2205 雙相不銹鋼連續(xù)管耐蝕性能分析*

汪海濤， 畢宗岳， 趙 勇， 劉 云，李鴻斌， 趙 博， 張 歌

（1. 寶雞石油鋼管有限責(zé)任公司， 陜西 寶雞721008；2. 國(guó)家石油天然氣管材工程技術(shù)研究中心， 陜西 寶雞721008；3. 陜西電子工業(yè)研究院， 西安710065）

連續(xù)管已廣泛應(yīng)用于油田修井、 完井、 增產(chǎn)等作業(yè)。 隨著大量含有H2S、 CO2等腐蝕介質(zhì)的酸性油氣田被開發(fā)， 普通碳鋼連續(xù)管在服役中易發(fā)生CO2引起的腐蝕速率極高的均勻腐蝕或局部腐蝕， 而且連續(xù)管在作業(yè)過程中會(huì)受到自重的拉應(yīng)力和周期性的塑性應(yīng)變， 與井內(nèi)H2S 介質(zhì)協(xié)同作用下會(huì)造成材料性能退化， 塑性降低， 容易導(dǎo)致管體開裂， 或管材會(huì)在受力遠(yuǎn)低于其本身屈服強(qiáng)度時(shí)突然發(fā)生脆斷。 輕者造成整盤連續(xù)管或整口井報(bào)廢， 重者導(dǎo)致硫化氫隨油氣一同外溢， 造成井口設(shè)備及周圍生態(tài)環(huán)境的巨大破壞， 嚴(yán)重制約酸性油氣田的開發(fā)[1-5]。

目前， 我國(guó)許多油氣田， 例如四川、 長(zhǎng)慶、華北、 新疆、 江漢等油田的油氣層中均含有H2S、 CO2等腐蝕介質(zhì)， 急需大量耐蝕性能較強(qiáng)的連續(xù)管在上述區(qū)域作業(yè)中應(yīng)用。 雙相不銹鋼兼具鐵素體和奧氏體的優(yōu)良特性， 具有較強(qiáng)耐蝕性能[6]。 因此， 為延長(zhǎng)連續(xù)管在酸性環(huán)境下的使用壽命， 防止事故發(fā)生， 開發(fā)了2205 雙相不銹鋼連續(xù)管產(chǎn)品。 本研究針對(duì)該產(chǎn)品的耐蝕性能進(jìn)行了全面的分析研究， 以期對(duì)2205 雙相不銹鋼連續(xù)管在油田的合理、 安全應(yīng)用提供指導(dǎo)。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料為Φ31.8 mm×3 mm 規(guī)格2205 雙相不銹鋼連續(xù)管， 該管材是采用2205 雙相不銹鋼熱軋卷板經(jīng)過精密成型、 焊接制管后， 再經(jīng)過熱處理制成的連續(xù)管， 其化學(xué)成分見表1。

表1 2205 雙相不銹鋼連續(xù)管的化學(xué)成分 %

1.2 試驗(yàn)方法

對(duì)管材進(jìn)行晶間腐蝕、 氫致開裂、 應(yīng)力腐蝕、 點(diǎn)蝕、 工況腐蝕等試驗(yàn)， 具體方法如下：

（1） 依據(jù)GB/T 4334 標(biāo)準(zhǔn)中E 方法規(guī)定進(jìn)行晶間腐蝕試驗(yàn)， 將2205 雙相不銹鋼連續(xù)管焊縫和母材試樣放在微沸狀態(tài)的CuSO4溶液中， 連續(xù)煮沸浸泡16 h 后， 對(duì)試樣在直徑5 mm 的壓模下進(jìn)行180°彎曲， 彎曲后在10 倍放大鏡下觀察彎曲試樣外表面有無晶間腐蝕產(chǎn)生的裂紋。

（2） 依據(jù)NACE TM0284 標(biāo)準(zhǔn)， 對(duì)2205 雙相不銹鋼連續(xù)管焊縫和母材試樣在A 溶液 （飽和H2S 的0.5%醋酸+ 5%NaCl 水溶液） 中進(jìn)行抗氫致開裂 （HIC） 試驗(yàn)， 試驗(yàn)時(shí)間96 h， 溶液溫度25 ℃。 試驗(yàn)后在10 倍放大鏡下檢查試樣表面有無微裂紋、 氫鼓泡現(xiàn)象。 對(duì)樣品切割， 觀察樣品截面是否存在裂紋， 并計(jì)算裂紋率， 其中要求裂紋敏感率 （CSR） ≤0.03%； 裂紋長(zhǎng)度率（CLR） ≤5%； 裂紋厚度率（CTR） ≤0.5%。

（3） 依據(jù)NACE TM 0177 標(biāo)準(zhǔn)， 采用四點(diǎn)彎曲法對(duì)縱向試樣在A 溶液中進(jìn)行硫化物應(yīng)力腐蝕試驗(yàn) （SSC）， 加載應(yīng)力為2205 雙相不銹鋼連續(xù)管屈服強(qiáng)度552 MPa 的72%， 浸泡時(shí)間720 h，溶液溫度為24 ℃。 試驗(yàn)后， 在10 倍放大鏡下檢驗(yàn)試樣表面有無裂紋或斷裂現(xiàn)象。

（4） 依據(jù)ASTM G48 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定進(jìn)行點(diǎn)蝕試驗(yàn)， 將2205 雙相不銹鋼連續(xù)管焊縫和母材試樣放在恒溫22 ℃、 含有6%FeCl3的溶液中浸泡72 h后， 計(jì)算腐蝕速率， 按照ASTM A923 C 中規(guī)定對(duì)腐蝕速率評(píng)定， 并在20 倍放大鏡下觀察點(diǎn)蝕密度、 點(diǎn)蝕數(shù)量、 點(diǎn)蝕特征等信息。

（5） 依據(jù)YB/T 5362 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定進(jìn)行氯化物應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)， 將2205 雙相不銹鋼連續(xù)管焊縫和母材試樣制成U 形試樣， 放入沸騰（143 ℃） 的42%MgCl 溶液中浸泡48 h 后， 觀察是否存在裂紋或斷裂。

（6） 開展模擬工況條件腐蝕試驗(yàn)， 試驗(yàn)溶液以及氣體介質(zhì)按照實(shí)際油氣田工況中的條件配置， 并依據(jù)ASTM G111 標(biāo)準(zhǔn)開展相關(guān)試驗(yàn)。 試驗(yàn)后， 采用失重法計(jì)算平均腐蝕速率。

2 結(jié)果與分析

2.1 晶間腐蝕行為

在管材制造過程中， 由于不合理的生產(chǎn)工藝， 易使焊縫、 母材晶界處富集M23C6、 Cr2N等析出物， 沿晶界邊形成貧鉻區(qū)， 使得管材在酸性油田中耐蝕性、 韌性降低， 易造成管材脆性開裂。 針對(duì)上述問題對(duì)管材開展晶間腐蝕評(píng)價(jià)， 分別制取20 mm×80 mm 的焊縫和母材試樣， 在微沸狀態(tài)的CuSO4溶液中連續(xù)煮沸浸泡16 h， 再進(jìn)行彎曲， 焊縫、 母材試樣外表面均無明顯裂紋產(chǎn)生， 焊縫和母材腐蝕后形貌如圖1所示。 其中， A1、 A2 為焊縫試樣， A3、 A4 為母材試樣。 由試驗(yàn)結(jié)果可知， 2205 雙相不銹鋼連續(xù)管焊縫、 母材均未發(fā)生脆性開裂， 管材對(duì)晶間腐蝕不敏感。

圖1 晶間腐蝕試驗(yàn)后試樣形貌

2.2 氫致開裂行為

在含有H2S 的酸性油氣田中， 腐蝕過程產(chǎn)生的一部分氫原子吸附在管材的表面并擴(kuò)散進(jìn)入管材基體內(nèi)， 氫原子在管材基體內(nèi)結(jié)合成氫分子，易使管材表面產(chǎn)生鼓泡或微裂紋[7-9]。 為此， 對(duì)2205 雙相不銹鋼連續(xù)管的焊縫、 母材開展了氫致開裂試驗(yàn)， 從而評(píng)價(jià)管材抗HIC 性能。 由試驗(yàn)可知： 焊縫、 母材試樣經(jīng)過96 h 含有H2S 的飽和A 溶液浸泡后， 未出現(xiàn)裂紋和鼓泡現(xiàn)象，HIC 試驗(yàn)后形貌如圖2 所示。 經(jīng)計(jì)算， 裂紋敏感率（CSR）=0%； 裂紋長(zhǎng)度率（CLR）=0%； 裂紋厚度率（CTR）=0%， 均滿足NACE TM0284 標(biāo)準(zhǔn)要求。由此可以判定， 2205 雙相不銹鋼連續(xù)管在含有H2S 的水溶液腐蝕環(huán)境中， 不易產(chǎn)生因吸氫引起的氫致開裂。

圖2 氫致開裂HIC 試驗(yàn)后試樣形貌

2.3 硫化物應(yīng)力腐蝕行為

在含有濕H2S 的酸性油氣田工況下， 活性H原子滲入金屬材料內(nèi)部晶格， S 在Fe 表面吸附，使管材的脆性增加， 并在外加拉應(yīng)力和殘余應(yīng)力協(xié)同作用下， 造成管材斷裂[10]。 針對(duì)此現(xiàn)象開展2205 雙相不銹鋼連續(xù)管抗硫化物應(yīng)力腐蝕性能評(píng)價(jià)， 結(jié)果顯示， 對(duì)管材焊縫、 母材采用四點(diǎn)彎曲法施加398 MPa 的拉應(yīng)力， 在A 溶液中浸泡720 h后， 焊縫、 母材試樣均未發(fā)生斷裂， 腐蝕后形貌如圖3 所示。 由此可知， 該連續(xù)管在含有H2S 的酸性油氣田工況下作業(yè)時(shí)， 管材不易發(fā)生開裂、脆斷等現(xiàn)象， 具有良好的抗硫化物應(yīng)力腐蝕性能。

圖3 硫化物應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)SSC 后試樣形貌

2.4 點(diǎn)蝕行為

酸性油氣田工況中含有一定量的CaCl2， 其中的Cl-離子半徑小， 穿透能力強(qiáng)， 容易穿透不銹鋼鈍化膜內(nèi)極小的孔隙， 到達(dá)金屬表面， 并與金屬相互作用形成可溶性的化合物， 導(dǎo)致管材表面形成蝕孔[11-12]。 針對(duì)2205 雙相不銹鋼連續(xù)管進(jìn)行了抗點(diǎn)蝕能力評(píng)價(jià)， 將管材焊縫、 母材試樣放在恒溫22 ℃、 含有6%FeCl3的溶液中浸泡72 h 后，結(jié)果顯示： 在20 倍放大鏡下觀察管體表面， 未發(fā)現(xiàn)明顯點(diǎn)蝕顯現(xiàn)， 如圖4 所示。 具體測(cè)量值如表2所示， 其中腐蝕速率按公式（1） 計(jì)算。 檢測(cè)結(jié)果發(fā)現(xiàn)， 所有試樣的腐蝕速率均遠(yuǎn)小于10 mdd， 滿足ASTM A923 C 中規(guī)定的最大接受腐蝕等級(jí)。 從評(píng)價(jià)結(jié)果可以看出， 2205 雙相不銹鋼連續(xù)管在氯離子環(huán)境中具有較強(qiáng)的抗點(diǎn)蝕能力。

表2 點(diǎn)蝕試驗(yàn)結(jié)果

圖4 點(diǎn)蝕試驗(yàn)后試樣形貌

式中： R——腐蝕速率， mmd；

M前——試驗(yàn)前試樣的質(zhì)量， mg；

M后——試驗(yàn)后試樣的質(zhì)量， mg；

S——試樣總表面積， dm2；

t——試驗(yàn)時(shí)間， d。

2.5 氯化物應(yīng)力腐蝕行為

不銹鋼在氯化物環(huán)境中， 在應(yīng)力作用下金屬表面產(chǎn)生滑移臺(tái)階， 鈍化膜會(huì)被局部破壞， 露出活潑的 “新鮮” 金屬。 Cl-與金屬相互作用形成可溶性化合物， 最后形成蝕坑及尖端裂紋。 隨著可溶物的出現(xiàn)產(chǎn)生陽極極化， 使蝕坑及裂紋尖端周邊重新生成鈍化膜； 隨后在拉應(yīng)力作用下， 造成蝕坑底部裂紋尖端處應(yīng)力集中， 使鈍化膜再次破裂， 形成新的活性陽極區(qū)。 上述過程如此反復(fù)， 最終形成不銹鋼縱深的穿晶裂紋[13-14]。

由于油氣田工況中常伴有一定量的Cl-， 且連續(xù)管在井下易受到自身拉應(yīng)力及其他應(yīng)力載荷作用， 所以對(duì)不銹鋼連續(xù)管開展氯化物應(yīng)力的評(píng)判至關(guān)重要。 因此將2205 雙相不銹鋼連續(xù)管焊縫和母材試樣制成U 形試樣， 放入沸騰（143 ℃） 的42%MgCl 溶液中浸泡48 h 后， 由試驗(yàn)結(jié)果可知：樣品均無開裂， 2205 雙相不銹鋼連續(xù)管具有良好的抗氯化物應(yīng)力腐蝕能力， 試驗(yàn)結(jié)果如圖5 所示。

圖5 氯化物應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)后試樣形貌

2.6 模擬工況環(huán)境中的腐蝕行為

2.6.1 井內(nèi)掛片試驗(yàn)

為了驗(yàn)證2205 雙相不銹鋼連續(xù)管在酸性油氣田實(shí)際工況中的耐蝕性能， 將2205 雙相不銹鋼連續(xù)管焊縫、 母材掛片試樣與油田常用的碳鋼80S 油管掛片試樣， 共同放入某油田典型氣井工況環(huán)境中， 試驗(yàn)周期52 天， 井內(nèi)工況條件見表3、 表4。

表3 某油田的典型氣井工況（氣質(zhì)）

表4 某油田的典型氣井工況（水質(zhì)）

試驗(yàn)后按照公式（2） 計(jì)算試樣的腐蝕速率，試驗(yàn)結(jié)果如圖6 所示。

圖6 工況條件下腐蝕速率結(jié)果對(duì)比

式中： g——失重， g；

r——材料密度， g/cm3；

s——試樣暴露在腐蝕介質(zhì)中的表面積，mm2；

t——腐蝕周期， d；

v——平均腐蝕速率， mm/a。

結(jié)果表明， 2205 雙相不銹鋼連續(xù)管焊縫腐蝕速率0.003 8 mm/a， 母材腐蝕速率0.004 2 mm/a，連續(xù)管焊縫和母材腐蝕速率基本一致， 大幅度優(yōu)于油田現(xiàn)用80S 油管（腐蝕速率0.045 8 mm/a）。 由此可推測(cè)， 2205 雙相不銹鋼連續(xù)管完全適合在該油田含有H2S、 CO2共存的氣井中長(zhǎng)期作業(yè)。

2.6.2 實(shí)驗(yàn)室模擬試驗(yàn)

針對(duì)以CO2腐蝕為主的國(guó)內(nèi)某油田氣井工況條件， 采用高溫高壓釜開展了2205 雙相不銹鋼連續(xù)管與碳鋼速度管柱的模擬工況腐蝕試驗(yàn)， 總氣壓20 MPa， 試驗(yàn)工況條件見表5。 試驗(yàn)后按照公式（2） 計(jì)算試樣腐蝕速率， 2205 雙相不銹鋼連續(xù)管焊縫腐蝕速率為0.006 81 mm/a， 母材腐蝕速率為0.006 11 mm/a； 碳鋼速度管柱焊縫腐蝕速率為1.960 09 mm/a， 母材腐蝕速率為2.012 47 mm/a， 2205 雙相不銹鋼連續(xù)管腐蝕速率遠(yuǎn)低于碳鋼速度管柱腐蝕速率， 更加適合在以CO2腐蝕為主的氣井長(zhǎng)期服役。

表5 以CO2 腐蝕為主的氣井模擬工況條件

3 結(jié) 論

（1） 通過晶間腐蝕試驗(yàn)可知， 2205 雙相不銹鋼連續(xù)管焊縫、 母材試樣外表面均無明顯裂紋產(chǎn)生， 由此證明2205 雙相不銹鋼連續(xù)管制造工藝合理， 在管材焊縫、 母材晶界處未出現(xiàn)明顯的M23C6、 Cr2N 等金屬間析出物。

（2） 對(duì)2205 雙相不銹鋼連續(xù)管開展了氫致開裂試驗(yàn)、 硫化物應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)、 氯化物應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)、 點(diǎn)蝕試驗(yàn)等標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)， 未發(fā)現(xiàn)氫致開裂、 應(yīng)力腐蝕等問題， 證明了2205 雙相不銹鋼連續(xù)管在不同腐蝕條件下具有良好的耐腐蝕性能。

（3） 針對(duì)油田氣井實(shí)際腐蝕工況， 進(jìn)行了2205 雙相不銹鋼連續(xù)管腐蝕性能試驗(yàn)， 結(jié)果表明， 2205 雙相不銹鋼連續(xù)管腐蝕速率低， 更適合在酸性油氣田中作業(yè)及應(yīng)用。