王新虎,尹成先,王建東

(中國石油天然氣集團(tuán)公司石油管工程技術(shù)研究院,陜西西安 710065)

壓應(yīng)力對特殊螺紋套管材料腐蝕的影響

王新虎,尹成先,王建東

(中國石油天然氣集團(tuán)公司石油管工程技術(shù)研究院,陜西西安 710065)

設(shè)計(jì)模擬材料承受壓應(yīng)力的夾具,運(yùn)用高溫高壓釜,試驗(yàn)研究不同壓應(yīng)力下兩種套管鋼材料在硫化氫、二氧化碳與氯離子共同作用下的腐蝕速率,測試壓應(yīng)力作用下套管鋼材料的腐蝕電化學(xué)行為。結(jié)果表明:在試驗(yàn)介質(zhì)中石油套管材料腐蝕形態(tài)為點(diǎn)蝕,壓應(yīng)力的增加對試樣的腐蝕有促進(jìn)作用；當(dāng)壓應(yīng)力小于材料屈服強(qiáng)度的一半時(shí),材料腐蝕不明顯,當(dāng)壓應(yīng)力大于材料拉伸屈服強(qiáng)度的一半以后,材料腐蝕速率快速增加；石油套管與油管特殊螺紋接頭密封面及扭矩臺(tái)肩壓應(yīng)力設(shè)計(jì)值不應(yīng)超過材料屈服強(qiáng)度的一半。

套管；油管；特殊螺紋；碳鋼；不銹鋼；壓應(yīng)力；腐蝕

西部某油田多口井超級13Cr油管特殊螺紋接頭扭矩臺(tái)肩附近發(fā)生腐蝕,外螺紋接頭端面和接箍副扭矩臺(tái)肩位置有一定的倒角,當(dāng)流體流過時(shí)會(huì)形成紊流,從而產(chǎn)生沖刷腐蝕[1]。李振智等[2]發(fā)現(xiàn)在油套管特殊螺紋扭矩臺(tái)肩處發(fā)生縫隙腐蝕,造成腐蝕穿孔。傅朝陽等[3]發(fā)現(xiàn)油、套管腐蝕形態(tài)的形成與流體的沖刷磨蝕作用和油管連接處的縫隙腐蝕作用有關(guān)。高速流體流過API圓螺紋接頭時(shí),流場發(fā)生突變,流線先擴(kuò)大,然后又收縮,由此會(huì)造成局部渦流和較大的壓力波動(dòng),局部區(qū)域出現(xiàn)超低壓,造成流場誘導(dǎo)腐蝕[4]。特殊螺紋套管在接頭部位的腐蝕程度比管體嚴(yán)重,即使高合金耐腐蝕管材在嚴(yán)酷腐蝕環(huán)境中也發(fā)生接頭局部腐蝕。姚京等[5]發(fā)現(xiàn)壓應(yīng)力下1Cr18Ni9不銹鋼在沸騰MgCl2溶液中產(chǎn)生了應(yīng)力腐蝕裂紋。褚武揚(yáng)等[6]發(fā)現(xiàn)LC4鋁合金在3.5%NaCl水溶液中當(dāng)壓縮位移大于臨界值后產(chǎn)生壓應(yīng)力腐蝕裂紋。周長海[7]發(fā)現(xiàn)壓應(yīng)力促進(jìn)了幾種金屬材料(純Ni、Fe,Fe-xCr,Ni-xCr,Fe-xNi合金)的高溫氧化速率。筆者研究壓應(yīng)力對鋼鐵材料在硫化氫、二氧化碳與氯離子共同作用下腐蝕的影響規(guī)律。

1 試驗(yàn)材料及方法

如圖1所示,特殊螺紋接頭在上扣緊固后,內(nèi)螺紋接頭扭矩臺(tái)肩與外螺紋接頭端面緊密壓在一起,所以此處除了結(jié)構(gòu)不連續(xù)外,還受到壓應(yīng)力作用。壓應(yīng)力也會(huì)影響此處腐蝕。

圖1 特殊螺紋接頭結(jié)構(gòu)及通常發(fā)生腐蝕的部位Fig.1 Configuration of premium connection and its position occuring corrosion usually

試驗(yàn)用石油套管材料為標(biāo)準(zhǔn)API Spec 5CT規(guī)定的L80(1類)鋼級套管以及非API標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的超級13 Cr材料,其化學(xué)成分經(jīng)過Baird Spectrovac2000直讀光譜儀與LECO CS-444紅外碳硫分析儀分析確定,結(jié)果見表1。

表1 材料化學(xué)成分Table 1 Chemical composition of material

試驗(yàn)夾具和試樣采用相同的材料,夾具結(jié)構(gòu)如圖2所示。固定橫梁的厚度為6 mm,支撐立柱為Φ10 mm螺栓。

利用螺栓的螺紋旋緊產(chǎn)生試樣的預(yù)緊壓應(yīng)力,將載荷通過墊片分散傳遞到試樣上的均力塊后加載到試樣上各點(diǎn)。由于試樣及夾具尺寸限制無法測量獲得試樣的壓應(yīng)力,利用螺栓的位移與施加到試樣上的載荷的關(guān)系,只要用螺旋測微器控制螺栓的位移變化,就可以控制施加到試樣上的預(yù)緊壓應(yīng)力。用有限元模擬方法獲得這個(gè)載荷關(guān)系。

本夾具設(shè)計(jì)中的接觸問題為平面對平面接觸。用有限元分析方法分析線彈性范圍內(nèi)接觸問題,具有較高精度。采用直接約束的接觸算法,對大面積接觸,能根據(jù)物體的相互作用自動(dòng)探測接觸區(qū)域,施加接觸約束。這種方法對接觸的描述精度高。兩接觸物體定義為可變形接觸體,采用三維實(shí)體六面體單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格。

圖2 夾具示意圖Fig.2 Schematic diagram of fixture

對螺栓螺紋的位移與施加到試樣上的載荷的關(guān)系進(jìn)行分析,得到了位移和平均預(yù)緊壓應(yīng)力的近似直線關(guān)系(圖3),采用此關(guān)系進(jìn)行加載位移的計(jì)算和試驗(yàn)。

圖3 螺栓螺紋位移與預(yù)緊壓應(yīng)力關(guān)系Fig.3 Relation between bolt thread displacement and compressive stress induced by tighten bolt

試樣選用有效段長度為10 mm的Φ4 mm棒狀試樣。試樣的有效段用水砂紙從100#、400#、800#、1200#、1500#逐級打磨,使試樣表面呈鏡面。打磨標(biāo)號后,經(jīng)金屬清洗劑除油,然后再在丙酮中超聲波清洗20 min,烘干,稱重,記錄試樣腐蝕前的質(zhì)量,再經(jīng)清洗干燥后置于干燥器中備用。佩戴細(xì)紗手套將試樣裝夾在夾具上,試樣的有效段用丙酮擦洗保護(hù)后再對其余部分用LG31耐高溫膠密封,以避免產(chǎn)生縫隙腐蝕。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 L80(1類)鋼級材料腐蝕

在常壓條件下用L80(1類)鋼級材料進(jìn)行腐蝕試驗(yàn)。加入分析純Na2S代替通入H2S氣體,用鹽酸調(diào)節(jié)溶液pH至計(jì)算值,然后封閉反應(yīng)釜,向溶液中通入CO2,4 h后溶液飽和,Cl-質(zhì)量濃度為100 g/ L,試驗(yàn)溫度65℃,時(shí)間為168 h。

圖4給出了用失重法測量的腐蝕速率。表明均勻腐蝕不嚴(yán)重。用體視顯微鏡與掃描電鏡觀察試樣表面腐蝕形貌,發(fā)現(xiàn)腐蝕形態(tài)主要為點(diǎn)蝕。相比均勻腐蝕,點(diǎn)蝕是危險(xiǎn)的腐蝕類型,用掃描電鏡對觀測區(qū)域內(nèi)的點(diǎn)蝕密度和蝕坑幾何尺寸進(jìn)行測量與統(tǒng)計(jì),圖5為典型的掃描電鏡觀察與分析形貌,圖6為測量的點(diǎn)蝕嚴(yán)重程度隨壓應(yīng)力變化情況,其中,σs為材料的屈服強(qiáng)度。相比點(diǎn)蝕密度,點(diǎn)蝕深度更能反映點(diǎn)蝕的危害程度,結(jié)果表明腐蝕速率隨壓應(yīng)力總體呈現(xiàn)增加趨勢,當(dāng)壓應(yīng)力水平低于0.5,壓應(yīng)力對L80鋼材料腐蝕影響較小,當(dāng)壓應(yīng)力水平大于0.8σs時(shí)腐蝕速率顯著增加。

圖4 L80(1類)鋼級套管材料的失重法腐蝕試驗(yàn)結(jié)果Fig.4 Corrosion test result of L80(1)casing materials using weight loss method

圖5 L80(1類)鋼級套管材料在各種壓應(yīng)力下的腐蝕形貌Fig.5 Corrosion appearance of L80(1)casing materials at compressive stress

圖6 L80(1類)鋼級套管材料的點(diǎn)蝕程度與壓應(yīng)力關(guān)系Fig.6 Relation between compressive stress and pitting corrosion of L80(1)casing materials

2.2 超級13Cr材料腐蝕

在高溫高壓釜中進(jìn)行有腐蝕性氣體H2S/CO2共同作用下的腐蝕,試驗(yàn)總壓力10.34 MPa,H2S分壓0.21 MPa,CO2分壓3.45 MPa,Cl-質(zhì)量濃度100 mg/L,溫度90℃,試驗(yàn)時(shí)間為72 h。

如圖7所示,材料腐蝕形態(tài)為點(diǎn)蝕,根據(jù)點(diǎn)蝕坑的密度和點(diǎn)蝕坑的大小,可以看出壓應(yīng)力增加對試樣的腐蝕速率有一定的促進(jìn)作用。

圖7 超級13Cr材料在各種壓應(yīng)力下的腐蝕形貌Fig.7 Corrosion appearance of HP13Cr materials at compressive stress

2.3 L80(1類)鋼級材料電化學(xué)試驗(yàn)結(jié)果

壓應(yīng)力對材料腐蝕的影響,在電化學(xué)參量上表現(xiàn)為自腐蝕電位EC、自腐蝕電流密度IC、點(diǎn)蝕電位Eb、交流阻抗譜和極化行為隨壓應(yīng)力的變化。

圖8給出了不同壓應(yīng)力作用下L80(1類)鋼級材料腐蝕電化學(xué)行為。從圖8可以看出,材料在相同溶液同一條件下具有相似的極化行為特征,但隨著壓應(yīng)力增大自腐蝕電位EC和點(diǎn)蝕電位Eb都相應(yīng)負(fù)移,這表明其熱力學(xué)穩(wěn)定性變差,腐蝕傾向增加。從軟件擬合求解出的自腐蝕電流密度IC對比來看,隨著壓應(yīng)力水平的增加,腐蝕速率增大。

圖8 不同壓應(yīng)力作用下L80(1類)鋼級材料腐蝕電化學(xué)行為Fig.8 Corrosion electrochemistry of L80(1)casing materials at compressive stress

3 分析討論

對于存在應(yīng)力作用下材料腐蝕的增加,按照Gutaman[8]的理論實(shí)質(zhì)應(yīng)歸因于對金屬熱力勢(或化學(xué)位)的影響,從而導(dǎo)致對金屬平衡電勢、電極電勢的影響而引起的。研究金屬應(yīng)變電化學(xué)過程需要考慮化學(xué)反應(yīng)活化自由能變化、電荷傳遞反應(yīng)自由能變化以及力學(xué)應(yīng)變能對反應(yīng)的影響。

對一個(gè)不受力狀態(tài)的可逆電極反應(yīng):陽極反應(yīng)和陰極反應(yīng)的電流密度分別為

式中,→I、←I分別為未變形電極的陽極電流(正向半反應(yīng))和陰極電流(逆向半反應(yīng))；→kα和←kα分別為正、逆方向反應(yīng)速度常數(shù)。

受力應(yīng)變狀態(tài)下的電化學(xué)反應(yīng),總自由能變化為

式(5)、(6)中,第一項(xiàng)為化學(xué)反應(yīng)的活化自由能變化,第二項(xiàng)為電荷傳遞反應(yīng)的自由能變化,第三項(xiàng)為施加的應(yīng)力(或應(yīng)變)引起的體系自由能的變化。

承受應(yīng)力狀態(tài)下式(2)、(3)變?yōu)?/p>

彈性應(yīng)變條件下,得到溶解電流為

式中,ΔPV表示力學(xué)作用；R為阿佛加德羅常數(shù)；T為溫度。

由式(7)可以看出,在彈性應(yīng)變階段,力學(xué)作用會(huì)對金屬陽極電流產(chǎn)生影響,而不會(huì)影響陰極電流。

壓應(yīng)力造成的應(yīng)變能是促進(jìn)點(diǎn)蝕發(fā)生的動(dòng)力,同時(shí)也影響點(diǎn)蝕坑的形貌,在掃描電鏡下仔細(xì)觀察點(diǎn)蝕坑的形貌變化,當(dāng)壓應(yīng)力小于屈服強(qiáng)度時(shí),點(diǎn)蝕坑由半球形狀逐漸演化半長橢球,這可能與點(diǎn)蝕的驅(qū)動(dòng)力為彈性應(yīng)變能有關(guān),韓忠英等[9]認(rèn)為點(diǎn)蝕的形貌由初始的半球形狀逐漸演化為半長橢球；點(diǎn)蝕的演化形貌為體系應(yīng)變能與點(diǎn)蝕內(nèi)表面的表面能共同競爭的結(jié)果,應(yīng)變能加速點(diǎn)蝕形狀參數(shù)的變化,而表面能則抵制點(diǎn)蝕的形狀演化。

本試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)當(dāng)壓應(yīng)力大于屈服強(qiáng)度時(shí),點(diǎn)蝕坑為倒三棱錐形貌,可能與陽極溶解選擇在三個(gè)晶粒交界處有關(guān),說明塑性應(yīng)變能使點(diǎn)蝕坑形貌發(fā)生了改變。這說明塑性應(yīng)變能與彈性應(yīng)變能影響點(diǎn)蝕的機(jī)理可能有差別。受力金屬電化學(xué)行為的特點(diǎn)是由于不同變形階段的金屬化學(xué)位不同決定的,化學(xué)位的數(shù)值則決定于變形過程中形成并導(dǎo)致形變強(qiáng)化的位錯(cuò)亞結(jié)構(gòu)。塑性變形條件下,在各種結(jié)構(gòu)缺陷中位錯(cuò)對變形能作出了主要貢獻(xiàn),位錯(cuò)密度與塑性變形程度間的關(guān)系幾乎是線性的。形變強(qiáng)化和位錯(cuò)塞積群的形成對金屬的力學(xué)化學(xué)活性起著決定性的作用。

塑性變形的金屬局部陽極溶解電流可表示為

式中,Δτ為材料形變強(qiáng)化程度；α為位錯(cuò)密度；n為塞積群中的位錯(cuò)數(shù)；k為玻耳茲曼常數(shù)；Nmax為單位體積內(nèi)的最大位錯(cuò)數(shù)。

因此,在形變強(qiáng)化階段塑性變形時(shí),隨著位錯(cuò)在障礙前形成的平面塞積群數(shù)量的增加,位錯(cuò)周圍局部平衡電位降低,使金屬陽極溶解過程加速,陰極反應(yīng)同樣被加速,所以塑性變形階段力學(xué)化學(xué)效應(yīng)比彈性應(yīng)變階段增長顯著。

總之,力學(xué)作用,無論是壓縮還是拉伸,在一定條件下,都將導(dǎo)致金屬腐蝕速度的加速,但不同形變階段金屬力學(xué)化學(xué)活性存在一定的差別。彈性應(yīng)變對金屬腐蝕溶解過程產(chǎn)生作用,但是否影響陰極過程目前的認(rèn)識上仍然存在不同的看法；塑性應(yīng)變對金屬腐蝕過程的影響由于形變強(qiáng)化和位錯(cuò)塞積群的形成對金屬的力學(xué)化學(xué)活性起著決定性的作用,目前統(tǒng)一認(rèn)為對陰/陽極過程均有促進(jìn)作用。

4 結(jié) 論

(1)在試驗(yàn)介質(zhì)中石油套管材料以H2S腐蝕為主導(dǎo),腐蝕形態(tài)為點(diǎn)蝕,壓應(yīng)力的增加對試樣的腐蝕有促進(jìn)作用。

(2)當(dāng)壓應(yīng)力小于材料屈服強(qiáng)度的一半時(shí),材料腐蝕不明顯；當(dāng)壓應(yīng)力大于材料屈服強(qiáng)度的一半以后,材料腐蝕速率快速增加。建議石油套管與油管特殊螺紋接頭密封面及扭矩臺(tái)肩壓應(yīng)力設(shè)計(jì)值不應(yīng)超過材料屈服強(qiáng)度的一半。

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(編輯 沈玉英)

Influence of compressive stress on corrosion of premium connection casing material

WANG Xin-hu,YIN Cheng-xian,WANG Jian-dong
(CNPC Tubular Goods Research Center,Xi?an 710065,China)

The fixture was design to simulate material enduring compressive stress,and the fixture was put in high temperature autoclave,and the corrosion rates of two kinds of casing materials(carbon steel and stainless steel)enduring compressive stress were tested in H2S and CO2and CL-water solution.The corrosion electrochemical behaviors of the steel casing were tested under compressive stress.The results show that the corrosion morphology of oil casing is pitting in the test medium. The compressive stress accelerates the corrosion of petroleum casing steel.When the compressive stress is less than the half of the material yield strength,material corrosion is not obvious,and the corrosion rate increases quickly when compressive stress is greater than the half of the yield strength.The compressive stress design values of oil casing and tubing premium connection sealing surface and torque shoulder should not exceed the half of yield strength of material.

casing；tubing；premium connection；carbon steel；stainless steel；compressive stress；corrosion

TG 142；TG 171

A

1673-5005(2013)02-0119-05

10.3969/j.issn.1673-5005.2013.02.020

2012-10-22

中國石油天然氣集團(tuán)公司應(yīng)用基礎(chǔ)項(xiàng)目(06A40101)

王新虎(1962-),男,教授級高級工程師,工學(xué)碩士,研究方向?yàn)槭凸苁Х治?。E-mail:wangxinhu002@cnpc.com.cn。