王云帆

（西南石油大學(xué)石油與天然氣工程學(xué)院，四川 成都 610500）

P110SS鋼在高含H2S與CO2條件下的腐蝕規(guī)律

王云帆

（西南石油大學(xué)石油與天然氣工程學(xué)院，四川 成都 610500）

利用高溫高壓實(shí)驗(yàn)裝置，研究了P110SS套管鋼在3種典型高含H2S/CO2工況條件下的腐蝕速率和硫化物應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂（SSCC）現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：隨H2S分壓、CO2分壓、溫度增加，P110SS鋼的腐蝕速率先降低再升高；P110SS鋼的回火索氏體組織使其具備較為優(yōu)良的抗SSCC性能；隨H2S分壓、CO2分壓、溫度增加，SSCC敏感性降低，溫度起主導(dǎo)作用，井口工況SSCC敏感性最高。

P110SS套管鋼；腐蝕速率；硫化物應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂；H2S分壓；CO2分壓；溫度

0 引言

川東北具有豐富的含硫天然氣資源［1］，普光氣田的 H2S 分壓為6.92～9.90MPa，CO2分壓為4.36～5.10MPa，腐蝕環(huán)境惡劣。與常規(guī)氣田開(kāi)發(fā)不同之處有：氣井井筒出現(xiàn)硫沉積問(wèn)題，出現(xiàn)水合物問(wèn)題，特殊完井技術(shù)，需要對(duì)單井開(kāi)發(fā)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)［2-8］。

惡劣的腐蝕介質(zhì)環(huán)境對(duì)管材抗H2S，CO2腐蝕性能的要求非?？量?，氣井生產(chǎn)套管使用了P110SS高抗硫套管。按照《API SPEC 5CT—2005套管和油管規(guī)范》［5］要求，P110鋼級(jí)屈服強(qiáng)度為758～965MPa，處于SSCC的敏感區(qū)［6］。

110級(jí)別的鋼材，在硫化氫環(huán)境中的腐蝕相關(guān)問(wèn)題，已經(jīng)進(jìn)行了部分研究［9-24］。目前，針對(duì)P110SS抗硫套管鋼在普光氣田工況條件下的腐蝕和SSCC規(guī)律研究，有待進(jìn)一步提高和完善。本文利用高溫高壓哈氏合金釜模擬普光氣田工況條件，研究了P110SS高抗硫套管鋼在3種典型（普光氣田的井底、井中部和井口）工況條件下的腐蝕速率和SSCC規(guī)律。

1 腐蝕評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)

1.1 材質(zhì)及試樣

1.1.1 實(shí)驗(yàn)材質(zhì)

實(shí)驗(yàn)用材為P110SS。其化學(xué)成分：C質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.270%，Si質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.260%，Mn質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.600%，P質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于等于0.009%，S質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于等于0.003%，Cr質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.500%，Mo質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.600%，Ni質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.250%。顯微組織為均勻的回火索氏體（見(jiàn)圖1）。

1.1.2 試樣設(shè)計(jì)

腐蝕速率試樣尺寸50mm×10mm×3mm。SSCC試件，縫位于試樣中部，尺寸67.5mm×4.5mm×1.5mm。慢應(yīng)變速率拉伸（SSRT）試樣見(jiàn)文獻(xiàn)［18］。

圖1 P110SS套管的顯微組織

1.2 實(shí)驗(yàn)介質(zhì)

實(shí)驗(yàn)介質(zhì)按表1配制，模擬普光氣田工況條件。

表1 實(shí)驗(yàn)介質(zhì)成分質(zhì)量濃度

1.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)條件見(jiàn)表2。腐蝕速率評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)、SSCC評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)、SSRT評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)各分3組，分別對(duì)應(yīng)普光氣田的井底、井中部和井口工況。

表2 實(shí)驗(yàn)條件

腐蝕速率評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)試件，每組3個(gè)試件，參考標(biāo)準(zhǔn)為JB/T 7901—1999［16］。

SSCC評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)試件，每組3個(gè)試件，采用四點(diǎn)彎曲試件，按照 NACE TM 0177—2005 標(biāo)準(zhǔn)［17］進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)加載應(yīng)力為90%SMYS。驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)為：試件的受拉伸面在低倍顯微鏡下放大10倍檢查，試件受拉伸面無(wú)可見(jiàn)SSCC裂紋。

SSRT評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)試件，每組1個(gè)試件，參考標(biāo)準(zhǔn)為NACE TM 0198—2004［18］。拉伸率為5×10-7s-1，拉伸速率為1.27×10-5mm/s。

無(wú)H2S條件SSRT評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)，1個(gè)試件，參考標(biāo)準(zhǔn)NACE TM 0198—2004［18］。實(shí)驗(yàn)條件：H2S 分壓為0MPa，CO2分壓為0MPa，溫度為25℃。拉伸率為5×10-7s-1；拉伸速率為1.27×10-5mm/s。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 腐蝕速率評(píng)價(jià)

3種腐蝕條件下P110SS套管腐蝕速率實(shí)驗(yàn)后的情況如圖2所示。腐蝕狀況明顯不同，井口工況和井底部工況條件腐蝕后，試樣表面生成了一層稍厚的腐蝕產(chǎn)物膜，并且腐蝕產(chǎn)物膜的附著性較好。井中部工況條件腐蝕后，試樣表面也生成了一層腐蝕產(chǎn)物膜，但是腐蝕產(chǎn)物膜的附著力較差，出現(xiàn)了明顯的脫落現(xiàn)象。

圖2 腐蝕速率實(shí)驗(yàn)照片

井口、井中部、井底部工況下的P110SS鋼腐蝕速率分別為0.1804，0.1078，0.2486mm/a。隨溫度和硫化氫、二氧化碳分壓的增大,腐蝕速率先升高再降低。井中部腐蝕速率較低，井口、井底偏高。

由P110SS鋼腐蝕速率實(shí)驗(yàn)結(jié)果看出，井口條件下，P110SS鋼腐蝕產(chǎn)物膜疏松。井中部條件下，腐蝕產(chǎn)物膜顆粒呈塊狀，但是出現(xiàn)明顯的脫落現(xiàn)象。井底環(huán)境下產(chǎn)物膜也存在脫落現(xiàn)象。

2.2 SSRT評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖3給出了不同環(huán)境下的應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)。由圖3可以看出：在沒(méi)有H2S和CO2環(huán)境下，P110SS套管塑性性能比較好，斷后伸長(zhǎng)率可達(dá)13%，并且出現(xiàn)了明顯的屈服現(xiàn)象。在井口環(huán)境中時(shí)，材料的應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)出現(xiàn)異常，沒(méi)有規(guī)律，在到達(dá)抗拉強(qiáng)度前，應(yīng)力與應(yīng)變呈線(xiàn)性變化。達(dá)到抗拉強(qiáng)度后，應(yīng)力迅速降低直到斷裂，斷后伸長(zhǎng)率為1%。說(shuō)明腐蝕環(huán)境下P110SS套管的力學(xué)性能損傷比較嚴(yán)重。井中部環(huán)境中抗拉強(qiáng)度達(dá)到657MPa，延伸率也比井口中明顯增大，但與空白條件相比明顯降低。井底環(huán)境下，與其他2種腐蝕條件相比，抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率明顯增大。

綜上所述，腐蝕后，P110SS鋼力學(xué)性能損傷比較嚴(yán)重。隨著分壓的增大，力學(xué)性能損傷逐漸減弱。井口條件下力學(xué)性能損傷最嚴(yán)重。

圖3 P110SS應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)

圖4給出了不同條件下P110SS鋼的SSRT實(shí)驗(yàn)測(cè)試周期?？梢钥闯?，在H2S和CO2條件下，P110SS斷裂周期顯著縮短。H2S和CO2對(duì)P110SS鋼中微裂紋萌生和擴(kuò)展起到明顯的促進(jìn)作用，H2S和CO2條件下該鋼力學(xué)性能退化嚴(yán)重。

圖4 不同條件下SSRT實(shí)驗(yàn)測(cè)試時(shí)間

3 分析與討論

實(shí)驗(yàn)中，CO2分壓與H2S分壓之比小于200，屬于H2S主導(dǎo)腐蝕［19］，P110SS鋼腐蝕速率出現(xiàn)了非線(xiàn)性恢復(fù)現(xiàn)象，說(shuō)明在腐蝕過(guò)程中，腐蝕機(jī)制發(fā)生了變化。

溫度對(duì)CO2/H2S腐蝕的影響主要體現(xiàn)在［11］：溫度升高，促進(jìn)電化學(xué)腐蝕反應(yīng)的速度；溫度升高，降低硫化氫的溶解度，減輕腐蝕；溫度升高，腐蝕產(chǎn)物膜的形成過(guò)程與機(jī)制也發(fā)生變變化。

通過(guò)SSRT實(shí)驗(yàn)分析得出，3種工況條件下SSCC敏感性是不同的，SSRT方法基于金屬材料的SSCC敏感性與冷變形、氫、應(yīng)變速率之間的作用，提供了快速進(jìn)行應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)的方法。

1）斷裂應(yīng)力。腐蝕介質(zhì)中與非腐蝕介質(zhì)中的斷裂應(yīng)力比值越小，SSCC敏感性就越大。惰性環(huán)境中的抗拉強(qiáng)度為825MPa，井口條件抗拉強(qiáng)度達(dá)到523MPa，井中部條件抗拉強(qiáng)度達(dá)到657MPa，井底條件抗拉強(qiáng)度達(dá)到765MPa。

2）吸收能量。惰性介質(zhì)和腐蝕介質(zhì)中吸收能量差別越大，則SSCC敏感性就越大。惰性環(huán)境中的吸收能量第1，井口條件吸收能量第4，井中部條件吸收能量第3，井底部條件第2。

3）斷裂時(shí)間。腐蝕介質(zhì)中與非腐蝕介質(zhì)中的斷裂時(shí)間比值越小，SSCC的敏感性就越高。惰性條件的斷裂時(shí)間最長(zhǎng)，井口條件斷裂時(shí)間最短，井中部條件斷裂時(shí)間第3，井底部條件斷裂時(shí)間第2。

3個(gè)方面的評(píng)價(jià)結(jié)果是一致的，SSCC敏感性由大到小的順序依次為井口條件、井中部條件、井底條件。

壓力增高，H2S分壓、CO2分壓也增加，它們?cè)谌芤褐腥芙舛染图哟?，電化學(xué)腐蝕速度也增加。同時(shí)，壓力增高，原子氫向金屬滲入的速度也增大。原子氫向金屬滲入的速度從2個(gè)方面促進(jìn)了SSCC：1）溫度太高，氫易逸出，敏感材料發(fā)生SSCC趨勢(shì)下降。2）溫度太低，擴(kuò)散慢，氫來(lái)不及隨缺陷轉(zhuǎn)移。這2個(gè)相反的趨勢(shì)形成了發(fā)生SSCC的最敏感溫度。越過(guò)這一溫度后，SSCC敏感性隨著溫度的升高而降低。

綜合分析以上因素認(rèn)為，溫度是主導(dǎo)因素。隨H2S分壓、CO2分壓、溫度增加，P110SS鋼的SSCC敏感性降低。SSCC敏感性最高的是井口工況。井口也是受拉力最大的部位，在防止SSCC方面要給予重點(diǎn)關(guān)注。

4 結(jié)論

1）隨 H2S分壓、CO2分壓、溫度增加，P110SS鋼的腐蝕速率出現(xiàn)了先降低后又升高的現(xiàn)象，腐蝕速率主要受H2S分壓、CO2分壓、溫度和腐蝕產(chǎn)物膜的影響。

2）隨 H2S分壓、CO2分壓、溫度增加，P110SS的SSCC敏感性降低，H2S分壓、CO2分壓和溫度因素中，溫度起主導(dǎo)作用。

3）井口工況SSCC敏感性最高，同時(shí)該部位受拉力最大，是控制SSCC的重點(diǎn)。

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（編輯 楊會(huì)朋）

Corrosion rule of P110SS under high H2S and CO2conditions

WANG Yunfan
(School of Oil and Natural Gas Engineering,Southwest Petroleum University,Chengdu 610500,China)

This paper studies the corrosion rate and sulfide stress corrosion cracking(SSCC)ofP110SS casing steelunder three typical high H2S-CO2conditions by means of high temperature and high pressure test equipment.With the increase of H2S-CO2partial pressures and temperature,the corrosion rate of P110SS decreases first and finally increases again.The tempered bainitic structure of P110SS leads to better resistance to SSCC.The SSCC sensitivity decreases with the increase of H2S-CO2partial pressures and temperature.Temperature plays a leading role and the SSCC ofwellhead condition is the mostsensitive.

P110SS casing steel;corrosion rate;sulfide stress corrosion cracking;H2S partial pressure;CO2partial pressure;temperature

TE980.1

A

10.6056/dkyqt201706029

2017-05-01；改回日期：2017-09-22。

王云帆，女，1995年生，主要從事油氣儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)規(guī)劃、勘探設(shè)計(jì)、運(yùn)行管理等方面的研究工作。E-mail：593771664@qq.com。

王云帆.P110SS鋼在高含 H2S與CO2條件下的腐蝕規(guī)律［J］.斷塊油氣田，2017，24（6）：863-866.

WANG Yunfan.Corrosion rule of P110SS under high H2S and CO2conditions［J］.Fault-Block Oilamp;Gas Field，2017，24（6）：863-866.