深水油氣閥門關(guān)鍵材料模擬腐蝕試驗(yàn)研究*

余朋偉, 賈軍輝, 孫艷超, 郭佳美, 閆宇航, 何志強(qiáng)

(1.中油國家油氣鉆井裝備工程技術(shù)研究中心有限公司，陜西 寶雞 721001；2.寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司，陜西 寶雞 721001)

海水腐蝕和高壓環(huán)境給深水油氣裝備材料的選擇帶來挑戰(zhàn)，既合適又經(jīng)濟(jì)的材料的選擇非常關(guān)鍵。尤其是在水下1 500 m左右的環(huán)境中使用的深水閥門，各零部件不僅需要承受來自深水的壓力，還將面臨海水腐蝕(包括化學(xué)腐蝕及微生物腐蝕等)。海水中的氯離子具有極強(qiáng)腐蝕活性，會(huì)替換掉氯化層中的氧元素，變成可溶性物質(zhì)，從而造成嚴(yán)重的腐蝕破壞。在工作過程中，閥門零件金屬表面還會(huì)與腐蝕液體相互作用，從而加劇元件摩擦副的腐蝕與磨損，導(dǎo)致元件的性能和壽命降低[1-3]。

為了更好地了解材料的腐蝕狀況，研究深水閥門耐腐蝕性能，研究人員開發(fā)了一種加速腐蝕的試驗(yàn)方法來實(shí)況模擬閥門腐蝕[4-5]。

1 試驗(yàn)?zāi)康暮驮囼?yàn)方法

1.1 試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

水下作業(yè)時(shí)，閥門內(nèi)部介質(zhì)為屬性較為復(fù)雜的高壓氣液相含酸流體，在閥門開啟狀態(tài)下高速流體將對通道產(chǎn)生很強(qiáng)的腐蝕迭代沖刷作用，材料表面由于腐蝕形成銹層，再加上高速流體沖刷，造成各零部件腐蝕損耗。當(dāng)高速流體中含硫含酸濃度過高時(shí)，其破壞作用大大加劇，增加了產(chǎn)品材料的質(zhì)量損失速率。為降低沖蝕影響，必須尋找高效的耐沖蝕材料,從而提高閥門的周期內(nèi)可靠性[6-8]。

1.2 試驗(yàn)裝置

在參考國內(nèi)外模擬海洋加速腐蝕試驗(yàn)方法及材料腐蝕模型等有關(guān)資料基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)制造一套全浸腐蝕試驗(yàn)裝置，進(jìn)行實(shí)況模擬深水閥門腐蝕[9]。

將試驗(yàn)樣品放在一個(gè)固定的密閉高壓艙里，通過增壓泵對艙內(nèi)注入海水，加壓至15 MPa，保持壓力穩(wěn)定，以此模擬1 500 m水深的海水壓力。整個(gè)試驗(yàn)裝置各部件均由耐腐蝕材料組成，試驗(yàn)艙內(nèi)部有特種防腐涂層，加壓管線采用特種耐蝕管。試驗(yàn)裝置見圖1。

圖1 模擬腐蝕試驗(yàn)裝置

1.3 試驗(yàn)方法

根據(jù)美國標(biāo)準(zhǔn)ASTM B117的規(guī)定，參考中性鹽霧(NSS法)的方法進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)條件見表1。

表1 試驗(yàn)條件及材料

1.3.1 初始檢測

試驗(yàn)前，將試樣加工成一定形狀的試片，每種材料的樣品為3組，共9片，各樣品表面粗糙度為0.8，然后用光學(xué)顯微鏡分別對試樣樣品進(jìn)行外觀檢查，保證試驗(yàn)樣品表面干凈，無油污、無臨時(shí)性的保護(hù)膜。

1.3.2 預(yù)處理

試驗(yàn)前試樣經(jīng)220號(hào)、400號(hào)和600號(hào)砂紙逐級打磨，清水沖洗，丙酮除油，稱質(zhì)量并測量工作面尺寸，試驗(yàn)前應(yīng)盡量避免用手接觸試驗(yàn)樣品的表面。

1.3.3 試驗(yàn)步驟

(1)試驗(yàn)時(shí)將試樣樣品置于壓力艙中，保證試樣樣品牢固固定在固定架中，試樣間距保持在20 mm左右；

(2)試驗(yàn)初始鹽霧浸泡量為液體剛剛淹沒試樣；

(3)試驗(yàn)程序?yàn)椋撼航?12 h)—帶壓(15 MPa)浸泡(12 h)—沖刷，由控制臺(tái)進(jìn)行整體控制；

(4)按照試驗(yàn)程序連續(xù)循環(huán)30次，每次循環(huán)結(jié)束后取出樣品進(jìn)行稱質(zhì)量，每10天取出一組樣品進(jìn)行表面微觀檢查和稱質(zhì)量。

1.3.4 恢 復(fù)

試驗(yàn)結(jié)束后，用室溫下流動(dòng)的水輕輕洗去試樣表面的沉積物，然后用去離子水漂洗，再在標(biāo)準(zhǔn)的大氣條件下恢復(fù)2 h，最后進(jìn)行微觀檢查。

1.3.5 最后檢測

恢復(fù)后樣品采用精度為0.01 mg的電子分析天平稱質(zhì)量，并進(jìn)行質(zhì)量損失分析。用金相顯微鏡觀察形貌和表面腐蝕情況。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 合金鋼3YC62

3YC62是一種含有碳化鎢的合金鋼配方材料，經(jīng)掛片腐蝕試驗(yàn)后，試樣的表面形貌見圖2。由圖2可以看出：掛片表面有輕微銹斑，表面顏色變化輕微，局部無凹坑和無裂紋，放大觀察后發(fā)現(xiàn)表面沖蝕痕跡不明顯。3YC62掛片腐蝕速率數(shù)據(jù)見表2。3YC62材料在10 d,20 d和30 d平均質(zhì)量損失速率分別為0.386,0.357和0.348 mg/(cm2·d)。

表2 3YC62實(shí)況模擬掛片質(zhì)量損失數(shù)據(jù)

圖2 3YC62實(shí)況模擬掛片腐蝕形貌(試驗(yàn)后) 100×

研究結(jié)果表明：按稱質(zhì)量判定法對樣品耐腐蝕性能進(jìn)行評判，該材料耐蝕等級屬于優(yōu)，具有很高的耐蝕性，抗磨損性較好，適合在強(qiáng)腐蝕高流沖刷環(huán)境下使用。

2.2 銅合金H65

經(jīng)實(shí)況模擬掛片腐蝕試驗(yàn)后，試樣的表面形貌見圖3。試樣表面顏色變化不明顯、局部無凹坑和裂紋，表面沖刷劃痕較為明顯。銅合金H65腐蝕速率見表3。銅合金H65在10 d,20 d和30 d 平均質(zhì)量損失速率分別為0.716,0.622和0.594 mg/(cm2·d)。

表3 銅合金H65實(shí)況模擬掛片質(zhì)量損失數(shù)據(jù)

圖3 H65實(shí)況模擬掛片腐蝕形貌 100×

結(jié)果表明：按稱質(zhì)量判定法對樣品耐腐蝕性能進(jìn)行評判,耐蝕等級屬于優(yōu)，銅合金H65具有高的耐蝕性，抗磨損性一般，適合在強(qiáng)腐蝕環(huán)境下使用。

2.3 高強(qiáng)度鋼40CrNiMoA

經(jīng)實(shí)況模擬掛片腐蝕試驗(yàn)后，試樣的表面形貌見圖4。由圖4可以看出，試樣表面顏色變化比較明顯、局部無凹坑和無裂紋。高強(qiáng)度鋼40CrNiMoA腐蝕速率見表4。高強(qiáng)度鋼40CrNiMoA在10 d,20 d和30 d平均質(zhì)量損失速率分別為 0.805,0.792和0.777 mg/(cm2·d)。

表4 40CrNiMoA實(shí)況模擬掛片質(zhì)量損失數(shù)據(jù)

圖4 40CrNiMoA實(shí)況模擬掛片腐蝕形貌(試驗(yàn)后) 100×

結(jié)果表明：40CrNiMoA材料耐蝕性較差，雖然抗磨損性較好，但質(zhì)量損失速率較大，只能適合在腐蝕較弱環(huán)境下使用。

三種材料進(jìn)行實(shí)況模擬腐蝕試驗(yàn)后質(zhì)量損失數(shù)據(jù)對比見圖5，質(zhì)量損失速率-時(shí)間曲線見圖6。

圖5 三種材料試驗(yàn)后質(zhì)量損失速率對比

圖6 三種材料質(zhì)量損失-時(shí)間曲線對比

3 結(jié) 論

(1)實(shí)況模擬腐蝕裝置表現(xiàn)出良好的模擬性，有效滿足了“應(yīng)力+腐蝕+沖刷”的復(fù)合加載能力，能夠有效評價(jià)深水閥門材料的防腐性能。

(2)3YC62 和 H65在試驗(yàn)中表面生成了較小量覆蓋基體的銹層，但隨著多次腐蝕沖刷，3YC62相比H65銹層累積少，根據(jù)兩者的質(zhì)量損失速率明顯變小的特點(diǎn)，說明銹層對基體起到一定的保護(hù)作用，延緩了腐蝕。40CrNiMoA表面雖然抗沖刷能力較強(qiáng)，但銹蝕較為嚴(yán)重，腐蝕速率隨時(shí)間變化不明顯。

(3)通過對3YC62，H65和40CrNiMoA進(jìn)行腐蝕性能試驗(yàn)，三種材料耐海水腐蝕性能各有所不同。從防腐角度考慮，推薦閥體材料采用H65，閥芯材料采用3YC62，既保證了閥門良好的防腐性能，又保證了深水作業(yè)的生產(chǎn)周期內(nèi)可靠性。