張忠鏵，齊亞猛，郭金寶，張春霞

(寶山鋼鐵股份有限公司 上海 201900)

·試驗(yàn)研究·

抗硫管硫化物應(yīng)力腐蝕開裂試驗(yàn)方法探討

張忠鏵，齊亞猛，郭金寶，張春霞

(寶山鋼鐵股份有限公司 上海 201900)

近年來高井深、高溫高壓和高含硫等苛刻腐蝕環(huán)境的油氣田相繼開發(fā)，對高鋼級油套管需求日益增加。然而抗硫化物應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)的鋼材強(qiáng)度等級增加會導(dǎo)致抗硫?qū)嶒?yàn)中加載的載荷值越來越接近材料的名義屈服強(qiáng)度，應(yīng)力環(huán)系統(tǒng)的細(xì)微偏差會導(dǎo)致較大的實(shí)驗(yàn)誤差。通過試驗(yàn)，分析了應(yīng)力環(huán)在恒載荷試驗(yàn)中存在的主要問題，其中應(yīng)力環(huán)體位移-載荷曲線偏移和附加彎矩(扭矩)是應(yīng)力環(huán)恒載荷結(jié)果離散度大的主要原因。為有效解決這些問題，自主研發(fā)了帶有更精準(zhǔn)砝碼載荷加載和自動調(diào)心裝置的六頭砝碼式恒載荷試驗(yàn)機(jī)，經(jīng)試驗(yàn)證實(shí)其試驗(yàn)結(jié)果較應(yīng)力環(huán)系統(tǒng)更具穩(wěn)定性和可靠性。此外，結(jié)合恒載荷(A法)和雙懸臂梁試驗(yàn)(D法)特點(diǎn)，對油套管抗SSC試驗(yàn)方法給出了合理建議。

抗硫管；硫化物應(yīng)力腐蝕開裂；應(yīng)力環(huán)；六頭砝碼式恒載荷試驗(yàn)機(jī)

0 引 言

硫化氫環(huán)境下，硫化物應(yīng)力腐蝕開裂(SSC)、氫致開裂(HIC)和電化學(xué)腐蝕是金屬主要的腐蝕失效形式[1]，其中SSC是抗硫管和其他設(shè)備破壞性和危害性最大的一種形式[2]。SSC是指酸性環(huán)境中金屬材料在拉應(yīng)力或殘余應(yīng)力作用下發(fā)生的低應(yīng)力且無預(yù)兆的突發(fā)性斷裂。其作用機(jī)理是濕H2S環(huán)境中鋼表面腐蝕產(chǎn)生的氫原子滲入鋼內(nèi)部，進(jìn)而固溶于晶格中，在氫降低原子鍵合力(HID)和氫壓(HP)作用下使鋼的脆性增加，在較低外加拉應(yīng)力或殘余應(yīng)力下形成開裂[3-5]。由腐蝕機(jī)理可知，抗硫管產(chǎn)生SSC的基本條件有兩個(gè)，如圖1所示：1)環(huán)境介質(zhì)中酸性H2S含量需超過臨界值；2)拉應(yīng)力的存在，兩者相互作用，互不可缺。

由于SSC導(dǎo)致的破壞往往沒有明顯預(yù)兆性的脆性斷裂，對抗硫管等油田用管的危害性極大。因此，抗硫化物應(yīng)力腐蝕開裂性能試驗(yàn)顯得尤為重要。美國腐蝕工程師協(xié)會(NACE)、歐洲腐蝕聯(lián)合會(EFC)、國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)和美國材料與試驗(yàn)協(xié)會(ASTM)都建立了相應(yīng)的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，詳細(xì)情況見表1所示。歸納以上幾種標(biāo)準(zhǔn)，SSC試驗(yàn)方法主要有標(biāo)準(zhǔn)單軸拉伸試驗(yàn)(UT)、三點(diǎn)彎梁試驗(yàn)(TPB)、四點(diǎn)彎梁試驗(yàn)(FPB)、C-形環(huán)試驗(yàn)(CR)和雙懸臂梁試驗(yàn)(DCB)。不同試驗(yàn)方法，SSC試驗(yàn)的評定指標(biāo)也不同。其中單軸拉伸試驗(yàn)法由于操作方法相對簡單，試驗(yàn)重復(fù)性好等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用。該方法是對圓棒試樣施加單軸向載荷并保持載荷，應(yīng)力環(huán)因其體積較小、操作較為方便等優(yōu)點(diǎn)被推薦作為測量載荷的設(shè)備，然而在實(shí)驗(yàn)過程中由于變形量-載荷對應(yīng)關(guān)系、軸心度等問題容易導(dǎo)致很大的誤差，主要誤差形式如下：1) 材料未到屈服即發(fā)生延伸；2)相同環(huán)境下每組3根平行試樣，一根試樣在極短的時(shí)間內(nèi)發(fā)生斷裂(30 h以內(nèi))，另一根超過720 h仍不斷裂；3)同材質(zhì)試樣在低載荷加載時(shí)未能通過檢驗(yàn)，而在較大載荷加載時(shí)則可以通過檢驗(yàn)(大于720 h)。針對以上情況，本文詳細(xì)研究了應(yīng)力環(huán)設(shè)備進(jìn)行SSC試驗(yàn)產(chǎn)生誤差的原因，并從設(shè)備和試驗(yàn)方法方面給出了相應(yīng)的改進(jìn)措施和建議。

圖1 SSC腐蝕機(jī)理圖

協(xié)會或組織SSC標(biāo)準(zhǔn)NACENACETM0177EFCEFC16ISOISO7539 ISO15156ASTMASTMG系列(G30、G38、G39、G49、G58)

2 應(yīng)力環(huán)工作原理及存在問題

2.1 應(yīng)力環(huán)工作原理

應(yīng)力環(huán)結(jié)構(gòu)如圖2所示。測試試樣穿過試驗(yàn)容器通過夾套或螺母固定在應(yīng)力環(huán)的中央，通過加載螺帽使得應(yīng)力環(huán)環(huán)體發(fā)生壓縮變形，由于應(yīng)力環(huán)整體是一個(gè)彈性體，環(huán)體發(fā)生壓縮變形后會對試樣有一定的拉伸應(yīng)力，從而給試驗(yàn)試樣加載某一載荷。試樣載荷是通過測定應(yīng)力環(huán)變形量和載荷量而確定的，變形量是應(yīng)力環(huán)上下兩平臺的位移量，由于下平臺固定在應(yīng)力環(huán)設(shè)備基座上面，因此應(yīng)力環(huán)總的變形量主要是上平臺的位移量。該位移量可以通過上平臺的千分表來測定。通常情況下，在量程范圍內(nèi)應(yīng)力環(huán)的載荷和變形量呈近似線性關(guān)系。

雖然應(yīng)力環(huán)具有體積小、原理合理等優(yōu)點(diǎn)，但是在幾種系統(tǒng)偏差作用下試樣在單軸拉伸加載過程會出現(xiàn)較大誤差。況且隨著鋼材強(qiáng)度等級越來越高，要求加載的載荷值越來越接近材料的名義屈服強(qiáng)度，應(yīng)力環(huán)系統(tǒng)的細(xì)微偏差會導(dǎo)致較大的實(shí)驗(yàn)誤差。因此，本文通過試驗(yàn)測試分析了應(yīng)力環(huán)存在的系統(tǒng)偏差。

圖2 應(yīng)力環(huán)結(jié)構(gòu)圖

2.2 應(yīng)力環(huán)存在的問題(系統(tǒng)偏差)

2.2.1 力學(xué)特性引起的系統(tǒng)偏差

應(yīng)力環(huán)裝置是通過壓縮變形產(chǎn)生反作用力以對試樣進(jìn)行施加拉伸載荷的。通常情況下，在量程范圍內(nèi)應(yīng)力環(huán)的壓縮變形量和應(yīng)力載荷有一一對應(yīng)關(guān)系，并且呈線性關(guān)系。然而在反復(fù)較大載荷作用下應(yīng)力環(huán)由于疲勞性能會導(dǎo)致明顯的變形量-載荷曲線偏移。我們對寶鋼某應(yīng)力環(huán)逐年進(jìn)行位移-載荷曲線測量，結(jié)果見圖3所示。由圖可見，同一應(yīng)力環(huán)不同時(shí)期計(jì)量結(jié)果最大偏移量接近10%。如果不使用定期計(jì)量的載荷-位移曲線對試樣進(jìn)行加載時(shí)，所造成的實(shí)驗(yàn)誤差會很大，對實(shí)驗(yàn)結(jié)果造成重大影響。

圖3 寶鋼某應(yīng)力環(huán)10年內(nèi)位移-載荷曲線

2.2.2 試樣夾具和轉(zhuǎn)換接頭間同軸度引起的偏差

由圖2可見，加載在試樣上的載荷是應(yīng)力環(huán)壓縮變形反作用力通過加載螺帽、螺桿和試樣夾套傳遞來實(shí)現(xiàn)，其載荷值與應(yīng)力環(huán)環(huán)體、螺帽、螺桿和夾套等部件密切相關(guān)。若部件間存在軸心偏差或應(yīng)力環(huán)環(huán)體壓縮變形左右不均勻時(shí)，試樣受到額外扭矩的作用。目前應(yīng)力環(huán)存在兩種常見加載誤差：同心度和同軸度誤差，如圖4所示。我們通過試樣表面貼應(yīng)變片進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)拉伸實(shí)驗(yàn)標(biāo)定來進(jìn)一步驗(yàn)證扭矩或加載誤差的存在。圖5為試樣的標(biāo)定曲線，通過曲線可證實(shí)明顯彎矩的存在，并且由于彎矩造成的試樣局部載荷偏差最大可達(dá)28%。此外，通過有限元數(shù)值模擬方法研究了彎曲角和同心度對額外附加載荷的影響，如圖6所示。若試樣彎曲角為2.5°時(shí)，試樣上的最大附加載荷約為10%；若同心度差為0.2 mm時(shí)，最大附加載荷可達(dá)15%。Herve Marchebols等人也發(fā)現(xiàn)應(yīng)力環(huán)加載產(chǎn)生的附加彎矩可達(dá)1%～13.8%[6]。由于彎矩或扭矩導(dǎo)致的額外載荷會明顯影響試驗(yàn)結(jié)果。

圖4 應(yīng)力環(huán)常見加載偏差

圖5 試樣拉伸標(biāo)定曲線

針對應(yīng)力環(huán)上述問題，從設(shè)備和試驗(yàn)方法方面進(jìn)行了研究。一是設(shè)備方面，自主開發(fā)了砝碼式恒載荷加載裝置，可以解決疲勞引起系統(tǒng)偏差和彎矩(扭矩)產(chǎn)生附加載荷等問題；二是試驗(yàn)方法，結(jié)合石油管實(shí)際服役情況詳細(xì)比較了恒載荷試驗(yàn)(A法)和雙懸臂梁試驗(yàn)(D法)兩種方法，并給出合理的試驗(yàn)方法選擇建議。

3 自主開發(fā)六頭砝碼式恒載荷試驗(yàn)機(jī)

六頭砝碼式恒載荷試驗(yàn)機(jī)采用更精確的砝碼載荷加載和自動調(diào)心裝置，能夠有效解決應(yīng)力環(huán)存在的幾種系統(tǒng)偏差問題，其設(shè)計(jì)原理圖和實(shí)物圖如圖7所示。

圖6 有限元數(shù)值模擬

為驗(yàn)證六頭砝碼式恒載荷試驗(yàn)機(jī)在恒載荷試驗(yàn)方法中的可靠性，選用高鋼級抗硫管分別在六頭砝碼式恒載荷試驗(yàn)機(jī)和應(yīng)力環(huán)設(shè)備上進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)條件和結(jié)果見表2所示。綜合三組實(shí)驗(yàn)結(jié)果得知：

1) 試驗(yàn)1: 小尺寸110SS抗硫管試樣采用六頭砝碼式恒載荷試驗(yàn)機(jī)和應(yīng)力環(huán)均可通過SSC試驗(yàn)，說明該條件下兩種設(shè)備具有等同的檢測能力。也有可能是所使用的應(yīng)力環(huán)系統(tǒng)偏差較低。

2) 試驗(yàn)2：大尺寸110SS抗硫管試樣采用應(yīng)力環(huán)進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)2根試樣通過SSC試驗(yàn)，1根試樣僅僅65 h就發(fā)生斷裂，試驗(yàn)結(jié)果離散度很大；而采用六頭砝碼式恒載荷試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)3根試樣均可以通過SSC試驗(yàn)，離散度很小。

3) 試驗(yàn)3：大尺寸125SS抗硫管試樣采用應(yīng)力環(huán)進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)有2根在210 h和230 h發(fā)生斷裂，而另一根則可以通過SSC試驗(yàn)；而采用六頭砝碼式恒載荷試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)3根試樣斷裂時(shí)間在120～264 h之間。

綜上所述，應(yīng)力環(huán)設(shè)備得出的恒載荷試驗(yàn)結(jié)果離散度和偏差較大，而采用六頭砝碼式恒載荷試驗(yàn)機(jī)得到的結(jié)果均一性和可靠性較好，更能夠真實(shí)的反應(yīng)材料的抗硫管硫化物應(yīng)力腐蝕開裂能力。

圖7 六頭砝碼式恒載荷試驗(yàn)機(jī)

試驗(yàn)試驗(yàn)機(jī)牌號試樣尺寸/mm溶液屈服強(qiáng)度/MPa加載系數(shù)斷裂時(shí)間/h1應(yīng)力環(huán)六頭機(jī)110SS3.76A758.085.0%>7203.75A758.085.0%>7203.79A758.085.0%>7203.78A758.085.0%>7203.76A758.085.0%>7203.76A758.085.0%>7202應(yīng)力環(huán)六頭機(jī)110SS6.43A758.085.0%656.44A758.085.0%>7206.45A758.085.0%>7206.45A758.085.0%>7206.45A758.085.0%>7206.45A758.085.0%>7203應(yīng)力環(huán)六頭機(jī)125S6.43A862.080.0%2306.44A862.080.0%>7206.44A862.080.0%2106.44A862.080.0%1206.45A862.080.0%2646.44A862.080.0%216

4 試驗(yàn)方法的認(rèn)識及選擇

目前SSC試驗(yàn)方法主要有4種，每種試驗(yàn)方法都有不同的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。NACE和ISO標(biāo)準(zhǔn)中均指出4種試驗(yàn)方法結(jié)果不可相比較，說明每種試驗(yàn)方法都有自己的獨(dú)立性。在實(shí)際應(yīng)用中，選用合適試驗(yàn)方法可以真實(shí)評價(jià)材料在服役工況下的抗SSC性能。

油套管是石油天然氣開發(fā)最常用的石油用管。隨著高酸性氣田的不斷開發(fā)，油套管的抗SSC性能試驗(yàn)顯得越來越重要。目前對于油管和套管的抗SSC性能評價(jià)通常采用恒載荷方法(A法)，然而油管和套管的受力狀態(tài)不同，采用同一的試驗(yàn)方法顯然是不合適的。下面結(jié)合試驗(yàn)方法和油套管受力狀態(tài)討論一下試驗(yàn)方法的選擇:

1)試驗(yàn)方法分析：恒載荷方法(A法)主要模擬材料受拉應(yīng)力條件下的抗SSC性能，反映的是抗裂紋萌生的能力；雙懸臂梁試驗(yàn)(DCB，D法)主要模擬內(nèi)壓條件下材料的抗SSC性能，反映的是材料抗裂紋擴(kuò)展的能力。依據(jù)服役狀態(tài)選用合適的試驗(yàn)方法才能更真實(shí)反映材料的抗SSC性能。

2)套管在固井后主要承受管體內(nèi)外壓力，受力狀態(tài)主要為環(huán)向應(yīng)力，軸向拉應(yīng)力為次要因素。結(jié)合A法和D法的特點(diǎn)，D法比A法更能模擬套管真實(shí)的受力狀態(tài)。加拿大IRP標(biāo)準(zhǔn)也認(rèn)為D法更接近套管受力狀態(tài)，A法無法反映環(huán)向應(yīng)力下抗SSC性能。此外，國外很多石油天然氣廠家(ExxonMobil和Shell)均采用D法用于抗硫套管的抗硫檢驗(yàn)。因此，套管的抗SSC性能應(yīng)采用D法進(jìn)行檢驗(yàn)。

5 結(jié) 論

1) 研究了應(yīng)力環(huán)設(shè)備在恒載荷試驗(yàn)中存在的主要問題。應(yīng)力環(huán)環(huán)體疲勞導(dǎo)致位移-載荷曲線偏移和同心度偏移導(dǎo)致的附加載荷會導(dǎo)致試驗(yàn)誤差和離散度較大，不能真實(shí)反映材料的抗SSC性能。

2) 自主研發(fā)的六頭砝碼式恒載荷試驗(yàn)機(jī)采用更精確的砝碼載荷加載和自動調(diào)心裝置，能夠有效解決應(yīng)力環(huán)存在的幾種系統(tǒng)偏差問題。經(jīng)腐蝕試驗(yàn)證實(shí)六頭砝碼式恒載荷試驗(yàn)機(jī)的試驗(yàn)結(jié)果穩(wěn)定性和可靠性更好。

3) 結(jié)合A法和D法特點(diǎn)，認(rèn)為套管的抗SSC性能更適合采用D法進(jìn)行檢驗(yàn)。

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Investigation on Test Methods of SSC-resistant OCTG

ZHANG Zhonghua, QI Yameng, GUO Jinbao, ZHANG Chunxia

(BaoshanIron&SteelCo.Ltd.，Shanghai201900，China)

More and more HPHT oil and gas fields containing H2S have been exploited in recent years, which lead to the increasing demand for high-grade tubing and casing. However, the loaded stress is more and more close to the nominal yield strength of materials during SSC tests with the steel grade increasing. Then the slight deviation of the proof ring system could lead to large experimental error. The main problems of proof ring in the experiments with constant load is anelyzed. The result shows that deviation of the proof ring displacement-loading curve and the additional bending moment are the primary causes that resulted in the large discrete degree of experimental results. In order to solve the problems, the 6-head-constant loading test machine is developed with the device of counter poise loading and automatic centering. The experimental results confirm that the results of new developed constant-loading machine are more stable and reliable compared with proof ring device. In addition, the reasonable suggestions about the SCC test methods of tubing and casing are given.

SSC-resistant tube; sulfide stress cracking; proof ring; the 6-head-constant loading test machine

張忠鏵，男，1969年生，教授級高級工程師，1998年畢業(yè)于東南大學(xué)，獲博士學(xué)位，現(xiàn)主要從事耐腐蝕油套管產(chǎn)品開發(fā)和腐蝕行為研究工作。E-mail:qiyameng@baosteel.com

TG172

A

2096-0077(2017)04-0021-05

10.19459/j.cnki.61-1500/te.2017.04.006

2017-05-24 編輯：屈憶欣)