崔懷云，梅鵬程，劉智勇，盧 琳

1) 北京科技大學(xué)新材料技術(shù)研究院，北京 100083 2) 海洋裝備用金屬材料及其應(yīng)用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，鞍山 114000?通信作者，E-mail: lulin315@126.com

CO2驅(qū)油技術(shù)已被證明是提高傳統(tǒng)油藏采收率的有效方法. 該技術(shù)的應(yīng)用愈發(fā)廣泛，在提高油藏采收率的同時(shí)，也實(shí)現(xiàn)了對(duì)CO2的地層封藏，這正符合當(dāng)下綠色環(huán)保的理念[1?2]. 油氣井中通常會(huì)采用封隔器將環(huán)空與外部環(huán)境的腐蝕介質(zhì)隔離.然而，油管在生產(chǎn)過(guò)程中總會(huì)有一些缺陷，實(shí)際作業(yè)中，油管缺陷造成的滲漏現(xiàn)象時(shí)常發(fā)生. 這種滲漏會(huì)導(dǎo)致服役的油套管發(fā)生腐蝕開(kāi)裂[3?4].

在油氣工業(yè)中，由CO2局部腐蝕導(dǎo)致的失效十分常見(jiàn). 其類(lèi)型主要有點(diǎn)蝕、臺(tái)地浸蝕、流動(dòng)誘使局部腐蝕[5]. 但CO2注入井的狀況比較特殊，向油藏注入高壓CO2對(duì)油井有如下影響：其一，注入的CO2會(huì)在井下一定深度形成相對(duì)較低的溫度（0～30 ℃）. 其二，注入介質(zhì)在油管中形成高壓環(huán)境，井口的最大壓力可達(dá)20 MPa. 高壓會(huì)加劇注入介質(zhì)向環(huán)空中的滲透，大量CO2進(jìn)入環(huán)空溶于水，使得環(huán)空液的pH值低達(dá)3～4，導(dǎo)致油管應(yīng)力腐蝕敏感性增大[6].

環(huán)空處于是一種靜止密閉狀態(tài)，沒(méi)有液體流動(dòng)，這使得點(diǎn)蝕發(fā)生的幾率大大增加. 點(diǎn)蝕坑會(huì)大大增加材料的應(yīng)力腐蝕敏感性. 國(guó)內(nèi)外學(xué)者已對(duì)常壓碳酸氫鹽/碳酸鹽溶液環(huán)境中的應(yīng)力腐蝕行為進(jìn)行了大量研究[7?12]. 研究表明[13?14]，在拉應(yīng)力作用下，應(yīng)力腐蝕微裂紋會(huì)在點(diǎn)蝕坑處萌生. 而在CO2驅(qū)注井環(huán)空中，滲漏的高壓CO2會(huì)使油管發(fā)生嚴(yán)重的點(diǎn)蝕，會(huì)大大增加其應(yīng)力腐蝕危害. 環(huán)空中CO2溶于環(huán)空液后形成的環(huán)境為碳酸氫鹽/碳酸鹽溶液體系，其應(yīng)力腐蝕機(jī)制是陽(yáng)極溶解（AD）和氫脆（HE）的混合機(jī)制[15?19]. Park 等[20]研究發(fā)現(xiàn)X65管線鋼在低pH碳酸氫鹽溶液中的應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂（SCC）為穿晶應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂（TGSCC），其應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂由點(diǎn)蝕萌生向應(yīng)力腐蝕擴(kuò)展，具有明顯的混合機(jī)制特征. Liu等[18]對(duì)酸性土壤環(huán)境中X70管線鋼的應(yīng)力腐蝕行為的研究表明，pH降低SCC敏感性會(huì)進(jìn)一步加強(qiáng)，其陽(yáng)極溶解和氫脆作用均被加強(qiáng). 這與環(huán)空中僅存在CO2的條件極為相似. 然而，上述應(yīng)力腐蝕相關(guān)的研究均在常壓下進(jìn)行的. 西南氣田某二段氣藏井管曾發(fā)生嚴(yán)重?cái)嗔咽鹿?，斷口處腐蝕特征明顯. 分析發(fā)現(xiàn)腐蝕產(chǎn)物均為FeCO3和鐵氧化物，最終推斷井中極有可能是CO2（溶液）環(huán)境下的應(yīng)力腐蝕為主的油管斷裂事故. 而CO2注入井環(huán)空環(huán)境中的CO2的分壓大幅增加，會(huì)大大降低溶液的pH值、增強(qiáng)陽(yáng)極溶解和氫脆作用，其應(yīng)力腐蝕敏感性會(huì)更強(qiáng). 但目前相關(guān)研究還是空白.

本工作使用高壓釜對(duì)CO2注入井環(huán)空環(huán)境進(jìn)行模擬，通過(guò)恒應(yīng)變?cè)嚇咏菰囼?yàn)研究了N80油管鋼在模擬CO2注入井環(huán)空環(huán)境中的應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂行為規(guī)律，并結(jié)合電化學(xué)測(cè)試分析了其應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂的機(jī)理和影響因素，以期為CO2注入井的腐蝕防護(hù)提供理論依據(jù).

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料及測(cè)試溶液

實(shí)驗(yàn)材料為N80鋼，其化學(xué)成分在表1中列出. 圖1是體積分?jǐn)?shù)4%硝酸酒精溶液浸蝕后的金相照片，組織為貝氏體+鐵素體.

表 1 實(shí)驗(yàn)用 N80 鋼化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Table 1 Chemical composition of N80 steel used in the test %

圖1 N80 油管鋼的金相組織Fig.1 Microstructure of N80 tubing steel

根據(jù)某油田CO2驅(qū)注井環(huán)空保護(hù)液的成分分析結(jié)果 確定了 實(shí) 驗(yàn)室模 擬溶液 成分：2.71 g?L?1NaHCO3、6.15 g?L?1NaCl、0.33 g?L?1Na2SO4. 使用體積分?jǐn)?shù)10% HCl水溶液將環(huán)空模擬液的pH值調(diào)至4，試驗(yàn)前使用高純氮?dú)鈱?duì)溶液進(jìn)行預(yù)除氧，氮?dú)馑俾蕿?150 cm3?min，除氧時(shí)間為 1 h?L?1[21].

1.2 電化學(xué)測(cè)試方法

電化學(xué)試驗(yàn)試樣尺寸均為 10 mm×10 mm×3 mm，與銅導(dǎo)線焊接后使用環(huán)氧樹(shù)脂密封，測(cè)試面積為1 cm2. 測(cè)試前，試樣的測(cè)試面需用磨砂紙逐級(jí)打磨至2000目砂紙，然后使用丙酮脫脂，去離子水沖洗，干燥后備用. 高壓電化學(xué)測(cè)試均在容積為1 L的高壓釜中進(jìn)行. 測(cè)試時(shí)，將測(cè)試溶液與試樣裝入高壓釜中；密閉高壓釜后通入高純氮?dú)獬? h.向釜中加壓時(shí)，先通入CO2至預(yù)定壓力，然后通入N2加壓至 9 MPa. 試驗(yàn)條件為：pH 值為 4，CO2分壓=0, 0.6, 1, 2, 3, 4 MPa，氣體總壓Ptot=9 MPa，試驗(yàn)溫度為室溫.

本文使用EG&G M2273電化學(xué)工作站測(cè)試極化曲線和電化學(xué)阻抗譜. 電解池中使用三電極體系，其中鉑片電極作為輔助電極，銀/氯化銀電極作為參比電極，N80鋼試樣作為研究電極. 使用動(dòng)電位法測(cè)試極化曲線，電位從陰極向陽(yáng)極方向掃描，掃描范圍為?500～800 mV（vsOCP），掃描速度為0.5 mV?s?1. 交流阻抗譜在開(kāi)路電位下進(jìn)行測(cè)量，擾動(dòng)電位為 10 mV，頻率范圍為 10 mHz～100 kHz；測(cè)試后使用ZsimpWin軟件對(duì)阻抗數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合. 為確保試驗(yàn)結(jié)果的可信度，每個(gè)水平下的試驗(yàn)至少重復(fù)3次.

1.3 恒應(yīng)變?cè)嚇咏菰囼?yàn)

浸泡試驗(yàn)采用U 型彎試樣（86 mm×12 mm×2 mm）和三點(diǎn)彎試樣（95 mm×14 mm×2 mm），其長(zhǎng)度方向均平行于管材軸向[22]. 試驗(yàn)前將試樣沿著長(zhǎng)度方向逐級(jí)打磨至2000#砂紙，依次用丙酮、酒精清洗吹干后備用. 三點(diǎn)彎試樣的加載方式依據(jù)GB/T 15970.2實(shí)施，三點(diǎn)彎試樣加載后凸形面中點(diǎn)的彈性應(yīng)力通過(guò)式（1）計(jì)算為 0.9ReL（ReL為屈服強(qiáng)度），浸泡試驗(yàn)均在高壓釜中進(jìn)行，溶液pH值為4，=1, 4 MPa，氣體總壓Ptot=9 MPa，試驗(yàn)溫度為室溫，浸泡時(shí)間為720 h，每個(gè)水平下的浸泡試驗(yàn)均有3個(gè)平行樣. 高壓釜使用方法與電化學(xué)測(cè)試中相同，加壓完畢后試驗(yàn)正式開(kāi)始，開(kāi)始計(jì)時(shí).

式中：σ為最大拉應(yīng)力，Pa；E為彈性模量，Pa；t為試樣厚度，m；y為最大撓度，m；H為外支點(diǎn)間的距離，m.

1.4 表面形貌觀察

浸泡試驗(yàn)結(jié)束后將試樣取出，先使用相機(jī)拍攝試樣宏觀照片，然后將U型彎頂端到彎曲1/2處和三點(diǎn)彎內(nèi)支點(diǎn)及內(nèi)外支點(diǎn)中間處切割下來(lái)；使用除銹液（500 mL HCl+500 mL H2O+3 g 六次甲基四胺）超聲波清洗1 min去除切取部分的腐蝕產(chǎn)物，然后使用去離子水清洗，最后使用酒精清洗，吹干后使用Quanta250型掃描電鏡觀察試樣表面微觀形貌.

圖2 N80 鋼在不同 CO2 分壓下的極化曲線. （a）=0～1.0 MPa；（b）=1.0～4.0 MPaFig.2 Polarization curves of N80 steel under different partial pressures of CO2: (a)=0–1.0 MPa; (b)=1.0–4.0 MPa

2 結(jié)果與討論

2.1 CO2 分壓對(duì) N80 鋼電化學(xué)行為的影響

為了分析注入井環(huán)空環(huán)境中的SCC機(jī)制及其影響因素，在不同CO2分壓下測(cè)試了N80鋼的極化曲線[15, 18]，結(jié)果如圖 2 所示. 由圖可見(jiàn)，CO2分壓從0增加到0.6 MPa時(shí)，N80鋼的陰極曲線大幅右移，但陽(yáng)極曲線變化較小，導(dǎo)致腐蝕電位Ecorr升高；當(dāng)CO2分壓繼續(xù)升高時(shí)N80鋼的陽(yáng)極極化曲線基本不變，但陰極曲線先右移后略左移動(dòng). 這種現(xiàn)象表明，CO2的存在能夠大幅度促進(jìn)陰極析氫反應(yīng)，且由于陰陽(yáng)極反應(yīng)的平衡導(dǎo)致Ecorr升高，陽(yáng)極溶解和析氫過(guò)程均相較無(wú)CO2時(shí)被大幅促進(jìn).亦即CO2分壓增大同時(shí)促進(jìn)了陽(yáng)極溶解和氫脆作用. 但當(dāng)高于 1 MPa時(shí)，N80 鋼的陰極曲線略微左移，可能是H與CO2的競(jìng)爭(zhēng)吸脫附所致. 但這時(shí)的析氫和陽(yáng)極溶解電流僅略微減小，亦即應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂的敏感性仍會(huì)保持在較高水平.

圖3為N80油套管鋼在不同CO2分壓下的電化學(xué)阻抗譜. 擬合阻抗譜所使用的等效電路圖如圖 4 所示，其中圖 4（a）為=0 MPa時(shí)的等效電路圖，圖 4（b）為>0 MPa時(shí)的等效電路圖.Rs表示溶液電阻，Qc表示腐蝕產(chǎn)物膜電容，Rpore表示腐蝕產(chǎn)物層孔隙電阻，Qdl表示界面雙電層電容，Rt表示電荷轉(zhuǎn)移電阻，L表示反應(yīng)物/產(chǎn)物在電極吸脫附所引起的電感，RL表示電感電阻.Rpore、Rt和RL均表示腐蝕過(guò)程的阻力，它們的耦合效果為Rp. 由圖3（a）可以看出，當(dāng)模擬環(huán)境中存在CO2時(shí)，N80鋼的電化學(xué)阻抗譜圖中出現(xiàn)了感抗弧，而MPa 時(shí)沒(méi)有. 這是因?yàn)橛?CO2存在時(shí)，腐蝕生成的Fe2+會(huì)與溶液中的等形成FeCO3沉淀；酸性條件下，F(xiàn)eCO3和H在鋼表面的反復(fù)吸脫附導(dǎo)致阻抗譜出現(xiàn)感抗弧. FeCO3沉淀的生成在整體上會(huì)產(chǎn)生腐蝕速率減小的現(xiàn)象，但鋼表面仍存在大量活性點(diǎn)，導(dǎo)致局部腐蝕的發(fā)生（點(diǎn)蝕），其會(huì)促進(jìn)應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂的發(fā)生.

圖5為擬合極化曲線得到Ecorr、腐蝕電流icorr及通過(guò)阻抗譜擬合結(jié)果獲得的1/Rp(Rp=Rpore+Rt+RL)與CO2分壓之間的關(guān)系圖. 由圖5可以看出icorr和1/Rp隨CO2分壓變化的趨勢(shì)吻合，均在=1 MPa時(shí)出現(xiàn)峰值.icorr能夠反映析氫電流的變化，而在混合機(jī)制的應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂體系中，析氫電流正比于應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂敏感性[15]；Rp可以反映腐蝕過(guò)程中的整體阻力，Rp減小則會(huì)促進(jìn)陰極析氫反應(yīng)和陽(yáng)極溶解過(guò)程，加快腐蝕. 而由此可知環(huán)空環(huán)境中CO2的滲入會(huì)大幅增加應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂敏感性，且在=1 MPa 時(shí)敏感性最大. 而由圖 5（b）可見(jiàn)N80鋼在模擬環(huán)境中的Ecorr隨著CO2分壓的增大而正移，在高于1 MPa時(shí)呈現(xiàn)穩(wěn)定趨勢(shì)，這種變化說(shuō)明CO2分壓增大促進(jìn)了陰極析氫反應(yīng)，且由于碳酸的弱酸性特征pH值達(dá)到穩(wěn)定，該反應(yīng)在高于1 MPa時(shí)基本達(dá)到活化控制狀態(tài)，傳質(zhì)過(guò)程影響減弱. 這會(huì)導(dǎo)致金屬表面的腐蝕產(chǎn)物層溶解加劇，局部活性點(diǎn)增多，局部腐蝕更容易萌生，亦即氫脆在應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂過(guò)程中的作用加強(qiáng). 這需要結(jié)合后文其它試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行綜合分析.

圖3 N80 鋼在不同 CO2 分壓下的電化學(xué)阻抗譜. （a） Nyquist圖；（b） Bode 圖Fig.3 Electrochemical impedance spectroscopy of N80 steel under different partial pressures of CO2: (a) Nyquist; (b) Bode

2.2 恒應(yīng)變?cè)嚇痈邏航菰囼?yàn)

為了結(jié)合電化學(xué)研究結(jié)果，準(zhǔn)確分析N80鋼的應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂行為與機(jī)制，采用三點(diǎn)彎試樣浸泡試驗(yàn)研究了其應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂行為. 由于三點(diǎn)彎曲試樣的等效應(yīng)力在彈性應(yīng)力范圍，與實(shí)際油管的表觀受力水平相當(dāng)，適用于研究服役條件下的應(yīng)力腐蝕行為. 圖6為N80油套管鋼三點(diǎn)彎試樣在1和4 MPa CO2分壓下的高壓浸泡表面形貌，其中宏觀圖片為除銹前的形貌，微觀掃描電鏡圖片為除銹后的表面形貌. 從中可以看出，三點(diǎn)彎試樣未發(fā)生斷裂，也沒(méi)有發(fā)現(xiàn)明顯的裂紋. 但在不同CO2分壓下N80鋼均發(fā)生了均勻腐蝕，表面覆蓋了一層黑色腐蝕產(chǎn)物. 清除腐蝕產(chǎn)物后，在掃描電子顯微鏡下觀察到了明顯的點(diǎn)蝕，點(diǎn)蝕坑密集. 對(duì)比發(fā)現(xiàn)，=1 MPa條件下的點(diǎn)蝕坑的數(shù)量、直徑和深度遠(yuǎn)大于=4 MPa時(shí)的點(diǎn)蝕坑；點(diǎn)蝕主要發(fā)生在三點(diǎn)彎中間受力最大區(qū)域. 這表明CO2分壓的增大抑制了點(diǎn)蝕的發(fā)展，而應(yīng)力的作用會(huì)促使點(diǎn)蝕的萌生發(fā)展，在材料服役后期，應(yīng)力腐蝕裂紋將在點(diǎn)蝕坑處萌生發(fā)展，最終導(dǎo)致材料斷裂.三點(diǎn)彎試樣浸泡結(jié)果與電化學(xué)結(jié)果吻合.

圖4 N80 鋼在不同 CO2 分壓下的電化學(xué)阻抗譜等效電路. （a）=0 MPa；（b）>0 MPaFig.4 Equivalent circuits of N80 steel under different conditions:( a)=0 MPa; (b)>0 MPa

由三點(diǎn)彎試樣浸泡試驗(yàn)可過(guò)可知，在實(shí)驗(yàn)室模擬條件下應(yīng)力腐蝕裂紋的孕育期較長(zhǎng). 為了在較短時(shí)間內(nèi)觀察到應(yīng)力腐蝕裂紋的發(fā)生，本研究采用了U形彎試樣浸泡試驗(yàn)進(jìn)行了進(jìn)一步研究.U彎試樣所受應(yīng)力較大，且存在局部應(yīng)變，可以加速應(yīng)力腐蝕裂紋的萌生發(fā)展，并能模擬油管表面存在局部應(yīng)力集中或局部應(yīng)變損傷的情況對(duì)應(yīng)力腐蝕裂紋的加速效果. 圖7為N80油套管鋼U形彎試樣在不同CO2分壓下的高壓浸泡720 h后的表面形貌，其中宏觀圖片為除銹前的形貌，微觀圖片為除銹后的表面形貌. 從中可以看出，在不同CO2分壓下N80鋼表面均存在點(diǎn)蝕坑及一系列相互平行且垂直于應(yīng)力方向的裂紋，部分點(diǎn)蝕坑被裂紋貫穿. 這表明裂紋是從點(diǎn)蝕坑處萌生發(fā)展的.=1 MPa條件下試樣表面的裂紋直且寬大，屬于典型的應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂裂紋，裂紋擴(kuò)展模式為穿晶型；=4 MPa時(shí)試樣表面的裂紋更多，裂紋窄長(zhǎng)，深度更深；這種窄且深的裂紋更易導(dǎo)致材料斷裂失效. 結(jié)合U形彎和三點(diǎn)彎曲試樣浸泡結(jié)果可知，CO2分壓大于1 MPa后，隨著分壓的增大SCC萌生的阻力加大但擴(kuò)展的阻力減小，即分壓增大能加快應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂的速度.

2.3 討論

在油井長(zhǎng)期服役過(guò)程中，由于油管自生缺陷或腐蝕穿透等原因，注入井中的CO2會(huì)逐漸向環(huán)空中滲漏，使得油井環(huán)空中的CO2分壓不斷升高.在高壓CO2環(huán)境中，不同CO2分壓下N80油管鋼的應(yīng)力腐蝕腐蝕行為有所不同. CO2進(jìn)入環(huán)空液后會(huì)發(fā)生如下反應(yīng)：[23?24]

CO2溶解在水中生成弱酸—碳酸，使得環(huán)空液的pH值下降，這將促進(jìn)陰極析氫反應(yīng)，加速油套管的腐蝕，反應(yīng)如下. 環(huán)境中的CO2分壓越高，溶液的pH值越低，氫的平衡電位正移；這使得析氫反應(yīng)與鐵溶解反應(yīng)耦合后的混合電位—自然腐蝕電位正移，造成圖2和圖3中隨著CO2分壓升高，極化曲線上移，Ecorr正移的現(xiàn)象.

圖5 不同參數(shù)與 CO2 分壓的關(guān)系圖. （a） 1/Rp、icorr與的關(guān)系；（b） Ecorr與的關(guān)系Fig.5 Relation between and different parameters: (a) relation between and 1/Rp, icorr; (b) relation between and Ecorr

在高壓CO2環(huán)境下，陽(yáng)極溶解過(guò)程將通過(guò)式（5）進(jìn)行，最終生成Fe2+；陰極過(guò)程則為析氫反應(yīng).極快的陰極析氫反應(yīng)會(huì)導(dǎo)致大量的吸附態(tài)原子氫在鋼表面堆積（式（6）），大幅度促進(jìn)氫向鋼基體內(nèi)部擴(kuò)散，增大了N80鋼的應(yīng)力腐蝕敏感性. 而劇烈的陽(yáng)極溶解會(huì)導(dǎo)致大量Fe2+離子在鋼表面生成，當(dāng)Fe2+與的濃度積超過(guò)FeCO3在水中的溶度積，F(xiàn)eCO3便在鋼表面發(fā)生沉積. 在高壓CO2條件下，溶液呈酸性，F(xiàn)eCO3將不斷沉積溶解（吸脫附），析氫反應(yīng)不斷產(chǎn)生的吸附態(tài)原子氫也會(huì)形成氫氣脫附[25]，這兩種吸脫附作用促使交流阻抗譜圖中出現(xiàn)感抗弧. 沉積的FeCO3生成圖6、圖7中宏觀形貌中所示的黑色腐蝕產(chǎn)物膜. 黑色腐蝕產(chǎn)物膜對(duì)鋼基體的保護(hù)性與其自生的致密性和完整性有關(guān)，膜的致密性和完整性越高，其對(duì)腐蝕介質(zhì)的隔離能力越強(qiáng)，對(duì)基體的保護(hù)作用越大.

遺憾的是，在應(yīng)力作用下，F(xiàn)eCO3腐蝕產(chǎn)物膜往往會(huì)發(fā)生開(kāi)裂. 這導(dǎo)致未被產(chǎn)物膜覆蓋的區(qū)域作為陽(yáng)極與被產(chǎn)物膜覆蓋的區(qū)域（陰極）構(gòu)成腐蝕電偶，發(fā)生點(diǎn)蝕，造成圖6、圖7中的點(diǎn)蝕坑形貌，這些點(diǎn)蝕坑都將會(huì)成為應(yīng)力腐蝕裂紋的萌生點(diǎn)[26].因此，環(huán)空環(huán)境中鋼的腐蝕同時(shí)受環(huán)境pH和腐蝕產(chǎn)物膜的性質(zhì)兩者的影響. 李建平等[27]研究N80、P110、SM110等常用油套管鋼（非應(yīng)力腐蝕）時(shí)發(fā)現(xiàn)，隨著CO2分壓的升高，由于腐蝕產(chǎn)物層的變化，溶液對(duì)金屬的腐蝕性先增強(qiáng)后減弱；其中N80鋼腐蝕速率在溫度為90 ℃時(shí)的拐點(diǎn)為=2.5 MPa. 本工作的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，溫度為 25 ℃ 時(shí)，腐蝕速率在=1 MPa時(shí)出現(xiàn)拐點(diǎn). 當(dāng)< 1 MPa時(shí)，腐蝕速率較低，腐蝕產(chǎn)物膜成型慢，覆蓋率較低，對(duì)基體的保護(hù)效果較差；CO2分壓增大，腐蝕電流密度增大. 因此，=1 MPa時(shí)浸泡試樣表面呈現(xiàn)數(shù)量眾多尺寸較大的點(diǎn)蝕坑，浸泡試驗(yàn)除銹后的微觀形貌呈現(xiàn)出坑坑洼洼的表面，應(yīng)力腐蝕裂紋極易在這種點(diǎn)蝕坑處萌生. 當(dāng)CO2分壓繼續(xù)增大，鋼基體腐蝕速率加快，腐蝕產(chǎn)物膜快速成型，覆蓋率較高，抑制了鋼基體的腐蝕；浸泡試樣除銹后的微觀形貌表明腐蝕較為輕微，極化曲線測(cè)得的腐蝕電流密度也比=1 MPa時(shí)的?。▓D2）.=4 MPa時(shí)浸泡試樣表面的點(diǎn)蝕坑數(shù)量較少，尺寸較小，因此，應(yīng)力腐蝕裂紋的萌生相對(duì)較難.從浸泡試樣除銹后的微觀形貌中也可以發(fā)現(xiàn)，=1 MPa時(shí)，試樣表面腐蝕得更加嚴(yán)重.

圖6 三點(diǎn)彎試樣浸泡 720 h 后的表面形貌. （a）=1 MPa；（b）=4 MPaFig.6 Surface profiles of three-point loaded specimens after 720 h of immersion: (a)=1 MPa; (b)=4 MPa

圖7 U 形彎試樣浸泡 720 h 后的表面形貌. （a）=1 MPa；（b）=4 MPaFig.7 Surface profiles of U-bent specimens after 720 h of immersion:(a)=1 MPa; (b) =4 MPa

除拉應(yīng)力導(dǎo)致腐蝕產(chǎn)物膜開(kāi)裂外，低pH下產(chǎn)物膜局部溶解也會(huì)導(dǎo)致金屬露出新鮮表面（未被產(chǎn)物膜覆蓋）. 未被產(chǎn)物覆蓋的區(qū)域優(yōu)先溶解，促進(jìn)點(diǎn)蝕的發(fā)生并提高N80鋼在環(huán)空中的應(yīng)力腐蝕敏感性. 圖7中U型彎浸泡試樣微觀形貌顯示，應(yīng)力腐蝕裂紋大都貫穿試樣表面的腐蝕坑，這是由于試樣的點(diǎn)蝕坑處易產(chǎn)生用力集中，在陽(yáng)極溶解作用下應(yīng)力腐蝕裂紋開(kāi)始萌生. 材料的應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂需經(jīng)歷3個(gè)階段，即裂紋萌生，裂紋擴(kuò)展和材料斷裂[28]；U彎試樣發(fā)生了塑形應(yīng)變，而三點(diǎn)彎試樣僅發(fā)生彈性應(yīng)變，三點(diǎn)彎試樣所受的最大拉應(yīng)力也僅為屈服強(qiáng)度的90%，正是由于試樣所受應(yīng)力較小，在720 h浸泡后，應(yīng)力腐蝕裂紋仍無(wú)法在三點(diǎn)彎試樣上萌生.

裂紋擴(kuò)展是應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂極為重要的過(guò)程，萌生的應(yīng)力腐蝕裂紋經(jīng)擴(kuò)展后才會(huì)威脅材料的服役壽命. 當(dāng)=1 MPa時(shí)，較高的鋼基體腐蝕速率和較低的腐蝕產(chǎn)物膜覆蓋率會(huì)使裂紋變寬（圖7（a）），氫脆作用極小，不利于應(yīng)力腐蝕裂紋的擴(kuò)展，最終萌生的裂紋可能變成尺寸很大的腐蝕淺坑；這種變寬的裂紋對(duì)材料服役壽命的威脅較小. 當(dāng)=4 MPa時(shí)，腐蝕產(chǎn)物較高的覆蓋率抑制了鋼基體表面的腐蝕，數(shù)量較少的小尺寸點(diǎn)蝕坑使裂紋萌生變得相對(duì)較難；盡管極化曲線測(cè)得的平均腐蝕速率較低，但當(dāng)腐蝕電流僅集中在裂紋內(nèi)部時(shí)，裂紋尖端的腐蝕速率很快，使得裂紋更易向縱深方向發(fā)展. CO2分壓為4 MPa時(shí)，應(yīng)力腐蝕裂紋的寬度較小，裂紋尖端與外界進(jìn)行物質(zhì)傳輸比較困難；因此裂紋尖端酸化更嚴(yán)重，氫脆作用大幅度加強(qiáng)，裂紋擴(kuò)展變得更加容易. 因此，這種狹窄的裂紋對(duì)材料壽命的威脅極大. 大幅度縮短材料的服役壽命. 溫度、壓力、介質(zhì)等都會(huì)影響油管鋼的應(yīng)力腐蝕行為，外部條件（如溫度）的變化必然會(huì)改變應(yīng)力腐蝕行為，相應(yīng)的臨界分壓也會(huì)發(fā)生變化. 具體如何變化還需要后續(xù)進(jìn)行深入研究.

3 結(jié)論

（1）CO2分壓對(duì)N80鋼在環(huán)空環(huán)境下腐蝕和應(yīng)力腐蝕行為有著重要的影響. CO2溶于水中會(huì)使溶液pH值持續(xù)下降，促進(jìn)陰極析氫反應(yīng)和局部陽(yáng)極溶解，進(jìn)而促進(jìn)應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂的發(fā)生.

（2）CO2分壓對(duì)腐蝕速率的影響存在一個(gè)拐點(diǎn)，25 ℃ 時(shí)約為 1 MPa. 當(dāng) CO2分壓低于 1 MPa 時(shí)，隨CO2分壓的增高，N80鋼的應(yīng)力腐蝕敏感性相應(yīng)增加；當(dāng)CO2分壓大于1 MPa時(shí)，應(yīng)力腐蝕敏感性變化較小，緩慢增大.

（3）N80鋼在CO2注入井環(huán)空環(huán)境中的應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂機(jī)制是陽(yáng)極溶解和氫脆共同作用的混合機(jī)制. 應(yīng)力腐蝕裂紋在萌生階段局部陽(yáng)極溶解作用（點(diǎn)蝕）為主導(dǎo)，在應(yīng)力腐蝕裂紋生長(zhǎng)階段則以氫脆作用為主導(dǎo).=1 MPa時(shí)點(diǎn)蝕坑密度大，應(yīng)力腐蝕裂紋最易萌生；更高時(shí)應(yīng)力腐蝕裂紋較窄，裂紋底部更易酸化，應(yīng)力腐蝕裂紋更容易擴(kuò)展，其敏感性進(jìn)一步提高.