抗硫管硫化物應力腐蝕開裂試驗方法探討

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)

·試驗研究·

抗硫管硫化物應力腐蝕開裂試驗方法探討

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境的油氣田相繼開發，對高鋼級油套管需求日益增加。然而抗硫化物應力腐蝕試驗的鋼材強度等級增加會導致抗硫實驗中加載的載荷值越來越接近材料的名義屈服強度，應力環系統的細微偏差會導致較大的實驗誤差。通過試驗，分析了應力環在恒載荷試驗中存在的主要問題，其中應力環體位移-載荷曲線偏移和附加彎矩(扭矩)是應力環恒載荷結果離散度大的主要原因。為有效解決這些問題，自主研發了帶有更精準砝碼載荷加載和自動調心裝置的六頭砝碼式恒載荷試驗機，經試驗證實其試驗結果較應力環系統更具穩定性和可靠性。此外，結合恒載荷(A法)和雙懸臂梁試驗(D法)特點，對油套管抗SSC試驗方法給出了合理建議。

抗硫管；硫化物應力腐蝕開裂；應力環；六頭砝碼式恒載荷試驗機

0 引 言

硫化氫環境下，硫化物應力腐蝕開裂(SSC)、氫致開裂(HIC)和電化學腐蝕是金屬主要的腐蝕失效形式[1]，其中SSC是抗硫管和其他設備破壞性和危害性最大的一種形式[2]。SSC是指酸性環境中金屬材料在拉應力或殘余應力作用下發生的低應力且無預兆的突發性斷裂。其作用機理是濕H2S環境中鋼表面腐蝕產生的氫原子滲入鋼內部，進而固溶于晶格中，在氫降低原子鍵合力(HID)和氫壓(HP)作用下使鋼的脆性增加，在較低外加拉應力或殘余應力下形成開裂[3-5]。由腐蝕機理可知，抗硫管產生SSC的基本條件有兩個，如圖1所示：1)環境介質中酸性H2S含量需超過臨界值；2)拉應力的存在，兩者相互作用，互不可缺。

由于SSC導致的破壞往往沒有明顯預兆性的脆性斷裂，對抗硫管等油田用管的危害性極大。因此，抗硫化物應力腐蝕開裂性能試驗顯得尤為重要。美國腐蝕工程師協會(NACE)、歐洲腐蝕聯合會(EFC)、國際標準化組織(ISO)和美國材料與試驗協會(ASTM)都建立了相應的試驗標準，詳細情況見表1所示。歸納以上幾種標準，SSC試驗方法主要有標準單軸拉伸試驗(UT)、三點彎梁試驗(TPB)、四點彎梁試驗(FPB)、C-形環試驗(CR)和雙懸臂梁試驗(DCB)。不同試驗方法，SSC試驗的評定指標也不同。其中單軸拉伸試驗法由于操作方法相對簡單，試驗重復性好等優點被廣泛應用。該方法是對圓棒試樣施加單軸向載荷并保持載荷，應力環因其體積較小、操作較為方便等優點被推薦作為測量載荷的設備，然而在實驗過程中由于變形量-載荷對應關系、軸心度等問題容易導致很大的誤差，主要誤差形式如下：1) 材料未到屈服即發生延伸；2)相同環境下每組3根平行試樣，一根試樣在極短的時間內發生斷裂(30 h以內)，另一根超過720 h仍不斷裂；3)同材質試樣在低載荷加載時未能通過檢驗，而在較大載荷加載時則可以通過檢驗(大于720 h)。針對以上情況，本文詳細研究了應力環設備進行SSC試驗產生誤差的原因，并從設備和試驗方法方面給出了相應的改進措施和建議。

圖1 SSC腐蝕機理圖

協會或組織SSC標準NACENACETM0177EFCEFC16ISOISO7539 ISO15156ASTMASTMG系列(G30、G38、G39、G49、G58)

2 應力環工作原理及存在問題

2.1 應力環工作原理

應力環結構如圖2所示。測試試樣穿過試驗容器通過夾套或螺母固定在應力環的中央，通過加載螺帽使得應力環環體發生壓縮變形，由于應力環整體是一個彈性體，環體發生壓縮變形后會對試樣有一定的拉伸應力，從而給試驗試樣加載某一載荷。試樣載荷是通過測定應力環變形量和載荷量而確定的，變形量是應力環上下兩平臺的位移量，由于下平臺固定在應力環設備基座上面，因此應力環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，在量程范圍內應力環的載荷和變形量呈近似線性關系。

雖然應力環具有體積小、原理合理等優點，但是在幾種系統偏差作用下試樣在單軸拉伸加載過程會出現較大誤差。況且隨著鋼材強度等級越來越高，要求加載的載荷值越來越接近材料的名義屈服強度，應力環系統的細微偏差會導致較大的實驗誤差。因此，本文通過試驗測試分析了應力環存在的系統偏差。

圖2 應力環結構圖

2.2 應力環存在的問題(系統偏差)

2.2.1 力學特性引起的系統偏差

應力環裝置是通過壓縮變形產生反作用力以對試樣進行施加拉伸載荷的。通常情況下，在量程范圍內應力環的壓縮變形量和應力載荷有一一對應關系，并且呈線性關系。然而在反復較大載荷作用下應力環由于疲勞性能會導致明顯的變形量-載荷曲線偏移。我們對寶鋼某應力環逐年進行位移-載荷曲線測量，結果見圖3所示。由圖可見，同一應力環不同時期計量結果最大偏移量接近10%。如果不使用定期計量的載荷-位移曲線對試樣進行加載時，所造成的實驗誤差會很大，對實驗結果造成重大影響。

圖3 寶鋼某應力環10年內位移-載荷曲線

2.2.2 試樣夾具和轉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力環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現，其載荷值與應力環環體、螺帽、螺桿和夾套等部件密切相關。若部件間存在軸心偏差或應力環環體壓縮變形左右不均勻時，試樣受到額外扭矩的作用。目前應力環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變片進行標準拉伸實驗標定來進一步驗證扭矩或加載誤差的存在。圖5為試樣的標定曲線，通過曲線可證實明顯彎矩的存在，并且由于彎矩造成的試樣局部載荷偏差最大可達28%。此外，通過有限元數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，試樣上的最大附加載荷約為10%；若同心度差為0.2 mm時，最大附加載荷可達15%。Herve Marchebols等人也發現應力環加載產生的附加彎矩可達1%～13.8%[6]。由于彎矩或扭矩導致的額外載荷會明顯影響試驗結果。

圖4 應力環常見加載偏差

圖5 試樣拉伸標定曲線

針對應力環上述問題，從設備和試驗方法方面進行了研究。一是設備方面，自主開發了砝碼式恒載荷加載裝置，可以解決疲勞引起系統偏差和彎矩(扭矩)產生附加載荷等問題；二是試驗方法，結合石油管實際服役情況詳細比較了恒載荷試驗(A法)和雙懸臂梁試驗(D法)兩種方法，并給出合理的試驗方法選擇建議。

3 自主開發六頭砝碼式恒載荷試驗機

六頭砝碼式恒載荷試驗機采用更精確的砝碼載荷加載和自動調心裝置，能夠有效解決應力環存在的幾種系統偏差問題，其設計原理圖和實物圖如圖7所示。

圖6 有限元數值模擬

為驗證六頭砝碼式恒載荷試驗機在恒載荷試驗方法中的可靠性，選用高鋼級抗硫管分別在六頭砝碼式恒載荷試驗機和應力環設備上進行試驗，試驗條件和結果見表2所示。綜合三組實驗結果得知：

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

2) 試驗2：大尺寸110SS抗硫管試樣采用應力環進行試驗時2根試樣通過SSC試驗，1根試樣僅僅65 h就發生斷裂，試驗結果離散度很大；而采用六頭砝碼式恒載荷試驗機進行試驗時3根試樣均可以通過SSC試驗，離散度很小。

3) 試驗3：大尺寸125SS抗硫管試樣采用應力環進行試驗時有2根在210 h和230 h發生斷裂，而另一根則可以通過SSC試驗；而采用六頭砝碼式恒載荷試驗機進行試驗時3根試樣斷裂時間在120～264 h之間。

綜上所述，應力環設備得出的恒載荷試驗結果離散度和偏差較大，而采用六頭砝碼式恒載荷試驗機得到的結果均一性和可靠性較好，更能夠真實的反應材料的抗硫管硫化物應力腐蝕開裂能力。

圖7 六頭砝碼式恒載荷試驗機

試驗試驗機牌號試樣尺寸/mm溶液屈服強度/MPa加載系數斷裂時間/h1應力環六頭機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應力環六頭機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應力環六頭機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 試驗方法的認識及選擇

目前SSC試驗方法主要有4種，每種試驗方法都有不同的評價標準。NACE和ISO標準中均指出4種試驗方法結果不可相比較，說明每種試驗方法都有自己的獨立性。在實際應用中，選用合適試驗方法可以真實評價材料在服役工況下的抗SSC性能。

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

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

2)套管在固井后主要承受管體內外壓力，受力狀態主要為環向應力，軸向拉應力為次要因素。結合A法和D法的特點，D法比A法更能模擬套管真實的受力狀態。加拿大IRP標準也認為D法更接近套管受力狀態，A法無法反映環向應力下抗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。因此，套管的抗SSC性能應采用D法進行檢驗。

5 結 論

1) 研究了應力環設備在恒載荷試驗中存在的主要問題。應力環環體疲勞導致位移-載荷曲線偏移和同心度偏移導致的附加載荷會導致試驗誤差和離散度較大，不能真實反映材料的抗SSC性能。

2) 自主研發的六頭砝碼式恒載荷試驗機采用更精確的砝碼載荷加載和自動調心裝置，能夠有效解決應力環存在的幾種系統偏差問題。經腐蝕試驗證實六頭砝碼式恒載荷試驗機的試驗結果穩定性和可靠性更好。

3) 結合A法和D法特點，認為套管的抗SSC性能更適合采用D法進行檢驗。

[1] 邵曉東，莊傳晶，韓新利，等. 酸性環境用油氣輸送管線鋼的研究進展[J]. 機械工程材料，2010，34(11)：1-4.

[2] 左景伊. 應力腐蝕破裂[M]. 西安：西安交通大學出版社，1985.

[3] ORIANI R A. Whitney Award Lecture -1987: Hydrogen-The Versatile Embrittler [J]. Corrosion 1987， 43(1):390-397.

[4] QI Yameng, LUO Hongyun, ZHENG Shuqi, et al. Effect of H2S partial pressure on the tensile properties of A350LF2 steel in the absence and presence of pre-immersion [J]. Materials Science & Engineering A, 2014, 609(27): 161-167.

[5] 尤克勤. 濕硫化氫環境中的硫化物應力開裂腐蝕分析[J]. 硫磷設計與粉體工程，2014，24(2)：20-23.

[6] MARCHEBOIS H, DULCY N, CERNOCKY E P, et al.NACE TM0177 method A uniaxial tensile testing:learning from investigations on test procedure[C]//. NACE Corrosion, March 22-26,2009， Atlanta:Paper No.09094.

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年畢業于東南大學，獲博士學位，現主要從事耐腐蝕油套管產品開發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)