國產耐蝕連續管性能分析*

汪海濤，畢宗岳，王維東，鮮林云，王澤宇

（1.中油國家石油天然氣管材工程技術研究中心有限公司，西安 710018；2.中國石油寶雞石油鋼管有限責任公司，陜西 寶雞 721008；3.陜西省高性能連續管重點試驗室，陜西 寶雞 721008）

0 前 言

隨著油氣資源勘探開發的不斷深入，連續管作業技術得到了飛速發展[1-2]。連續管在油氣田開發中可實現鉆井、修井、儲層改造等7大領域50類作業[3-6]，2020年以前主要為低碳微合金材質。但隨著我國對石油天然氣需求與日俱增，油氣開采逐漸轉向含有H2S、CO2等腐蝕介質環境、地質條件復雜的區域以及海洋領域。低碳微合金連續管在H2S、CO2等腐蝕介質以及井下高溫、高壓的共同作用下，或海洋腐蝕環境下，會造成嚴重的腐蝕破壞，導致穿孔、開裂等現象，以至管材會在受力遠低于其本身屈服強度時發生脆斷，造成油氣井破壞，影響周圍生態環境，嚴重制約著我國復雜苛刻油氣資源的開發。因此，各大油田對具有高耐蝕性的連續管提出了迫切需求[7-13]。

為了提高連續管在復雜苛刻油氣環境下作業的使用壽命，防止事故發生，開發了80ksi鋼級的BSGCT80-2205、BSGCT80-18Cr耐蝕合金連續管產品。BSGCT80-2205耐蝕合金連續管主要針對含CO2和少量H2S的油氣井工況；BSGCT80-18Cr耐蝕合金連續管主要針對以CO2腐蝕為主的油氣井工況。本研究將對兩種耐蝕合金連續管性能進行全面分析，為國產耐蝕合金連續管在油氣田推廣應用提供技術依據。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

試驗材料是規格為Φ50.8 mm×4 mm 的BSGCT80-2205 連續管和BSGCT80-18Cr連續管，以上兩種國產耐蝕合金連續管是采用不銹鋼熱軋卷板經過精密成型、焊接制管等工藝后，再經過在線組織調控制成的長度可達數千米的連續管。

1.2 試驗方法

對BSGCT80-2205 和BSGCT80-18Cr 國產耐蝕合金連續管開展性能分析。依據GB/T 228.1—2021 標準進行整管拉伸試驗，在室溫下測定管材屈服強度、抗拉強度和斷后延伸率；依據GB/T 246—2017 標準中規定的壓扁試驗方法和GB/T 242—2007標準中規定的擴口試驗方法，判斷國產耐蝕合金連續管焊縫及母材的塑韌性性能；采用自制的疲勞試驗機對長度為1 524 mm的耐蝕合金連續管開展低周大應變疲勞試驗，檢測管柱疲勞壽命，試驗時彎曲模半徑為1 828 mm，管材內壓為34.47 MPa；依據API 5C3標準要求對國產耐蝕合金連續管進行抗壓性能檢測，測量管柱在無載荷情況下最大抗內、外壓的能力。

依據GB/T 4334—2020 標準中E 方法對兩種國產耐蝕合金連續管焊縫和母材試樣進行晶間腐蝕行為檢測，試驗后對試樣在直徑5 mm 的壓模下進行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而產生的裂紋；依據GB/T 8650—2015 標準中A 溶液的方法進行抗氫致開裂試驗及判定；依據GB/T 4157—2017 標準四點彎曲方法進行抗應力腐蝕試驗及評價；開展實際工況條件下腐蝕速率測試，將試樣放入實際工況條件下一定周期后，按照公式（1）計算試樣的腐蝕速率，即

式中：g——失重，g；

r——材料密度，g/cm3；

s——試樣暴露在腐蝕介質中的表面積，mm2；

t——腐蝕周期，d；

v——平均腐蝕速率，mm/a。

2 結果與分析

2.1 管材力學性能

表1 為BSGCT80-2205 連續管和BSGCT80-18Cr 連續管拉伸性能試驗結果。由表1 可知，BSGCT80-2205 連續管平均屈服強度為641 MPa，平均抗拉強度為781 MPa，平均延伸率為34.4%；BSGCT80-18Cr 連續管平均屈服強度為634 MPa，平均抗拉強度為769 MPa，平均延伸率為53.0%，兩種國產耐蝕合金連續管力學性能均滿足CT80鋼級連續管要求。兩種國產耐蝕合金連續管屈服強度和抗拉強度基本一致，表明兩種管材都具有良好的承重和提拉性能。BSGCT80-18Cr連續管延伸率略高于BSGCT80-2205 連續管，但兩種管材在滿足強度要求的前提下，延伸率均遠高于API SPEC 5ST標準要求，且大于30%以上，說明兩種國產耐蝕合金連續管在兼顧強度的同時具備較高的延展性。

2.2 塑性

依據GB/T 242—2007 和GB/T 246—2017 標準進行了兩種國產耐蝕合金連續管擴口試驗和壓扁試驗。擴口試驗采用60°錐頭，擴口率為25%，擴口試驗后兩種管材母材及焊縫均未出現裂紋。壓扁試驗將管材激光焊縫分別處于0 點鐘和9 點鐘位置先壓至兩板間距離為10.6 mm（管材外徑的1/3）處，最后壓至管壁貼合（2 倍壁厚），試驗結果分別如圖1、圖2所示。兩種國產耐蝕合金連續管焊縫和母材均未出現裂紋或裂縫，表明BSGCT80-2205 連續管和BSGCT80-18Cr 連續管沿周向具有良好的塑性。

圖2 BSGCT80-18Cr連續管塑性試驗結果

2.3 抗外壓（擠毀）性能

對規格為Φ50.8 mm×4 mm 的BSGCT80-2205連續管和BSGCT80-18Cr 連續管在CPT-1 外壓擠毀試驗系統上進行試驗。試樣有效長度為3 m，壓力介質為水，壓力加載速度低于35 MPa/min，試驗依據API 5C5標準進行。

管材擠毀失效試樣如圖3所示。擠毀試驗結果顯示，規格Φ50.8 mm×4 mm的BSGCT80-2205連續管的抗擠毀強度為101.3 MPa，較CT80鋼級連續管標準計算值76.33 MPa，提高了33%；BSGCT80-18Cr連續管抗擠毀強度為95.8 MPa，較CT80鋼級連續管標準計算值76.33 MPa，提高了26%；兩種管材焊縫、母材均未開裂，表明兩種國產耐蝕合金連續管都具有優異的抗外壓擠毀性能。

圖3 耐蝕合金連續管擠毀試驗失效后試樣形貌

2.4 抗內壓（爆破）性能

圖4 所示為Φ50.8 mm×4 mm 的BSGCT80-2205連續管和BSGCT80-18Cr連續管抗內壓爆破試驗試樣失效形貌。試驗結果顯示，BSGCT80-2205 連續管的爆破壓力為144.5 MPa，較CT80鋼級連續管標準計算值95.6 MPa 提高51.2%；BSGCT80-18Cr 連續管的爆破壓力為128.4 MPa，較CT80 鋼級連續管標準計算值95.6 MPa 提高34.31%。表明兩種耐蝕合金連續管具備承受較高內壓的能力，抗內壓性能優異。

圖4 耐蝕合金連續管爆破試驗失效后試樣形貌

2.5 低周疲勞性能

連續管在作業過程中反復發生低周大應變變形易引起疲勞損傷，這是連續管失效的主要原因之一。因此，對兩種耐蝕合金連續管開展疲勞壽命評價研究至關重要。

對規格為Φ50.8 mm×4 mm的兩種耐蝕合金連續管在內壓為34.47 MPa、彎曲半徑為1 828 mm（此彎曲半徑該為規格連續管作業車卷筒最小內徑，也是連續管作業過程中承受的最小彎曲半徑）條件下進行了實物彎曲疲勞試驗。結果表明，BSGCT80-2205 連續管平均疲勞壽命為1 152 次；BSGCT80-18Cr連續管的平均疲勞壽命為631次。CT90 鋼級Φ50.8 mm×4 mm 規格的低碳微合金鋼連續管平均疲勞壽命為158次，兩種耐蝕合金連續管與其相比，疲勞壽命大幅度提高，說明BSGCT80-2205 連 續 管 和BSGCT80-18Cr 連 續 管均具有較好的抗大變形彎曲的能力。疲勞壽命對比如圖5所示。

圖5 不同材質連續管疲勞試驗結果對比

在實際油田工況服役時，低碳微合金鋼連續管易被井下介質腐蝕，在管材表面形成坑蝕、點蝕等腐蝕形態；在現場反復彎曲作業過程中，坑蝕、點蝕處管材發生應力集中，導致低碳微合金鋼連續管疲勞性能大幅降低。耐蝕合金連續管具有良好的抗油氣介質腐蝕能力，在油田井下服役時管材表面不易發生腐蝕，現場反復彎曲作業時疲勞壽命比低碳微合金鋼連續管具有更加明顯優勢。

2.6 晶間腐蝕試驗

在管材制造過程的焊接、熱處理等加熱循環制造工藝中，管材的焊縫、母材晶界處易富集M23C6、Cr2N等析出物，沿晶界邊形成貧鉻區，使貧鉻區處連續管的耐蝕性、塑韌性降低，導致在含有H2S、CO2的酸性油氣田使用過程中造成管材脆性開裂。

對兩種耐蝕合金連續管開展晶間腐蝕評價。將管材制成20 mm×80 mm的焊縫、母材試樣，在微沸狀態的CuSO4溶液中連續煮沸浸泡16 h后觀察試樣形貌。結果顯示，在10倍放大鏡下彎曲試樣外表面均無明顯裂紋產生，如圖6 所示，表明BSGCT80-2205連續管和BSGCT80-18Cr連續管焊縫、母材均未發生由金屬間析出物引起的脆性開裂，管材對晶間腐蝕不敏感。

圖6 晶間腐蝕試驗結果

2.7 抗氫致開裂試驗（HIC）

將兩種耐蝕合金連續管按照GB/T 8650 制樣并開展試驗。結果表明，BSGCT80-2205 連續管和BSGCT80-18Cr 連續管焊縫和母材試樣在飽和硫化氫+0.5%醋酸+5%NaCl 混合溶液中浸泡96 h 后，所有試樣的縱向、橫向表面及截面均無裂紋產生，即裂紋長度率(CLR)、裂紋厚度率(CTR) 和裂紋敏感率(CSR)均為0。試驗結果如圖7 所示，表明兩種耐蝕合金連續管對HIC 不敏感。

圖7 抗氫至開裂（HIC）試驗結果

2.8 工況腐蝕試驗

針對以CO2腐蝕為主的國內某油田氣井工況條件，開展了兩種耐蝕合金連續管168 h 的模擬工況腐蝕試驗，CO2腐蝕試驗工況條件見表2。試驗后按照公式（1）計算試樣腐蝕速率，BSGCT80-2205 連續管腐蝕速率為0.006 1 mm/a，BSGCT80-18Cr 連續管腐蝕速率為0.010 5 mm/a，均小于NACE SP 0775—2013 標準中對輕度腐蝕的規定（＜0.025 mm/a），更加適合在以CO2腐蝕為主的氣井長期服役。

表2 以CO2腐蝕為主的某油田氣井工況條件

針對某油田CCUS-EOR 技術中CO2注入管材服役工況環境，開展了兩種耐蝕合金連續管的168 h 的模擬工況腐蝕試驗，試驗工況條件見表3。試驗后按照公式（1）計算試樣腐蝕速率，BSGCT80-2205 連續管腐蝕速率為0.035 4 mm/a，BSGCT80-18Cr 連續管腐蝕速率為0.039 6 mm/a,兩種耐蝕連續管的腐蝕速率基本一致，均小于油田用戶規定的腐蝕速率要求（＜0.076 mm/a），可見兩種耐蝕合金連續管均能在CCUS-EOR 技術中作為CO2注入管材長期服役。

表3 CO2注入管材服役工況

3 應用情況

目前BSGCT80-2205 連續管作為連續速度管柱、完井管柱、CO2注入管柱在多個油田批量化應用，BSGCT80-18Cr連續管作為CO2注入管柱在某油田規模化應用。同時，國產耐蝕連續管正向煤炭地下氣化用注氣管柱、分層注氣管柱等多個應用領域擴展。隨著鈦合金、鐵鎳基合金、鋁合金等材質連續管相繼開發與應用，將形成系列化耐蝕合金連續管產品，可全面實現國產連續管在高腐蝕介質、復雜油氣環境、海洋油氣資源開發等領域的應用。

4 結 論

（1）BSGCT80-2205 連 續 管 和BSGCT80-18Cr 連續管整體力學性能良好，可以滿足80ksi鋼級連續管要求；壓扁、擴口試驗均未出現裂紋，管材周向具有較高的塑韌性能。

（2）BSGCT80-2205 連 續 管 和BSGCT80-18Cr連續管的抗擠毀、爆破、疲勞壽命等性能研究表明，兩種國產耐蝕合金連續管具有良好的抗內、外壓性能，可承受較高壓力作業；同時管材在低周大應變變形中具有較高的使用壽命，疲勞壽命比同規格低碳微合金鋼連續管大幅提高。

（3）通過晶間腐蝕試驗可知，BSGCT80-2205連續管和BSGCT80-18Cr連續管制造過程工藝合理，在焊縫、母材晶界處未出現明顯造成管材耐蝕性、塑韌性降低的M23C6、Cr2N 等金屬間析出物。

（4）針對油田氣井實際腐蝕工況，開展了BSGCT80-2205連續管和BSGCT80-18Cr連續管腐蝕試驗，結果表明兩種國產耐蝕合金連續管適用于含腐蝕介質油氣井或可作為CO2注入管柱長期服役。