噴砂對(duì)L80-13Cr油套管內(nèi)壁表面性能影響的研究

王鳴華,張春霞

(寶山鋼鐵股份有限公司中央研究院,上海 201999)

近年來(lái),隨著能源開(kāi)采深入拓展,腐蝕環(huán)境較為惡劣的油氣區(qū)塊開(kāi)發(fā)力度明顯加大,對(duì)于耐蝕性能良好的特殊材質(zhì)油套管的需求也逐漸增大。L80-13Cr作為一種抗CO2腐蝕的油套管產(chǎn)品,在海上油氣田已得到廣泛應(yīng)用。隨著寶鋼制造工藝的日趨成熟,L80-13Cr從以往只對(duì)外提供光管逐步向生產(chǎn)成品油套管方向發(fā)展。

API 5CT標(biāo)準(zhǔn)明確規(guī)定:L80-13Cr產(chǎn)品在最終熱處理后內(nèi)壁表面應(yīng)無(wú)氧化皮,PSL2等級(jí)及以上的產(chǎn)品,內(nèi)壁表面應(yīng)采用不會(huì)造成表面鐵污染的噴砂介質(zhì)進(jìn)行噴砂處理,處理后表面性能要達(dá)到ISO 8501-1中Sa 2-1/2的要求。但對(duì)其原因標(biāo)準(zhǔn)沒(méi)有解釋,也沒(méi)有相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道。本研究主要從模擬現(xiàn)場(chǎng)使用的角度,選取高Cr不銹鋼砂和石英砂對(duì)L80-13Cr管料進(jìn)行內(nèi)壁表面噴砂處理,同時(shí)與未噴砂管料進(jìn)行對(duì)比,對(duì)L80-13Cr油套管內(nèi)壁表面除氧化皮前后的特性變化開(kāi)展研究,以此為完善L80-13Cr油套管成品的制造工藝提供技術(shù)支撐。

1 試驗(yàn)方法

1.1 試樣制備

試驗(yàn)原料選取合格的φ73.02 mm×5.51 mm L80-13Cr油管管料,管料采用960 ℃油淬加680 ℃回火熱處理,分別進(jìn)行常規(guī)石英砂噴砂內(nèi)壁表面除銹和高Cr不銹鋼合金砂噴砂內(nèi)壁表面除銹,除銹效果達(dá)到ISO 8501-1中Sa 2-1/2要求,并截取未噴砂的管料試樣進(jìn)行對(duì)比。

管子的內(nèi)壁表面質(zhì)量觀察及酸化試樣是將各種狀態(tài)的管料鋸切成20 mm寬、50 mm長(zhǎng)的試片。

殘余應(yīng)力檢測(cè)試樣采用割縫法制備,試驗(yàn)管長(zhǎng)度為管外徑的2倍。

1.2 試驗(yàn)方法

采用體視顯微鏡和SEM觀察原始狀態(tài)和酸化試驗(yàn)后管料內(nèi)壁表面的形貌。其中,酸化試驗(yàn)采用模擬油田施工環(huán)境的酸化液,溶液的組成為:10%HCl+2%HF+3%HAC+緩蝕劑,試驗(yàn)溫度為85 ℃,試驗(yàn)周期為6 h。

管子的殘余應(yīng)力是測(cè)量割縫試樣后按照公式(1)計(jì)算所得[1]:

σT= (ET)(1/DO-1/Df)/(1-υ2)

(1)

式中:σT為殘余應(yīng)力值,MPa (100 MPa以下為好);E為彈性模量,取205 950 MPa;T為壁厚,取上下各8個(gè)點(diǎn)的平均值;DO為外徑,取上下各4個(gè)外徑的平均值;Df為切開(kāi)后的外徑,取上下各4個(gè)外徑的平均值,切口與測(cè)量點(diǎn)錯(cuò)開(kāi);υ為泊松比,取0.29。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 噴砂前后內(nèi)壁表面質(zhì)量情況分析結(jié)果

圖1給出的是通過(guò)體視顯微鏡觀察到的未經(jīng)過(guò)噴砂、石英砂噴砂和高Cr合金砂噴砂后的管子內(nèi)壁表面形貌,其中未經(jīng)過(guò)噴砂的管子編號(hào)1#,石英砂噴砂的管子編號(hào)為2#,高Cr合金砂噴砂管子編號(hào)為3#。從圖1中可以看出,未經(jīng)過(guò)噴砂的管子的內(nèi)壁表面有氧化皮存在,且在有些區(qū)域氧化皮剝落,由于氧化皮是脆性的氧化物組成,未剝落的氧化皮有大量的微觀裂紋,經(jīng)過(guò)石英砂噴砂和合金砂噴砂后的管子內(nèi)壁都沒(méi)有明顯的氧化皮。

圖1 體視顯微鏡觀察到的管子內(nèi)壁形貌Fig.1 Morphology of the inner wall of the tube observed by stereomicroscope

圖2給出的是通過(guò)SEM觀察到的三種狀態(tài)的管子內(nèi)壁形貌和能譜分析的結(jié)果。1#的管子內(nèi)壁覆蓋著氧化物,能譜分析的結(jié)果表明氧化層為Cr、Fe的氧化物。2#管子的內(nèi)壁可能由于噴砂過(guò)程中破碎的石英砂粉末覆蓋,內(nèi)壁在SEM中導(dǎo)電性較差,成像效果不理想。能譜分析的結(jié)果也表明,表面污染較為嚴(yán)重,含有很高的C。3#管子的內(nèi)壁表面成分主要為基體,少量的C、O為試樣表面污染導(dǎo)致的。同時(shí),合金砂噴砂后的表面可以明顯觀察到合金砂對(duì)管料表面造成的切削印記。

圖2 SEM觀察到的管子內(nèi)壁形貌及能譜分析結(jié)果Fig.2 Morphology of the inner wall observed by SEM and the results of energy spectrum analysis

2.2 酸化腐蝕試驗(yàn)后內(nèi)壁表面質(zhì)量情況分析結(jié)果

圖3為三種狀態(tài)的管子酸化試驗(yàn)后用體視顯微鏡觀察到的內(nèi)壁形貌。從圖3中可以看出,1#管子的表面有較多的點(diǎn)蝕坑,在內(nèi)壁表面的幾乎所有的區(qū)域都可以看到淺的條狀紋路,在個(gè)別的區(qū)域還有較長(zhǎng)且有深度的溝槽。經(jīng)過(guò)噴砂的2#和3#管子內(nèi)壁經(jīng)腐蝕后,基本形貌都是均勻腐蝕,沒(méi)有觀察到明顯的點(diǎn)蝕坑。石英砂噴砂后的內(nèi)壁經(jīng)過(guò)酸化后有黃色的物質(zhì)分布在內(nèi)壁表面的凹處。

圖4為三種狀態(tài)的管子酸化試驗(yàn)后用SEM觀察到的內(nèi)壁形貌。從圖4中可以看出未噴砂的管子內(nèi)壁表面的溝槽腐蝕、點(diǎn)蝕。同時(shí),在體視顯微鏡下觀察到的紋路是由一系列的小點(diǎn)蝕坑組成。造成這種紋路的原因應(yīng)與氧化皮微觀裂紋有關(guān),在腐蝕試驗(yàn)過(guò)程中,腐蝕介質(zhì)優(yōu)先從微裂紋處滲入氧化皮與基體的結(jié)合處。噴砂后的管子內(nèi)壁在SEM中也沒(méi)有發(fā)現(xiàn)明顯的腐蝕,在石英砂噴砂后的管子內(nèi)壁上看到盡管經(jīng)過(guò)腐蝕,但仍有少量的石英砂殘留,而合金砂噴砂后的表面,仍有切削的印記。

圖4 SEM觀察到的經(jīng)酸化后三種狀態(tài)管子的內(nèi)壁形貌Fig.4 Morphology of the inner wall after acidification observed by SEM

2.3 噴砂前后殘余應(yīng)力情況分析結(jié)果

每種狀態(tài)的管子分別在1支管子上取2支平行樣進(jìn)行測(cè)試,試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。從表1中可以看出,石英砂噴砂的管子殘余應(yīng)力略低于未噴砂和合金砂噴砂,但總的來(lái)說(shuō)都是在相同的數(shù)量級(jí)。由于每支管子的殘余應(yīng)力狀態(tài)也有差異,因此試驗(yàn)結(jié)果表明的是噴砂前后殘余應(yīng)力相差不大。

表1 管子的殘余應(yīng)力Table 1 Residual stress of pipe MPa

3 分析討論

L80-13Cr油套管在軋制及熱處理過(guò)程中,內(nèi)壁不可避免會(huì)產(chǎn)生氧化鐵皮。氧化皮覆蓋呈不均勻性,且氧化皮的吸濕性極不均勻,在實(shí)際使用過(guò)程中會(huì)加重泥漿的附著趨勢(shì)。同時(shí)氧化皮下存在薄貧鉻層,加劇點(diǎn)蝕及垢下腐蝕。圖5為某油田失效的13Cr管內(nèi)壁形貌,在原始氧化皮殘留的部位發(fā)現(xiàn)有裂紋的萌生和擴(kuò)展。本研究在模擬酸化時(shí),同樣發(fā)現(xiàn)在原始氧化皮附近易產(chǎn)生溝槽和點(diǎn)蝕坑。由此可以解釋為何API 5CT標(biāo)準(zhǔn)會(huì)要求L80-13Cr產(chǎn)品內(nèi)壁不應(yīng)存在氧化皮,同時(shí)ISO 13680標(biāo)準(zhǔn)對(duì)超級(jí)13Cr等高合金產(chǎn)品也同樣有此要求。從實(shí)際除銹效果出發(fā),高Cr不銹鋼合金砂可以更徹底地去除內(nèi)壁氧化物,使油套管內(nèi)壁表面呈現(xiàn)均勻一致的基體材質(zhì)。

圖5 某油田13Cr失效管的內(nèi)壁形貌Fig.5 Inner wall morphology of 13Cr failed pipe in an oil field

經(jīng)研究表明[2],13Cr不銹鋼被碳鋼劃傷后劃痕處會(huì)容易出現(xiàn)銹蝕,即標(biāo)準(zhǔn)所謂的鐵污染影響。這種銹蝕不是13Cr本身的腐蝕,而是劃傷時(shí)殘留在材料表面的碳鋼在腐蝕環(huán)境中發(fā)生腐蝕,碳鋼腐蝕后的腐蝕產(chǎn)物對(duì)材料表面造成了污染。產(chǎn)生的原因是碳鋼的腐蝕電位明顯低于13Cr不銹鋼,當(dāng)碳鋼殘留在13Cr不銹鋼表面時(shí),會(huì)優(yōu)先發(fā)生銹蝕,表象上似乎是13Cr不銹鋼自身產(chǎn)生了腐蝕。當(dāng)然,由于兩者間的電位差較大,如13Cr不銹鋼表面殘留了碳鋼污染,且存在磕碰損傷時(shí),在腐蝕環(huán)境中很可能會(huì)成為點(diǎn)蝕等電化學(xué)腐蝕萌生的突破點(diǎn)。

實(shí)際應(yīng)用中,如圖6所示,采用鑄鋼等普通鋼砂對(duì)L80-13Cr油套管進(jìn)行內(nèi)壁表面噴砂后,短時(shí)間內(nèi),管料內(nèi)壁即會(huì)出現(xiàn)一層浮銹,實(shí)際為殘留在內(nèi)壁上的鑄鋼材料發(fā)生了銹蝕,也印證了上述的分析。本研究采用的高Cr合金砂是一種含Cr30%、含C2%左右的馬氏體型不銹鋼,噴砂過(guò)程中,相當(dāng)于不銹鋼之間互相接觸,由于兩者腐蝕電位相當(dāng),不會(huì)像普通碳鋼噴砂材料一樣產(chǎn)生電位差腐蝕,即所謂的碳鋼污染現(xiàn)象。本研究的結(jié)果也表明,采用非金屬類石英砂及高Cr合金不銹鋼砂進(jìn)行內(nèi)壁表面噴砂,均未發(fā)生溝槽和點(diǎn)蝕等異常。

圖6 采用鑄鋼噴砂處理后的L80-13Cr內(nèi)壁形貌Fig.6 Morphology of L80-13Cr inner wall after sand blasting of cast steel

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)不同噴砂介質(zhì)處理后及未噴砂的L80-13Cr管料內(nèi)壁的形貌觀察、腐蝕試驗(yàn)及殘余應(yīng)力分析,結(jié)合API 5CT產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)的解析討論,得出以下結(jié)論:

(1) L80-13Cr油套管在制造過(guò)程中形成的內(nèi)壁表面氧化鐵皮,在后續(xù)油氣田使用環(huán)境中會(huì)加劇點(diǎn)蝕及垢下腐蝕。

(2) 內(nèi)壁表面噴砂工藝可以有效去除L80-13Cr油套管內(nèi)壁表面的氧化鐵皮,提高其耐腐蝕性能。

(3) 噴砂工藝不會(huì)在油套管產(chǎn)品內(nèi)壁表面產(chǎn)生明顯的殘余應(yīng)力,故并不加劇產(chǎn)品在后續(xù)油田使用過(guò)程中的腐蝕開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)。

(4)相較石英砂,高Cr不銹鋼合金砂去除L80-13Cr內(nèi)壁表面氧化鐵皮的效果更佳,但兩者都不會(huì)與L80-13Cr管料產(chǎn)生電位腐蝕,即所謂的表面鐵污染。