稠油熱采工具30CrMo和1Cr13材質的腐蝕試驗研究

(中海油能源發(fā)展股份有限公司 工程技術分公司，天津 300452)

目前，渤海油區(qū)主要采用多元熱流體開采方式，發(fā)生器注入溫度260～280 ℃，井底溫度240 ℃左右。蒸汽吞吐井數(shù)較少，井底溫度可達330～360℃[1-4]。渤海旅大、南堡油田在熱采井作業(yè)過程中，由于熱腐蝕和熱應力作用[5-6]，熱采井口裝置出現(xiàn)結構腐蝕刺漏、井下工具(隔離封隔器、生產封隔器等)腐蝕破壞等問題，對熱采井生產作業(yè)造成較大影響[7-8]。

30CrMo和1Cr13是稠油熱采井口裝置和井下工具常用材質。通過研究這兩種鋼材的高溫腐蝕性能，確定工具在熱采井內的腐蝕類型和腐蝕速率，推測正常生產的耐腐蝕年限和工作壽命。試驗模擬蒸汽吞吐熱采的注熱階段和生產階段環(huán)境條件，通過掃描電鏡(SEM)、X射線衍射儀(XRD)和金相顯微鏡(EDS)等手段進行分析，研究材質的腐蝕規(guī)律，確定其耐蝕性能，為井下工具的壽命預測提供依據(jù)。

1 試驗方法

1.1 試驗材料及設備

試驗材料選用30CrMo和1Cr13。30CrMo取自稠油熱采井現(xiàn)場使用的井口裝置，1Cr13取自生產封隔器。試樣尺寸為50 mm×10 mm×3 mm，每次試驗取3個平行試樣，試樣用1 200#水砂紙打磨，表面粗糙度≤1.6 μm[9-10]。試驗設備選用TFCZ5-35/250型和C276-50/600型磁力驅動反應釜。

1.2 試驗條件

模擬注熱階段和生產階段的流體組分、壓力條件、注入速度，制定了相關試驗參數(shù)，如表1。

表1 試驗參數(shù)

2 試驗過程

將試樣清洗、丙酮除油、冷風吹干后測量試樣尺寸并稱重，將試樣相互絕緣安裝在特制的試樣架上，放入高壓釜內的腐蝕介質中，進行腐蝕試驗。試驗結束后，將試樣表面用蒸餾水沖洗去除腐蝕介質，無水酒精除水后烘干待用[11]。用電子天平稱重并根據(jù)式(1)和(2)計算腐蝕速率，根據(jù)表2《NACE SP 0775—2013》標準判斷腐蝕程度。試驗后，用JSM-5800型掃描電鏡觀察其表面腐蝕形貌；采用金相顯微鏡觀察試樣表面是否有點蝕，并測量最深點蝕深度；XRD分析圖譜結合EDS分析結果，分析腐蝕產物成分。

均勻腐蝕速率：

(1)

式中：vcorr為均勻腐蝕速率，mm/a；Δg為試樣失重，g；γ為材料密度，g/cm3；t為試驗時間，a；S為試樣表面積，mm2。

局部腐蝕速率：

(2)

表2為NACE SP 0775—2013標準對腐蝕程度的界定。

表2 NACE SP 0775—2013標準對腐蝕程度的界定

3 試驗結果及分析

3.1 生產階段

生產階段腐蝕試驗完成后，觀察試樣腐蝕形貌，并測量均勻腐蝕速率，30CrMo和1 Cr13腐蝕形貌如圖1。30CrMo在生產階段均勻腐蝕速率為0.082 0 mm/a，為中度腐蝕，無局部腐蝕發(fā)生，表面腐蝕產物較少；1Cr13在生產階段均勻腐蝕速率為0.009 7 mm/a，為輕微腐蝕，表面無明顯腐蝕產物。

圖1 生產階段腐蝕產物清洗后微觀形貌

3.2 注熱階段

注熱階段腐蝕試驗完成后，觀察試樣腐蝕形貌并測量均勻腐蝕速率，30CrMo和1 Cr13腐蝕形貌如圖2～5，腐蝕規(guī)律如圖6。

圖2 注熱7 d腐蝕產物清洗后微觀形貌

圖3 注熱21 d腐蝕產物清洗前微觀形貌

圖4 注熱21 d腐蝕產物清洗后微觀形貌

圖5 30CrMo表面腐蝕產物膜微觀形貌

圖6 腐蝕規(guī)律

由圖2～6可知：30CrMo注熱7 d時，均勻腐蝕速率為8.730 1 mm/a，為極嚴重腐蝕；注熱21 d時，均勻腐蝕速率為0.403 mm/a，為極嚴重腐蝕；注熱階段，隨腐蝕時間延長，平均腐蝕速率顯著減小。對比注熱7 d后和注熱21 d后30CrMo表面腐蝕產物微觀形貌，由圖5可見，注熱7 d后30CrMo表面腐蝕產物疏松多孔，這種不致密的腐蝕產物膜增加了物質傳輸?shù)耐ǖ溃瑥亩档土烁g產物膜的保護性能，加速30CrMo的腐蝕。隨著腐蝕時間延長，腐蝕產物晶粒變得更加細小、致密，腐蝕產物由疏松多孔而逐漸致密化，隔離基體與外界腐蝕液，提高腐蝕產物膜對基體的保護性，減緩30CrMo的腐蝕。

1Cr13在注熱7 d時的均勻腐蝕速率為0.258 4 mm/a，為極嚴重腐蝕，且有局部腐蝕發(fā)生，局部腐蝕最大深度為32 μm，局部腐蝕速率為1.927 mm/a；注熱21 d時，均勻腐蝕速率為0.176 6 mm/a，為嚴重腐蝕，以均勻腐蝕為主；注熱階段，隨腐蝕時間延長，平均腐蝕速率減小不明顯。

在生產階段，1Cr13良好的耐蝕性在于其表面存在致密的、保護性好的鈍化膜。在注熱階段，環(huán)境中含有一定的O2，一定的氧含量會促進1Cr13的鈍化，但氧含量過高，鈍化膜發(fā)生氧化，鈍化膜破壞，腐蝕產物發(fā)生開裂，對基體保護作用不強，開裂的腐蝕產物膜為腐蝕性的氣體和介質提供通道，加速1Cr13的腐蝕。

由于生產階段比注熱階段溫度明顯降低，且不含氧，30CrMo和1Cr13在生產階段腐蝕速率小于注熱階段。

30CrMo和1Cr13在注熱階段腐蝕嚴重，采用EDS分析技術對表面腐蝕產物元素進行分析，兩種材質表面腐蝕產物主要元素為Fe和O。圖7為試樣表面腐蝕產物XRD分析圖譜，通過圖8腐蝕產物XRD衍射峰圖譜與PDF標準卡片衍射峰圖譜的對比，結合EDS分析結果，30CrMo和1Cr13試樣表面腐蝕產物均為Fe3O4。

圖7 腐蝕產物XRD分析圖譜

圖8 腐蝕產物XRD衍射峰圖譜與PDF標準卡片衍射峰圖譜對比

4 結論

1) 對于30CrMo材料，在注熱階段，試驗時間為7 d和21 d時，出現(xiàn)極嚴重腐蝕，主要以均勻腐蝕為主，表面腐蝕產物為Fe3O4；在生產階段，均勻腐蝕速率為0.082 0 mm/a，為中度腐蝕，無局部腐蝕發(fā)生。

2) 對于1Cr13材料，在注熱階段，試驗時間為7 d時，均勻腐蝕速率為0.258 4 mm/a，為極嚴重腐蝕，且有局部腐蝕發(fā)生，局部腐蝕速率為1.927 mm/a，表面腐蝕產物主要為Fe3O4；試驗時間為21 d時，均勻腐蝕速率為0.176 6 mm/a，為嚴重腐蝕，以均勻腐蝕為主，表面腐蝕產物主要為Fe3O4。在生產階段，均勻腐蝕速率為0.009 7 mm/a，為輕微腐蝕，無局部腐蝕發(fā)生。

3) 與生產階段試驗結果比較，由于注熱階段溫度明顯升高，且含有O2，體積分數(shù)為1%，兩種材質腐蝕程度均加重。

4) 在注熱階段，隨腐蝕時間延長，30CrMo材質平均腐蝕速率顯著減小，主要與表面所形成的腐蝕產物膜的完整性和致密度有關，1Cr13的腐蝕速率減小不明顯。

5) 在注熱階段和生產階段，1Cr13材質較30CrMo具有更好的耐腐蝕性。

6) 為提高井口裝置和井下工具的耐高溫耐腐蝕性能，延長使用壽命，可以采用等離子熱噴涂陶瓷或碳化鎢涂層工藝進行表面處理。