鉆桿用鋼腐蝕疲勞試驗研究

李鶴林，宋余九，趙文軫

(1.中國石油集團石油管工程技術研究院，石油管材及裝備材料服役行為與結構安全國家重點實驗室　陜西　西安　710077) (2.西安交通大學　陜西　西安　710049)

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·試驗研究·

鉆桿用鋼腐蝕疲勞試驗研究

李鶴林1，宋余九2，趙文軫2

(1.中國石油集團石油管工程技術研究院，石油管材及裝備材料服役行為與結構安全國家重點實驗室陜西西安710077) (2.西安交通大學陜西西安710049)

摘要：通過對不同化學成分、組織狀態及鋼級的鉆桿材料在不同應力集中程度下和典型環境介質中腐蝕疲勞行為的研究，搞清了應力集中、鉆桿鋼級及環境介質與鉆桿腐蝕疲勞的關系，為鉆桿的合理選擇和使用提供了依據。

關鍵詞：鉆桿用鋼；腐蝕疲勞；應力集中；環境介質

0引言

鉆桿是石油鉆具的重要組成部分，服役條件惡劣。據統計，鉆桿失效70%左右是腐蝕疲勞引起。由于鉆桿早期失效造成的經濟損失嚴重，國外對鉆桿用鋼及其加工處理工藝均有嚴格要求與規定。

我國石油鉆采工業發展較晚，所用鋼材除部分中、低強度鉆桿是國產鋼，其余都是進口鋼材。結合我國情況對國產及進口鉆桿用鋼的腐蝕疲勞進行研究，提高鉆桿使用壽命，是發展我國石油天然氣所急需的工作，有重大的技術經濟意義。

鉆桿用鋼的腐蝕疲勞研究內容有以下五個方面：

(1)綜合研究日本、德國、美國及國產鉆桿E75、G105、S135鋼級的腐蝕疲勞行為；

(2)載荷頻率、介質溫度，溶解O2及CO2對鉆桿材料腐蝕疲勞行為的影響；

(3)試樣缺口應力集中程度對腐蝕疲勞的影響；

(4)鉆桿用鋼在弱堿性介質中的電化學行為；

(5)材料的微觀組織及試樣斷口分析。

2試驗用鋼及試驗條件

2.1試驗用鋼

試樣從鉆桿上直接切取。試驗用鉆桿鋼有五種：日本新日鐵的S135級、日本鋼管的G105級、法國的G105級、中國寶鋼的G105級、美國的E75。其化學成分及室溫拉伸性能分別列入表1。

2.2應力集中對腐蝕疲勞影響試驗

測定缺口應力集中程度對腐蝕疲勞影響的試樣用國產35CrMo鋼，其化學成分如表2。以得到S.G.E三種強度級別為目標，調整35CrMo鋼熱處理工藝，參數如表3。

缺口應力集中試樣的確定：試樣尺寸12×24×90mm，缺口角度為90°、120°、162°，缺口根部半徑r=1mm，應力集中系數3.14、2.84及1.74。

表1　試驗用鉆桿鋼化學成分及拉伸性能

表2　35CrMo鋼化學成分

表3　35CrMo鋼熱處理制度

2.3腐蝕疲勞試驗條件

(1)試樣尺寸：6.5×20×80 mm

(2)加載方式：三點彎曲法，R=1/3

(3)載荷頻率：5 Hz，0.5 Hz

(4)載荷波形：正弦波；

(5)腐蝕介質：用3.5%NaCl水溶液加NaOH調pH值，使之達到弱堿性(pH=10～11)；介質溫度，25℃及60℃；含飽和O2及CO2；

(6)裂紋長度測定：用斷裂片法；

(7)試驗機：Instron 1341及GD-2試驗機。

2.4微觀組織及斷口分析

(1)大型金相顯微鏡MEF-3；

(2)200CX透射電鏡及35C掃描電鏡。

3試驗結果

3.1低加載頻率和高加載頻率下的腐蝕疲勞試驗結果

圖1　四種進口鉆桿鋼室溫0.5Hz時的腐蝕疲勞裂紋擴展曲線

圖2　二種進口鋼介質溫度60℃時的腐蝕疲勞裂紋擴展曲線

圖3　NKK G105鋼介質溫度25℃及60℃時的腐蝕疲勞裂紋擴展曲線

圖4　四種進口鋼在通入飽和的介質中的腐蝕疲勞裂紋擴展曲線

圖5　通入飽和CO2介質裂紋擴展曲線

(5)5 Hz時室溫下弱堿介質腐蝕疲勞裂紋擴展試驗結果如圖6～8。

圖6　寶鋼G105鋼在弱堿(c)及空氣(k)中的腐蝕疲勞裂紋擴展曲線

圖7　國產鋼與進口鋼腐蝕疲勞裂紋擴展曲線比較

②國產G105鋼與NKK G105鋼腐蝕疲勞比較如圖7，國產鋼疲勞裂紋擴展速率大于進口鋼。

圖8　國產G105與進口S135鋼的腐蝕疲勞裂紋擴展曲線

③國產G105鋼與進口S135鋼腐蝕疲勞比較如圖8，兩種鋼的裂紋擴展速率幾乎相近，而且國產G105甚至較差。

④不同強度級別三種進口鋼在5 Hz時室溫下弱堿介質中的腐蝕疲勞裂紋擴展如圖9，從曲線位置看到強度高的S135鋼裂紋擴展速率最快；E75鋼最慢。

圖9　三種進口鋼腐蝕疲勞裂紋擴展曲線

圖10　曼內斯曼G105鋼5 Hz及0.5 Hz時腐蝕疲勞裂紋擴展曲線

表4　幾種鉆桿鋼的門檻值(Kth)

綜上所述五種不同強度級別、不同生產廠的鉆桿鋼腐蝕疲勞試驗結果，可總結如下：

(1)在相同試驗條件下鋼的強度越高，腐蝕疲勞性能下降越嚴重；

(2)強度級別相同的國產鋼與進口鋼比較，腐蝕疲勞性能較低；

(3)提高介質溫度加速了腐蝕疲勞；

(4)介質中含有飽和溶解氧及CO2也加速了腐蝕疲勞；

(5)降低載荷頻率，增加腐蝕疲勞裂紋擴展速率。

3.2試樣缺口應力集中程度對腐蝕疲勞壽命的影響

(1)應力集中程度與疲勞壽命(Nf)關系如圖11。隨缺口張開角度(θ)的增大，應力集中系數(Kt)降低，疲勞壽命增大。162°時疲勞壽命最高，90°時最低。高載荷時各種缺口的Nf值相差減小，低載荷時Nf差值增大，表明腐蝕作用增大。

(2)三種強度級別的試樣，在90°缺口時腐蝕疲勞壽命如圖12，材料強度不同低載荷時腐蝕疲勞壽命相差較大。

圖11　應力集中程序對腐蝕疲勞壽命的影響

圖12　90°缺口試樣不同強度級別鋼的腐蝕疲勞壽命

3.3鉆桿鋼金相組織及腐蝕疲勞試樣斷口特點

(1)金相組織：四種鉆桿鋼的金相組織如表5，金相照片如圖13。

表5　鉆桿鋼金相組織

(2)腐蝕疲勞試樣斷口形貌：新日鐵S135鋼、寶鋼G105鋼及美國E75鋼試樣掃描電鏡斷口形貌如表6及圖14、15及圖16。

圖13　鉆桿鋼金相組織

圖14　新日鐵S135鉆桿鋼腐蝕疲勞試驗斷口形貌

圖15　寶鋼G105鉆桿鋼腐蝕疲勞試驗斷口形貌

圖16　美國E75鉆桿鋼腐蝕疲勞試驗斷口形貌

G105鋼掃描電鏡斷口分析結果與S135鋼相似，低ΔK區是穿晶斷裂，隨ΔK值增大沿晶斷增多，高ΔK區時腐蝕作用減少，最后以穿晶斷裂結束疲勞過程。

升高介質溫度，介質中含飽和氧或CO2，均加速了腐蝕過程，使出現沿晶斷現象向低ΔK區移動。沿晶斷現象是氫脆機制的表現，說明高強度鉆桿鋼在pH=10～11介質中仍以氫脆機制為主，陽極溶解為輔。

表6　三種鉆桿腐蝕疲勞試樣斷口形貌

E75鋼的腐蝕疲勞斷口與前兩者不同，是以穿晶斷為主，斷口上未發現沿晶斷現象。之所以如此是因為材料強度低，氫脆敏感性小所致。

3結論

2)載荷頻率對腐蝕疲勞有重要影響，頻率降低，腐蝕疲勞裂紋擴展速率加快。升高介質溫度，介質中含飽和O2或CO2都促進腐蝕疲勞過程。

3)應力集中嚴重影響鉆桿的腐蝕疲勞行為。應力集中系數增大，腐蝕疲勞壽命降低，載荷越低，這種影響越大。強度越高，應力集中對腐蝕疲勞壽命的降低越嚴重，而載荷越低，這種影響越大。

4)鉆桿上先期形成的點蝕坑對其疲勞壽命有較大影響，點蝕坑越深，對疲勞壽命的降低越顯著。

( 本文系1995年12月完成的中國石油天然氣總公司科研項目“鉆桿腐蝕疲勞試驗研究”的研究報告之一。)

Study on Corrosion Fatigue Properties of Drill Pipe Steel

LI Helin1， SONG Yujiu2，ZHAO Wenzhen2

(1.CNPCTubularGoodsResearchInstitute,StateKeyLaboratoryforPerformanceandStructureSafetyofPetroleumTubularGoodsandEquipmentMaterials,Xi′an,Shaanxi710077,China；2.Xi′anJiaotongUniversity，Xi′an,Shaanxi710049，China)

Abstract：Under different stress concentration degrees and ambient mediums, the corrosion fatigue behaviors of drill pipe steel with different chemical compositions，micro-structures，and grades are studied. The relationship between corrosion fatigue and stress concentration, steel grade and ambient medium is made clear. The research can provide basis for the selection and use of drill pipe properly.

Key words：drill pipe steel； corrosion fatigue； stress concentration； ambient medium

(收稿日期：2016-03-01編輯：馬小芳)

中圖法分類號：TE921

文獻標識碼：A

文章編號：2096-0077(2016)02-0022-06

第一作者簡介：李鶴林，男，1937年生，中國工程院院士，1961年畢業于西安交通大學，現主要從事石油管的工程應用與應用基礎研究。E-mail:lihelin@cnpc.com.cn