抗开裂耐蚀合金油井管研究综述
文/张春霞,张忠铧·宝山钢铁股份有限公司
本文介绍了各类耐蚀合金油井管的使用环境界限,如马氏体不锈钢、奥氏体不锈钢、双相不锈钢及镍基合金等。以及添加元素对抗开裂耐蚀合金的影响机理。
21世纪，世界各国之间的斗争大多数是抢夺能源资源的斗争。石油天然气是目前世界上最为丰富的能源资源，为了满足党建世界各国的能源需求，越来越多的高含H2S、CO2油气田被勘探开采，石油天然气的开采对油井管材料的要求也变得更加的苛刻。因此开发新型、经济的抗开裂耐蚀合金油井管是迫在眉睫的需求。
本文结合NACE0175和ISOO15156标准对适用于油气井用管的油气井管用耐蚀合金主要类型、主要腐蚀机理、腐蚀评价方法及国内外的研究生产现状作以综述。
主要类型
抗环境开裂的耐蚀合金和其它合金材料主要包括三大类:不锈钢系列;Ni基合金系列;其他合金系列。
不锈钢有两种分类法:—种是按合金元素的特点,划分为铬不锈钢和铬镍不锈钢;另一种是按在正火状态下钢的组织状态,划分为马氏体不锈钢、铁素体不锈钢、奥氏体不锈钢、高合金奥氏体不锈钢、沉淀硬化不锈钢和双相不锈钢,目前比较常用的分类方法为第二种。
Ni基合金在油气井管中的应用类型主要有沉淀硬化Ni基合金及固溶Ni基合金。
其他的合金系列则包括:Co基合金、Ti和Ta合金及Cu、Al合金等。
用于油气井井下管件的耐蚀合金主要包括高合金奥氏体不锈钢、马氏体不锈钢、双相不锈钢以及固溶Ni基合金系列。
腐蚀机理及合金化设计
金属材料在工业生产中的腐蚀失效形式是多种多样的。不同材料在不同负荷及不同介质环境的作用下,其腐蚀形式主要有均匀腐蚀、晶间腐蚀、应力腐蚀、点腐蚀、腐蚀疲劳。除了上述各种腐蚀形式以外,还有由于宏观电池作用而产生的腐蚀。例如,金属构件中铆钉与铆接材料不同、异种金属的焊接等因电极电位差别而造成的腐蚀。
井下管件的腐蚀问题主要是由于油气中H2S、CO2以及C1-等腐蚀性物质对管件造成的腐蚀破坏。对于CO2或H2S单独存在情况下的腐蚀机理进行过大量的研究,目前得到了比较一致的观点,即CO2的腐蚀是电化学作用下形成的以失重为主要表现形式的全面腐蚀和局部腐蚀,而H2S的腐蚀除了电化学腐蚀引起的失重外,氢致开裂(HIC)以及硫化物应力腐蚀开裂(SSCC)是两种最为严重的失效特点。
CO2作用下的油井管腐蚀
被普遍认同地CO2腐蚀机理为:CO2在水中溶解形成碳酸,碳酸电离出碳酸氢根、碳酸根和氢根离子,然后与金属发生氧化还原反应,从而对钢管造成腐蚀。
CO2的腐蚀主要表现为全面腐蚀和典型的沉积物下方的局部腐蚀两种形式。局部腐蚀的危害性更大,这是由于局部腐蚀通常会很快地引起穿孔或断裂等破坏结果,从而设备寿命终止,而全面腐蚀引起的管件整体的壁厚均匀减薄的相应破坏力稍弱。
在没有H2S的环境条件下影响油井管CO2腐蚀性能的因素主要包括环境因素和材质因素两大类。其中环境因素主要包括:温度、CO2分压、pH值、流速、介质组成(如Cl-、HCO3-、Ca2+、Mg2+、02等)、腐蚀产物膜、载荷和时间等。材质的影响因素主要包括合金元素的种类及含量、热处理及金相组织等。
H2S作用下的油井管腐蚀
油井管发生H2S腐蚀主要表现形式有均匀腐蚀、坑蚀、氢鼓泡、氢诱发阶梯纹、氢脆及硫化物应力腐蚀开裂等。各种腐蚀形式相互促进,最终可导致材料开裂并引发大量恶性事件。在IS015156中对硫化氢服役环境下的材料破坏考虑了三种方式,一是环境温度下的硫化物应力开裂(SSC),二是较高使用温度下的应力腐蚀开裂(SCC) ,三是电偶诱发的氢应力开裂(GHSC)。
目前的研究结果对H2S的腐蚀机理尚无统—的说法,—般认为H2S会加速铁的电离反应,并进一步生成FeS。
对H2S腐蚀产生影响的因素很多,概括起来分为两类,环境因素和材料因素。其中环境因素包括温度、水含量、总压及H2S分压、pH值、C1离子浓度、氧、细菌(或微生物)、流速等。材料因素主要包括合金元素、显微组织、强度和硬度、腐蚀产物膜等。
合金元素对腐蚀性能的影响
从上述的CO2和H2S腐蚀的影响因素中可以看出,选择合适的材料、提高材料的耐蚀性是防止腐蚀破坏的最有效的措施之—。利用合金化方法可以有效有针对性地提高材料地耐蚀性。合金元素地加入对提高耐蚀性的机理有所不同,基本方法及原理如下:
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