抗硫化物應力腐蝕開裂試驗NACE TM0177 A法的影響因素

韓 燕,呂乃欣,黃鵬飛,白真權,張秋利

(1. 中國石油集團石油管工程技術研究院，西安 710077； 2. 西安建筑科技大學，西安 710055)

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抗硫化物應力腐蝕開裂試驗NACE TM0177 A法的影響因素

韓 燕1,呂乃欣1,黃鵬飛2,白真權1,張秋利2

(1. 中國石油集團石油管工程技術研究院，西安 710077； 2. 西安建筑科技大學，西安 710055)

通過對樣品加工缺陷、溶液除氧情況以及加載過程中扭應力的引入等幾個關鍵環節進行試驗分析，明確了各因素對NACE TM0177 A法試驗結果的影響，并提出了簡單有效的解決方法，以期為提高試驗水平、確保試驗數據準確性提供幫助。

硫化物應力腐蝕開裂;NACE TM0177 A法;影響因素

隨著油氣田開發逐漸向更苛刻環境轉移，對高含硫油氣田的開發力度不斷加大，油套管材料的抗硫檢測數量呈指數式上漲。據統計，近5年來油套管材料抗硫檢測數量增加了近100倍，其中主要為抗硫化物應力腐蝕開裂試驗。NACE TM0177 A法[1]恒拉伸應力腐蝕試驗方法由于方法簡潔、流程規范、驗收指標明確等優點，是普遍采用的抗硫化物應力開裂試驗方法，但該方法在實際操作過程中也存在一些容易導致試驗失敗、影響試驗準確性的問題。本工作就這些問題進行了詳細的分析，明確了影響NACE TM0177 A法的影響因素，并提出了解決辦法。

1　NACE TM0177 A法試驗簡介

NACE TM0177 A法——金屬耐特殊形式環境斷裂H2S的實驗室試驗標準拉伸試驗，該方法可評價在單軸拉伸加載下的金屬抗環境開裂能力。該方法通過斷裂時間來確定材料抗環境開裂的敏感性，試驗裝置及原理見圖1。通過應力環給試樣加載所需應力，將試樣浸泡在飽和硫化氫溶液中，以觀察濕硫化氫環境中材料的開裂狀況。試驗持續時間720 h，試驗溶液的溫度在(24±3) ℃范圍內。試驗后，放大10倍對試樣工作段進行檢查，工件段斷裂或表面有裂紋視為不合格。

筆者通過近5年來對約1 000件樣品進行試驗，發現NACE TM0177 A法存在重現性差的問題，隨即對樣品的加工質量、溶液的除氧情況、以及加載過程中扭應力的引入等幾個關鍵環節進行了分析。

2　試驗

2.1試驗材料

樣品缺陷及除氧情況對試驗的影響研究選用常見油套管材料P110鋼作為研究對象，扭應力對試驗的影響研究選用屈服強度較低的16Mn鋼作為研究對象，以突顯扭應力的影響。P110鋼和16Mn鋼的名義屈服強度分別為644 MPa和247 MPa。

2.2試驗方法

采用NACE TM0177-2005標準A法對16Mn和P110試樣進行抗H2S應力腐蝕開裂試驗。試驗溶液為常用的A溶液(質量分數5% NaCl+0.5%冰乙酸)，加載力為100%名義屈服強度。

2.3樣品缺陷預制

A法試樣尺寸要求見圖2和表1。依據常規存在的點缺陷和線缺陷兩種加工缺陷，采用機械法預制點缺陷及線缺陷，缺陷尺寸及位置見表2，預制缺陷樣品宏觀形貌見圖3。

表2　預制缺陷參數

2.4除氧控制

按照標準以100 mL/min的速率對1 L溶液除氧1 h,同時縮短除氧時間(1 L溶液0.5 h)進行不完全除氧,通過對比二種除氧控制試驗，研究除氧情況對硫化物應力開裂試驗的影響。

2.5扭應力分析

NACE TM0177-2005標準A法對于應力加載的要求是拉應力應與試樣的橫截面垂直，如果出現加載力與試樣橫截面不垂直，即加載過程中出現偏心，就會導致扭應力的引入。本試驗通過使應力環上部軸承與樣品裝配產生偏心來提供扭應力，研究扭應力狀態下樣品的斷裂情況。同時，也對缺陷及扭應力同時存在情況下的失效結果進行了研究。

3　結果與討論

3.1樣品缺陷對試驗的影響

P110試樣的試驗結果如圖4所示，試樣的斷裂時間見表3。由圖4可見，有缺陷的試樣均在缺陷處發生斷裂，正常試樣的斷裂位置均在工作段。其中，點缺陷斷面與拉伸應力呈45°角，且伴有微裂紋。線缺陷斷口存在頸縮，斷口附近無微裂紋，正常試樣斷口中部存在平臺。由表2可見，缺陷試樣斷裂時間會遠短于正常試樣斷裂時間，缺陷的存在加速了P110材料的硫化氫應力腐蝕開裂失效[2]。

3.2溶液除氧情況對試驗的影響

NACE TM0177 A法對試驗溶液pH有著嚴格的要求，在與試樣接觸前、硫化氫飽和前或飽和后溶液的pH應在2.6～2.8，所采取的除氧措施必須確保除氧后溶液的pH≤3.0，試驗期間pH會上升但不應大于4.0，如果pH超過4.0，則試驗無效。研究發現，當按標準要求對溶液進行除氧后，試驗過程中溶液始終保持清亮，溶液pH始終在標準規定的有效范圍內，而不完全除氧則導致溶液中出現黑色絮狀物，同時溶液pH大于4.0，造成試驗失效。

文獻[3]報導在含H2S鹽水中氧的污染會使腐蝕速率增大兩個數量級，氧也能減少氫的析出和減少氫滲入金屬[3]。也就是說，除氧不完全將會導致腐蝕機制的改變，從而影響對于材料抗硫化氫應力腐蝕開裂性能的評判。筆者在工作中也發現，氧氣的存在會使試樣表面覆蓋一層腐蝕產物，腐蝕產物阻礙了氫滲透到金屬基體，會延緩試樣的斷裂時間，甚至試樣不會產生斷裂失效。因此，按照標準對溶液進行除氧是十分關鍵的環節。

3.3扭應力對試驗的影響

16Mn材料的抗H2S應力腐蝕開裂試驗結果如圖5所示，斷裂失效時間如表4所示。由圖5和表4可見，6件斷裂試樣中有5件斷于變徑處而非工作段，屬于非正常斷裂。在加載過程中產生扭應力的情況下，變徑區由于存在結構突變易于產生應力集中，在應力集中處，微裂紋的萌生與擴展更加容易和迅速[4]，導致試樣斷裂多發生在這一區域，產生試樣的非正常斷裂。同時存在扭應力和表面缺陷時，樣品首先在變徑區發生斷裂，可以定性說明扭應力對于材料抗H2S應力腐蝕開裂的影響大于試樣表面缺陷的影響。當存在扭應力或者扭應力較大時，材料斷裂失效的時間將遠遠短于材料本身可能失效的時間，甚至本身抗H2S應力腐蝕開裂性能良好的材料，由于試驗操作的失誤，將導致評價材料抗H2S應力腐蝕開裂性能的結果出現偏差，致使工程應用中選材錯誤。

從表4中還可以看出，正常試樣C2斷裂時間較短，斷裂位置位于變徑處，屬于一個無效的試驗結果。實際工作中類似的情況給分析人員帶來不小的困惑，通常需要重新補充試驗來解決，使得本來就很長的試驗周期進一步延長，同時也增加了試驗成本和爭議。

4　結論

(1) 機加工表面缺陷對材料抗硫化物應力腐蝕開裂試驗的結果有明顯的影響，樣品會在缺陷處發生過早的失效，其中點缺陷相對線缺陷應力集中更為明顯，因此，失效時間更短暫。

表4　16Mn試樣硫化氫應力開裂失效時間

(2) 試驗中除氧不完全會改變腐蝕機制，使得腐蝕產物增多，腐蝕產物附著在樣品表面阻礙氫滲入金屬基體，延長樣品的斷裂時間，同時使得pH升高，導致試驗失效。

(3) 扭應力會導致樣品在變徑段產生大的應力集中，引起樣品的非正常失效，扭應力對試驗結果的影響大于加工缺陷的。

5　改進建議

在樣品加工方面，嚴格避免機加工缺陷的引入，可通過手工轉軸拋光完成最后一道工序的制作，使樣品表面達到鏡面狀態。在樣品加載方面，嚴格按照規程仔細加載，避免扭應力的引入，一旦過載或偏心需要換樣或重新加載。實踐證明，對試驗裝置的良好潤滑可以減少樣品在裝夾過程中產生偏心，減少樣品在變徑處的非正常斷裂。除氧方面，嚴格按照標準要求在試驗前對溶液進行預除氧后再導入試驗容器，并且在將溶液導入容器與試樣接觸后進行二次除氧，避免氧氣對溶液的污染；在導入溶液時可以采用真空泵導入或抽負壓法導入。

[1]NACE TM 0177-2005Standard test method laboratory testing of metals for resistance to sulfide stress cracking and stress corrosion cracking in H2S environments[S].

[2]柏文峰. 油井管在濕硫化氫環境下應力腐蝕試驗若干影響因素研究[D]. 上海：上海交通大學，2010.

[3]NACE TM 0284-2011Standard test method evaluation of pipeline and pressure vessel steels for resistance to hydrogen-induced cracking[S].

[4]李光瑾,任頌贊,蔡紅,等. 圓角對機械零件可靠性的影響[J]. 機械制造，2014，52(8)：64-65.

Influence Factors on Sulfide Stress Corrosion Cracking Test NACE TM0177 Method A

HAN Yan1, Lü Nai-xin1, HUANG Peng-fei2, BAI Zhen-quan1, ZHANG Qiu-li2

(1. CNPC Tubular Goods Research Institute, Xi′an 710077, China;2. Xi′an University of Architecture and Technology, Xi′an 710055, China)

Through analyzing the sample defects, oxygen purging procedure and introduction of torsional stress, the influences of main factors on the test results of NACE TM0177 method A were clarified. Then effective solutions were proposed in order to improve the test standard and to ensure the accuracy of the test results.

sulfide stress corrosion cracking; NACE TM0177 method A; influence factor

10.11973/fsyfh-201601008

2014-12-25

國家科技支撐計劃課題(2011BAE25B04)

韓 燕(1981-)，工程師，碩士，從事石油管材的腐蝕與防護研究，13519177401，hanyan003@cnpc.com.cn

TG172.3; TG174.3

A

1005-748X(2016)01-0035-04