無縫管線管主要用于井口附近輸送高壓油氣。隨著硫化氫腐蝕問題的日益嚴(yán)重,抗硫無縫管線管的研制迫在眉睫,而抗硫性能的好壞是關(guān)鍵。探討了影響抗氫致裂紋(HIC)性能的介質(zhì)與材料因素,認(rèn)為Cu、Ni的加入可以提高無縫管線管材料的HIC性能,降低鋼中的S含量,經(jīng)噴硅鈣粉處理還可降低氫鼓泡的敏感性。
隨著石油和天然氣開采的日益深入,開采條件復(fù)雜且處于含硫環(huán)境的油氣井越來越多,硫化氫腐蝕問題非常尖銳。近年來,國內(nèi)外對(duì)抗硫無縫管線管的需求不斷增加。無縫管線管主要用于井口附近輸送高壓油氣,是采用無縫管生產(chǎn)方式制造的沒有焊縫的鋼管。本文擬對(duì)抗硫無縫管線管的研制作一討論。
1 試驗(yàn)方法
根據(jù)ISO3183標(biāo)準(zhǔn),采用浸入法,在實(shí)驗(yàn)室冶煉7爐1 t鋼錠,經(jīng)過鍛造、穿孔、頂管及張減制造成管,在鋼管上截取20 mm×100 mm×5 mm板厚或管厚試樣,將其浸入按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定配置的溶液中,96 h后取出并垂直軋向取截面,用金相法計(jì)算3個(gè)參量(裂紋長度率CLR、裂紋厚度率CTR、開裂敏感率CSR),以此來比較抗氫致裂紋(HIC)敏感性。
2 影響HIC性能的因素
2.1 介質(zhì)因素
1) pH值。大量的研究結(jié)果表明,在pH為1~6的范圍內(nèi),氫鼓泡的敏感性隨pH的增加而降低,當(dāng)pH>6時(shí),則不發(fā)生氫鼓泡[1]。
2) H2S濃度。硫化氫的濃度愈高,則氫鼓泡的敏感性愈大。
3) 氯離子。在pH 值為3.5~4.5 的范圍內(nèi),Cl-的存在,使腐蝕速度增加,氫鼓泡的敏感性增加。
4) 溫度。25℃時(shí)CLR最大,氫鼓泡的敏感性最大。低于25℃時(shí),升溫使腐蝕反應(yīng)及氫擴(kuò)散速度加快,從而氫鼓泡的敏感性增加。而高于25℃以后,由于H2S濃度的下降,反而使氫鼓泡的敏感性下降。
5) 時(shí)間。試驗(yàn)采用96 h作為對(duì)比,一般情況下隨試驗(yàn)時(shí)間的增加,腐蝕程度趨向嚴(yán)重。
2.2 材料因素
2.2.1 化學(xué)成分的影響
在實(shí)驗(yàn)室冶煉了一輪根據(jù)不同級(jí)別設(shè)計(jì)的鋼種,具體成分見表1,并對(duì)其進(jìn)行HIC浸泡試驗(yàn)。從浸泡后的試樣表面觀察,B2、B6、B7的鼓泡面積明顯多于B9、B10,裂紋敏感性指標(biāo)結(jié)果見表2。從表2 可看出,B2、B6、B7 的抗HIC 性能明顯劣于B9、B10。表1 中B2、B6、B7 鋼種不含Cu、Ni,而B9、B10 鋼種則含有Cu、Ni。由此可見,Cu、Ni 的加入,使腐蝕產(chǎn)物在鋼的表面形成了保護(hù)膜,抑制了表面的腐蝕反應(yīng),從而降低氫的逸出,減少了氫從環(huán)境中進(jìn)入鋼的基體,降低氫鼓泡敏感性,增加了抗HIC 的性能,這與Oriani 的研究結(jié)果[2] 非常吻合,而且Oriani 還指出只有加入0.2 %的Ni 及大于0.2 %的Cu才能產(chǎn)生效果。
2.2.2 鋼中硫含量的影響
B2、D2兩個(gè)鋼種的化學(xué)成分幾乎相當(dāng),只是D2的S含量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于B2。經(jīng)浸泡試驗(yàn)(表3),發(fā)現(xiàn)D2的抗HIC性能大大好于B2。由此可見,提高鋼的純凈度,降低硫含量,有利于降低氫鼓泡的敏感性。這主要是由于氫原子易在長條狀的MnS夾雜或氧化鋁夾雜尖端處積聚而形成極大的氫壓,致使在材料內(nèi)部產(chǎn)生內(nèi)鼓泡,在應(yīng)力作用下氫誘發(fā)裂紋沿著垂直于應(yīng)力軸方向堆積排列而形成了鏈狀鼓泡,最后呈臺(tái)階狀斷裂。因此,降低鋼中的硫含量,可減少所形成的MnS,從而可降低氫鼓泡的敏感性。
2.2.3 鈣處理對(duì)HIC性能的影響
B6、C6 成分相當(dāng),只是B6 未經(jīng)過噴硅鈣粉處理, 而C6 經(jīng)過Ca 處理。將B6、C6 同時(shí)浸泡在TM0284標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的人工海水溶液中96 h,發(fā)現(xiàn)C6表面鼓泡面積明顯減少,而且無裂紋產(chǎn)生,具體HIC試驗(yàn)結(jié)果見表4。由表4可見,經(jīng)過Ca處理的鋼種,其抗HIC性能明顯優(yōu)于未經(jīng)Ca處理過的鋼種。這主要是經(jīng)過噴硅鈣粉處理后,改變了硫化物和氧化物夾雜的形狀,將集中的有邊角的夾雜變成分散的顆粒夾雜,從而降低了氫鼓泡的敏感性,提高了抗HIC性能。
3 結(jié)論
1) 影響HIC性能的介質(zhì)因素主要有pH值、H2S濃度、氯離子、溫度及時(shí)間。
2) Cu、Ni的加入可以提高抗HIC性能。
3) 降低鋼中的S含量,提高鋼的純凈度,可降低氫鼓泡的敏感性。
4) 噴硅鈣粉,是降低氫鼓泡敏感性最有效的措施之一。
參考文獻(xiàn)
[1] 肖紀(jì)美. 應(yīng)力作用下的金屬腐蝕[M]. 北京:化學(xué)工業(yè)出版社,1999.
[2] Richard A. Oriani,John Price Hirth,Micha1 bSmia1ows⁃ki. Hydrogen Degradation