍍鎢連續(xù)管試樣進行HIC 性能檢測，檢測結(jié)果如表9、圖14所示。結(jié)果表明：CT80連續(xù)管樣品經(jīng)過表面鍍鎢處理后，然后再進行HIC 性能檢測，發(fā)現(xiàn)樣品鍍層表面無裂紋，鍍層顏色無變化，表明連續(xù)管鍍層具有較好的抗HIC 性能。

表9 鍍層HIC 試驗檢測結(jié)果

圖14 鍍層HIC 試驗照片

2.2.2 SSCC 試驗

對鍍鎢連續(xù)管樣品進行SSCC 性能檢測，檢測結(jié)果如表10、圖15所示。結(jié)果表明：CT80連續(xù)管樣品經(jīng)過表面鍍鎢后，進行SSCC 性能檢測，施加應(yīng)力水平為85%σs，鍍層表面無裂紋，表明鍍層具有較好的抗SSCC 性能。

表10 鍍層SSCC 試驗檢測結(jié)果

圖15 鍍層SSCC 試驗照片

2.2.3 點蝕試驗

對鍍鎢連續(xù)管樣品進行點蝕性能檢測，檢測結(jié)果如表11、圖16所示。結(jié)果表明：CT80 連續(xù)管樣品經(jīng)過表面鍍鎢后，經(jīng)點蝕性能檢測，鍍層耐點蝕等級為A-1 級，表明鍍層具有較好的抗點蝕性能。

表11 鍍層點蝕試驗檢測結(jié)果

圖16 鍍層點蝕試驗照片

2.2.4 鹽霧腐蝕試驗

對鍍鎢連續(xù)管樣品進行鹽霧腐蝕性能檢測，檢測結(jié)果如表12、圖17所示。結(jié)果表明：CT80連續(xù)管樣品經(jīng)過表面鍍鎢后，經(jīng)鹽霧腐蝕性能檢測，鍍層表面完好、鍍層顏色無變化，表明鍍層具有較好的耐鹽霧腐蝕性能。

表12 鍍層鹽霧腐蝕試驗檢測結(jié)果

圖17 鍍層鹽霧腐蝕試驗照片

2.3 結(jié)果與討論

對CT80 連續(xù)管管段，采用鍍鎢合金技術(shù)，制備出的鍍鎢合金連續(xù)管樣品，鍍層表面光滑、致密，厚度約 54.93 μm，硬度在 688HV1.0，鍍層經(jīng)HIC、SSCC 等腐蝕性能檢測，表現(xiàn)出較好的耐蝕性能，且鍍鎢后樣品拉伸性能未發(fā)生改變，完全可用于常規(guī)油、套管的防腐。然而，連續(xù)管的服役過程具有一定特殊性，連續(xù)管在繞導向拱和卷筒起、下井過程中會遭受 6 次 “彎-直” 的塑性變形，對連續(xù)管的塑性有較高的要求。壓扁、擴口及彎曲疲勞試驗?zāi)軌蚍从彻懿募板儗拥乃苄裕瑱z測結(jié)果表明鍍層與管體結(jié)合力較好，具有一定的塑性，但在大變形或反復變形條件下，鍍層塑性不足，易發(fā)生開裂。因此，現(xiàn)場實際作業(yè)過程中，該鍍層無法起到對連續(xù)管防腐的效果。該鍍鎢合金技術(shù)可針對長期懸掛于氣井內(nèi)的連續(xù)速度管柱進行相關(guān)應(yīng)用；而對于需要反復起、下的連續(xù)管，需對鍍鎢合金工藝進一步優(yōu)化改進，從而提高鍍層塑性，以滿足連續(xù)管實際作業(yè)需求。

3 結(jié) 論

（1）鍍鎢合金連續(xù)管樣品表面光潔度較高，鍍層致密、均勻、無明顯缺陷，鍍層厚度平均值為 54.93 μm，硬度平均值為 688HV1.0。

（2）經(jīng)過表面鍍鎢后，樣管的屈服強度、抗拉強度及伸長率未發(fā)生明顯改變；按照API SPEC 5ST標準檢測，壓扁后鍍層無開裂，擴口后鍍層發(fā)生開裂。

（3）經(jīng)過表面鍍鎢后，連續(xù)管彎曲疲勞壽命未發(fā)生明顯改變，隨著彎曲次數(shù)的增加，鍍層表面逐漸形成裂紋，最終形成密集的網(wǎng)狀裂紋。

（4）通過 HIC、SSCC、點蝕及鹽霧腐蝕檢測，鍍層表現(xiàn)出較好的耐蝕性能。

（5）該鍍鎢合金技術(shù)可應(yīng)用于連續(xù)速度管柱，而應(yīng)用于連續(xù)管，需進一步優(yōu)化工藝，提高鍍層塑性。