鋁合金鉆桿在腐蝕環(huán)境下的力學(xué)性能

王濟(jì)生 陳衛(wèi)東 孔永平

(1.河南中原重型鍛壓有限公司，河南 濟(jì)源 454650；2.河南省豫隆科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，鄭州 450001)

鉆桿是鉆具系統(tǒng)中連接地表鉆探設(shè)備和井底鉆磨設(shè)備的重要部分，他要求工作時(shí)能承受巨大的內(nèi)外壓、彎曲、扭曲和振動(dòng)，其性能決定了鉆具系統(tǒng)鉆井的深度。隨著地表淺層資源的開(kāi)發(fā)殆盡，深層資源的開(kāi)發(fā)條件又相對(duì)惡劣，對(duì)鉆具系統(tǒng)中鉆桿的要求也越來(lái)越嚴(yán)格，鉆桿成為了制約石油、天然氣等地下資源開(kāi)采的卡脖子問(wèn)題[1，2]。實(shí)際鉆探中使用較多的是鋼制鉆桿，雖然鋼鉆桿強(qiáng)度較高，但由于密度大、抗彎能力差等問(wèn)題無(wú)法應(yīng)用于深井、超深井等鉆探工程中，具有密度低、比強(qiáng)度高等性能的輕質(zhì)鉆桿已經(jīng)成為鉆探行業(yè)的青睞品，如鋁合金鉆桿、鈦合金鉆桿[3，4]。在實(shí)際應(yīng)用中，鈦合金鉆桿成本高、制造工藝難度大使得鋁合金鉆桿應(yīng)用更加廣泛、使用率更高[5]，鋁合金鉆桿在國(guó)外如美國(guó)、德國(guó)等已經(jīng)得到了廣泛使用[6]。

在鉆井過(guò)程中，鉆井環(huán)境的復(fù)雜多樣對(duì)鉆桿產(chǎn)生了巨大影響。尤其是在井下高溫高壓的環(huán)境下，鉆桿極其容易發(fā)生腐蝕，而腐蝕因素也是鋁合金鉆桿技術(shù)的薄弱點(diǎn)之一[7，8]。鋼鉆桿在富含CO2和H2S的環(huán)境中很容易產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕，發(fā)生鉆桿斷裂。與鋼鉆桿相比，鋁合金鉆桿具有較好的抗CO2和H2S腐蝕性能[9-11]，在CO2和H2S環(huán)境中不會(huì)發(fā)生氫脆現(xiàn)象，但目前關(guān)于鋁合金在腐蝕環(huán)境下的力學(xué)性能變化的相關(guān)研究很少。本文針對(duì)不同材料的鋁合金鉆桿，采用不同條件對(duì)鉆桿進(jìn)行腐蝕處理，檢測(cè)鉆桿被腐蝕后的力學(xué)性能，計(jì)算鉆桿的力學(xué)性能損失率，分析腐蝕條件對(duì)鋁合金鉆桿力學(xué)性能的影響，對(duì)鋁合金鉆桿材料的選擇提供參考。

1 試驗(yàn)

首先，將D16T、1953T1及7E04鋁合金鉆桿分別置于3.5% NaCl+NaOH(pH=11)、3.5% NaCl(pH=7)、3.5% NaCl+CH3COOH(pH=3)三種腐蝕環(huán)境中進(jìn)行處理，處理溫度為28 ℃，腐蝕時(shí)間為120 h；然后，將樣品取出、晾干，檢測(cè)經(jīng)處理后鋁合金鉆桿的拉伸性能、硬度及沖擊性能；將未進(jìn)行腐蝕處理的鋁合金設(shè)置為對(duì)照組，檢測(cè)其拉伸性能、硬度及沖擊性能。

室溫拉伸試驗(yàn)采用DDL電子拉伸試驗(yàn)機(jī)在室溫條件下，按照GB/T 228.1—2010 《金屬材料拉伸試驗(yàn)方法》要求對(duì)試樣進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn)檢測(cè)，拉伸時(shí)采用0.5 mm/min的速度進(jìn)行慢速拉伸。每組試驗(yàn)測(cè)試3次，結(jié)果取平均值。

硬度測(cè)試試驗(yàn)在HB 3000B布氏硬度機(jī)上按照GB/T 231.1—2018 《金屬材料布氏硬度試驗(yàn)》要求對(duì)試樣進(jìn)行硬度檢測(cè)。每組試驗(yàn)選取2個(gè)樣片，打磨后每個(gè)樣片測(cè)試5個(gè)點(diǎn)，結(jié)果取平均值。

沖擊試驗(yàn)按GB/T 229—2020 《金屬材料夏比擺錘實(shí)驗(yàn)方法》要求，在擠壓方向切取夏比沖擊試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)試樣，在試樣上開(kāi)“V”型缺口。

通過(guò)對(duì)比對(duì)照組與試驗(yàn)組的結(jié)果數(shù)據(jù)，分析腐蝕環(huán)境對(duì)鋁合金的力學(xué)性能的影響，計(jì)算鋁合金鉆桿的力學(xué)性能損失率。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 腐蝕處理后D16T鋁合金鉆桿的力學(xué)性能

腐蝕處理后D16T鋁合金鉆桿的力學(xué)性能檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1所示。由圖1及表1可知，經(jīng)過(guò)腐蝕處理后，D16T鋁合金鉆桿的力學(xué)性能有不同程度的下降，當(dāng)腐蝕環(huán)境為中性(即3.5% NaCl溶液)時(shí)，D16T鋁合金鉆桿的力學(xué)性能基本保持不變；當(dāng)腐蝕環(huán)境為酸性(3.5% NaCl+CH3COOH)時(shí)，D16T鋁合金鉆桿的力學(xué)性能有微小程度的下降，但其各項(xiàng)性能損失率均小于1%；當(dāng)腐蝕環(huán)境為堿性(3.5% NaCl+NaOH溶液)時(shí)，D16T鋁合金鉆桿的力學(xué)性能下降幅度最大，其中屈服強(qiáng)度損失率為2.61%，伸長(zhǎng)率損失率為2.51%，抗拉強(qiáng)度損失率為2.45%，硬度損失率為2.34%，沖擊性能損失率為2.32%。這些結(jié)果表明，D16T鋁合金鉆桿具有較強(qiáng)的抗腐蝕能力，不同腐蝕環(huán)境下D16T鉆桿的抗腐蝕能力大小依次為：中性環(huán)境抗腐蝕能力>酸性環(huán)境抗腐蝕能力>堿性環(huán)境抗腐蝕能力。

圖1 腐蝕處理后D16T鋁合金鉆桿的力學(xué)性能損失率Fig.1 Loss rate of mechanical properties of D16T aluminum alloy drill pipe after corrosion treatment

表1 腐蝕前后D16T鋁合金鉆桿的力學(xué)性能Table 1 Mechanical properties of D16T aluminum alloy drill pipe before and after corrosion

2.2 腐蝕處理后1953T1鋁合金鉆桿的力學(xué)性能

腐蝕處理后1953T1鋁合金鉆桿的力學(xué)性能檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表2，其力學(xué)性能損失率變化情況見(jiàn)圖2。由表2及圖2可知，在中性腐蝕環(huán)境(3.5% NaCl溶液)中，1953T1鋁合金鉆桿的力學(xué)性能基本不發(fā)生變化，僅屈服強(qiáng)度下降了0.2%；在酸性環(huán)境(3.5% NaCl+CH3COOH溶液)中，1953T1鋁合金鉆桿的力學(xué)性能稍有下降，其中屈服強(qiáng)度下降0.99%，伸長(zhǎng)率下降0.82%，硬度下降0.77%，抗拉強(qiáng)度下降0.72%，沖擊吸收能量下降0.34%；而在堿性環(huán)境(3.5% NaCl+NaOH溶液)中，1953T1鋁合金鉆桿的力學(xué)性能下降幅度較為明顯，其中屈服強(qiáng)度損失率達(dá)到了4.15%，抗拉強(qiáng)度損失率達(dá)到了4.11%，伸長(zhǎng)率損失率為3.71%，沖擊吸收能量損失率為3.2%，硬度損失率為3.08%。結(jié)果表明，1953T1鋁合金鉆桿具有較強(qiáng)的抗腐蝕能力，其抗腐蝕能力大小依次為中性環(huán)境抗腐蝕能力>酸性環(huán)境抗腐蝕能力>堿性環(huán)境抗腐蝕能力。

表2 腐蝕前后1953T1鋁合金鉆桿的力學(xué)性能Table 2 Mechanical properties of 1953T1 aluminum alloy drill pipe before and after corrosion

圖2 腐蝕處理后1953T1鋁合金鉆桿的力學(xué)性能損失率Fig.2 Loss rate of mechanical properties of 1953T1 aluminum alloy drill pipe after corrosion treatment

2.3 腐蝕處理后7E04鋁合金鉆桿的力學(xué)性能

腐蝕處理后7E04鋁合金鉆桿的力學(xué)性能檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表3，其力學(xué)性能損失率變化情況見(jiàn)圖3。由表3及圖3可知，在中性環(huán)境(3.5% NaCl溶液)中，7E04鋁合金鉆桿的力學(xué)性能基本不發(fā)生變化，僅抗拉強(qiáng)度損失率達(dá)到0.14%；在酸性環(huán)境(3.5% NaCl+CH3COOH溶液)中，7E04鋁合金鉆桿的力學(xué)性能有輕微程度的下降，其中屈服強(qiáng)度下降0.98%，抗拉強(qiáng)度下降0.89%，硬度下降0.77%，伸長(zhǎng)率下降0.57%，沖擊吸收能量下降0.46%；在堿性環(huán)境(3.5%NaCl+NaOH溶液)中，7E04鋁合金鉆桿的力學(xué)性能有明顯程度的下降，其中抗拉強(qiáng)度的損失率達(dá)到4.90%，屈服強(qiáng)度損失率達(dá)到了4.73%，硬度損失率為4.62%，沖擊吸收能量損失率為3.96%，伸長(zhǎng)率損失率為3.88%。結(jié)果表明，7E04鋁合金鉆桿具有一定的抗腐蝕能力，在中性環(huán)境和酸性環(huán)境中抗腐蝕能力較強(qiáng)，堿性環(huán)境下抗腐蝕能力較弱。

表3 腐蝕前后7E04鋁合金鉆桿的力學(xué)性能Table 3 Mechanical properties of 7E04 aluminum alloy drill pipe before and after corrosion

圖3 腐蝕處理后7E04鋁合金鉆桿的力學(xué)性能損失率Fig.3 Loss rate of mechanical properties of 7E04 aluminum alloy drill pipe after corrosion treatment

由以上結(jié)果可知，D16T、1953T1及7E04三種鋁合金鉆桿在中性環(huán)境(3.5% NaCl溶液)中的力學(xué)性能基本不發(fā)生變化在酸性環(huán)境(3.5% NaCl+CH3COOH溶液)中力學(xué)性能有較小程度的下降，在堿性環(huán)境(3.5% NaCl+NaOH溶液)中有明顯的下降，可見(jiàn)這三種鋁合金鉆桿在堿性和中性環(huán)境中發(fā)生了明顯的腐蝕現(xiàn)象，在堿性環(huán)境中的抗腐蝕性能比酸性和中性環(huán)境中的抗腐蝕性能差。D16T、1953T1及7E04三種鋁合金鉆桿的材料相比，D16T鋁合金鉆桿的力學(xué)性能損失率較小，說(shuō)明D16T鋁合金鉆桿的抗腐蝕能力比其他兩種鋁合金鉆桿的更強(qiáng)。

3 討論

由于鋁的性質(zhì)比較活潑，易與空氣中的氧氣發(fā)生反應(yīng)鈍化形成氧化膜，且氧化膜的穩(wěn)定性較強(qiáng)，能夠阻止鋁合金鉆桿在酸性環(huán)境中發(fā)生腐蝕[12-14]，鋁合金鉆桿具有較強(qiáng)的抗酸性環(huán)境腐蝕能力。在實(shí)際的使用過(guò)程中，由于鋁合金鉆桿具有更高的比強(qiáng)度，并且在H2S環(huán)境中完全不發(fā)生腐蝕，使用鋁合金鉆桿替代鋼鉆桿不僅可以增加鉆探的深度，還可以減少腐蝕斷裂現(xiàn)象的發(fā)生、降低鉆井中的事故發(fā)生率，縮短事故處理的時(shí)間[15-17]。

D16T、1953T1及7E04三種鋁合金鉆桿在不同的環(huán)境中腐蝕處理后，其力學(xué)性能指標(biāo)變化也不相同。中性環(huán)境腐蝕后，三種鋁合金鉆桿的力學(xué)性能基本不發(fā)生變化，說(shuō)明D16T、1953T1及7E04鋁合金鉆桿在中性環(huán)境中具有很強(qiáng)的抗腐蝕能力。在酸性環(huán)境中腐蝕處理后，D16T、1953T1及7E04鋁合金鉆桿的力學(xué)性能有輕微程度的下降，但與堿性環(huán)境腐蝕處理后的力學(xué)性能相比，在酸性腐蝕后的力學(xué)性能指標(biāo)更高，堿性腐蝕后力學(xué)性能損失率更大，說(shuō)明D16T、1953T1及7E04鋁合金鉆桿具有較強(qiáng)的抗酸性腐蝕能力，而抗堿性腐蝕能力相對(duì)較弱。這是因?yàn)?，堿性環(huán)境能使氧化膜溶解，鋁合金表面的氧化膜遭到了破壞，并有析氫現(xiàn)象的發(fā)生，加速了鋁合金的腐蝕[6]；氧化膜在中性環(huán)境中較為穩(wěn)定，在酸性條件下阻止了鋁合金的腐蝕。這與文獻(xiàn)[18，19]報(bào)道的研究結(jié)果一致。

經(jīng)過(guò)腐蝕處理后，D16T鋁合金鉆桿的力學(xué)性能下降幅度相對(duì)較低，其抗腐蝕能力相比1953T1及7E04兩種鋁合金鉆桿更強(qiáng)。但是，在實(shí)際應(yīng)用于鉆探工程中時(shí)，不僅需要考慮鉆桿的耐腐蝕性能，還要結(jié)合鉆探的環(huán)境，考慮服役環(huán)境對(duì)鉆桿的力學(xué)性能要求[20-22]。由于D16T的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度較低，不能滿(mǎn)足深井環(huán)境對(duì)鉆桿的強(qiáng)度要求。1953T1及7E04兩種鋁合金鉆桿比D16T鋁合金鉆桿具有更高的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度，因此1953T1及7E04這兩種鋁合金鉆桿具有更好的市場(chǎng)應(yīng)用前景。

D16T、1953T1及7E04鋁合金鉆桿分別經(jīng)過(guò)強(qiáng)堿性腐蝕處理后，7E04的力學(xué)性能及沖擊性能損失率相對(duì)較高，其屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率及硬度損失率分別為4.73%、4.90%、3.88%、4.62%，沖擊性能損失率為3.96%，但是均不超過(guò)5%。腐蝕后，7E04、D16T、1953T1的力學(xué)性能仍滿(mǎn)足GB/T 20659—2017《石油天然氣工業(yè)鋁合金鉆桿》對(duì)鋁合金鉆桿規(guī)定的性能要求。因此，根據(jù)不同的鋁合金鉆桿腐蝕后的力學(xué)性能變化，可以根據(jù)鉆探的環(huán)境及對(duì)鉆桿的性能要求，選擇符合要求的鋁合金鉆桿。

4 結(jié)論

D16T、1953T1及7E04三種鋁合金鉆桿具有很強(qiáng)的抗中性環(huán)境腐蝕和抗酸性環(huán)境腐蝕的能力。但三種鋁合金鉆桿經(jīng)過(guò)強(qiáng)堿性腐蝕處理后，其力學(xué)性能均有明顯下降，其中7E04的力學(xué)性能損失率相對(duì)較高，其屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率及硬度損失率分別為4.73%、4.90%、3.88%、4.62%，沖擊吸收能量損失率為3.96%，但是均不超過(guò)5%。與D16T及1953T1鋁合金鉆桿相比，7E04鋁合金鉆桿抗堿性腐蝕能力最低。D16T的力學(xué)性能損失率最低，其屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率及硬度損失率分別為2.61%、2.45%、2.51、2.34%，沖擊吸收能量損失率為2.32%，與1953T1及7E04鋁合金鉆桿相比，抗堿性腐蝕能力最強(qiáng)。經(jīng)腐蝕后，7E04、D16T、1953T1的力學(xué)性能仍滿(mǎn)足GB/T 20659—2017 《石油天然氣工業(yè)鋁合金鉆桿》對(duì)鋁合金鉆桿規(guī)定的性能要求。因此，根據(jù)不同的鋁合金鉆桿腐蝕后的力學(xué)性能變化情況，可結(jié)合鉆探的環(huán)境及對(duì)鉆桿的性能要求選擇符合要求的鋁合金鉆桿。