朱 威,歐陽(yáng)志英,舒志強(qiáng)
(上海海隆石油管材研究所,上海 200949)
在含硫油氣資源勘探開采過程中,采用常規(guī)鋼質(zhì)鉆桿容易產(chǎn)生硫化氫應(yīng)力腐蝕開裂(SSC),相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[1-2]要求選用抗硫化氫應(yīng)力腐蝕優(yōu)異的鉆桿來降低風(fēng)險(xiǎn),并規(guī)定了抗硫鉆桿的性能指標(biāo)。采用NACE TM 0177—2016《金屬在H2S 環(huán)境中耐硫化物應(yīng)力開裂和應(yīng)力腐蝕開裂的實(shí)驗(yàn)室測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法》評(píng)價(jià)鉆桿的抗硫性能[3-4]。目前,按國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)的抗硫鉆桿最高鋼級(jí)為SS105,該類鉆桿在深井中面臨承載能力不足,安全系數(shù)低,鉆井效率低等缺點(diǎn),難以滿足日趨苛刻的勘探環(huán)境對(duì)鉆桿強(qiáng)度的要求。近年來,國(guó)內(nèi)外對(duì)120 鋼級(jí)及更高鋼級(jí)抗硫鉆桿進(jìn)行了研究開發(fā)。
目前SSC 評(píng)價(jià)試驗(yàn)采用NACE TM 0177 標(biāo)準(zhǔn)A 法,溶液A(pH=2.6~2.8),加載應(yīng)力為85%SMYS(額定最小屈服強(qiáng)度)的SS120 抗硫鉆桿尚未開發(fā)成功,主要集中在非苛刻的中等酸性環(huán)境的高鋼級(jí)抗硫鉆桿研究和開發(fā)[5-7]。如法國(guó)VAM 公司開發(fā)了型號(hào)為VM-120DPS 的120 鋼級(jí)抗硫鉆桿,美國(guó)Grant 公司研發(fā)了型號(hào)為HS3TM-125 的125 鋼級(jí)抗硫鉆桿,國(guó)內(nèi)江陰德瑪斯特鉆具有限公司開發(fā)了型號(hào)為DPM-CY120N 的120 鋼級(jí)抗硫鉆桿,均采用企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)。文獻(xiàn)[8]介紹了一種新型的能夠服役于酸性環(huán)境的125 鋼級(jí)鉆桿,該材料在NACE TM 0177 標(biāo)準(zhǔn)D 溶液(pH=3.8~4.0)的中等酸性環(huán)境中加載80%SMYS全部通過SSC 測(cè)試,在載荷85%SMYS、90%SMYS下API Spec 5CT—2018《套管和油管規(guī)范》D 溶液和載荷70%SMYS下NACE TM 0177 A 溶液的SSC 測(cè)試部分通過[8]。目前,國(guó)內(nèi)主要研究了高鋼級(jí)抗硫油套管,關(guān)于120 高鋼級(jí)抗硫鉆桿研究較少[6-16]。本文采用改進(jìn)型27CrMo 材料制作成鉆桿管體,熱處理成120 和125 鋼級(jí)鉆桿,通過電化學(xué)試驗(yàn)、浸泡試驗(yàn)和硫化物應(yīng)力腐蝕試驗(yàn),重點(diǎn)對(duì)比研究120 和125 鉆桿管體材料在NACE TM 0177 標(biāo)準(zhǔn)D 溶液中的腐蝕行為差異。
試樣選用改進(jìn)型27CrMo 材料,其化學(xué)成分見表1。通過880 ℃淬火+650 ℃回火和880 ℃淬火+630 ℃回火,將改進(jìn)型27CrMo 材料分別調(diào)質(zhì)處理成120 鋼級(jí)和125 鋼級(jí)鉆桿。Φ101.6 mm×9.65 mm鉆桿熱處理后的力學(xué)性能見表2,可以看出,120鋼級(jí)鉆桿的實(shí)物屈服強(qiáng)度達(dá)到865.2 MPa,約為125 鋼級(jí);125 鋼級(jí)鉆桿的實(shí)物屈服強(qiáng)度達(dá)到897.0 MPa,約為130 鋼級(jí);7.5 mm×10 mm×55 mm 規(guī)格沖擊試樣的低溫沖擊功在130~140 J,性能優(yōu)良。
表1 改進(jìn)型27CrMo 材料的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) %
表2 120 鋼級(jí)和125 鋼級(jí)鉆桿的力學(xué)性能
電化學(xué)測(cè)試選用Gamry reference 600 電化學(xué)工作站,樣品切割成待測(cè)表面尺寸為10 mm×10 mm方塊,用導(dǎo)線保證和樣品良好接觸并用鑲嵌粉封裝,待測(cè)表面用砂紙打磨至1 000 目,并用丙酮清洗風(fēng)干,測(cè)試溶液選擇NACE TM 0177 標(biāo)準(zhǔn)D 溶液(5%NaCl+0.4%CH3COONa,其余為蒸餾水配制),溶液先通2 h 氮?dú)馊コ鯕?,然后? h 的0.07 mol H2S 氣體之后進(jìn)行測(cè)試,試驗(yàn)過程中持續(xù)通入H2S 氣體。電化學(xué)測(cè)試采用三電極體系,參比電極為甘汞電極,輔助電極為鉑電極,試樣為工作電極。動(dòng)電位極化曲線測(cè)試掃描速率為0.167 mV/s,相對(duì)于開路電位-0.3 V 掃描至0.5 V。交流阻抗選用頻率范圍為10-2~105Hz,交流擾動(dòng)振幅為10 mV。
浸泡試驗(yàn)試樣機(jī)械切割成25 mm×25 mm×3 mm,各個(gè)面逐級(jí)打磨至1 000 目并用丙酮清洗干凈。腐蝕溶液與電化學(xué)試驗(yàn)一致,先通入N2去除氧氣,后通入0.07 mol H2S 氣體開始記錄時(shí)間,整個(gè)試驗(yàn)過程持續(xù)通入H2S 氣體,試驗(yàn)時(shí)間720 h。試驗(yàn)后,采用VEGA ⅡXMH 型掃描電鏡觀察表面及截面腐蝕形貌。
參考NACE TM 0177 標(biāo)準(zhǔn)中的A 法D 溶液進(jìn)行硫化物應(yīng)力腐蝕試驗(yàn),應(yīng)力加載量為85%規(guī)定最小屈服強(qiáng)度,持續(xù)通入0.07 mol H2S 氣體浸泡720 h,10 倍放大后觀測(cè)試樣。
圖1 所示為120 鋼級(jí)和125 鋼級(jí)鉆桿管體材料在NACE 標(biāo)準(zhǔn)D 溶液中靜置2 h 后的伯德和奈奎斯特圖。從圖1(a)中可以看出,在測(cè)試頻率f范圍內(nèi)鉆桿材料相位角只出現(xiàn)一個(gè)峰值,且均在中低頻區(qū),120 鋼級(jí)鉆桿材料相位角約在65°,125 鋼級(jí)鉆桿材料接近60°,相位角越高,耐蝕性越好,120 鋼級(jí)鉆桿腐蝕劇烈程度要低于125 鋼級(jí)鉆桿材料。而阻抗模量與頻率曲線的斜率與電荷轉(zhuǎn)移存在一定的關(guān)系,斜率越大,電荷轉(zhuǎn)移,電阻也越大。120 鋼級(jí)鉆桿材料的斜率要大于125 鋼級(jí)鉆桿,表明125 鋼級(jí)鉆桿材料比120 鋼級(jí)鉆桿易于發(fā)生腐蝕。由圖1(b)可以看出,120 鋼級(jí)和125 鋼級(jí)鉆桿材料在高頻區(qū)表現(xiàn)為容抗弧,低頻出現(xiàn)了瓦爾堡擴(kuò)散,此時(shí)界面反應(yīng)由擴(kuò)散控制。而120 鋼級(jí)鉆桿材料容抗弧要高于125 鋼級(jí)鉆桿,表明120 鋼級(jí)鉆桿耐蝕性能要高于125 鋼級(jí)鉆桿。
圖1 鉆桿管體材料在NACE D 溶液下的伯德和奈奎斯特圖
圖2 所示為120 鋼級(jí)和125 鋼級(jí)鉆桿材料在NACE TM 0177 標(biāo)準(zhǔn)D 溶液中靜置2 h 后的極化曲線,ESEC為相對(duì)電位,i為電流的瞬時(shí)值;數(shù)據(jù)擬合結(jié)果見表3。從圖2 中可以看出,120 鋼級(jí)和125 鋼級(jí)鉆桿材料在NACE TM 0177 標(biāo)準(zhǔn)D 溶液中陽(yáng)極以活化溶解為主。結(jié)合圖2 和表3 分析,120鋼級(jí)鉆桿材料腐蝕電位為-653.0 mV 要略高于125鋼級(jí)鉆桿的-656.0 mV,表明在NACE TM 0177 標(biāo)準(zhǔn)D 溶液中125 鋼級(jí)鉆桿材料較120 鋼級(jí)鉆桿更易發(fā)生腐蝕傾向;而125 鋼級(jí)鉆桿材料腐蝕電流密度為74.30 μA/cm2要高于120 鋼級(jí)鉆桿約10 μA/cm2,說明125 鋼級(jí)鉆桿材料的腐蝕速率要高于120 鋼級(jí)鉆桿材料。
圖2 鉆桿管體材料在NACE D 溶液中的動(dòng)電位極化曲線
表3 鉆桿管體材料在NACE D 溶液中的電化學(xué)性能
結(jié)合交流阻抗和極化曲線,從熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)的角度分析,120 鋼級(jí)鉆桿相位角約高于125 鋼級(jí)5°,容抗弧半徑要大于125 鋼級(jí)鉆桿,腐蝕電位要高于125 鋼級(jí)鉆桿3 mV,腐蝕電流密度要低于125 鋼級(jí)鉆桿10 μA/cm2,表明120 鋼級(jí)鉆桿耐均勻腐蝕能力要略優(yōu)于125 鋼級(jí)鉆桿。
圖3 所示為120 鋼級(jí)和125 鋼級(jí)鉆桿材料在NACE TM 0177 標(biāo)準(zhǔn)D 溶液中浸泡720 h 后表面腐蝕掃描電子顯微鏡(SEM)形貌和電鏡能譜(EDS)。從圖3(a)中可以看出,120 鋼級(jí)鉆桿表面被腐蝕產(chǎn)物覆蓋,且出現(xiàn)了龜裂和小部分塊狀脫落;腐蝕產(chǎn)物和脫落物的主要元素均為Fe、O 和S,表明表面氧化層未全部脫落。由圖3(b)可知,125 鋼級(jí)鉆桿表面出現(xiàn)了較大面積腐蝕產(chǎn)物的脫落,腐蝕產(chǎn)物龜裂較120 鋼級(jí)鉆桿更深,腐蝕產(chǎn)物的元素主要為Fe 和O,并含有少量的S,脫落物的主要元素為Fe。120 和125 鋼級(jí)鉆桿腐蝕產(chǎn)物主要為鐵氧化合物,在NACE TM 0177 標(biāo)準(zhǔn)D 溶液中表現(xiàn)出良好的耐蝕性能,表層氧化層還未完全遭受H2S 侵蝕,部分氧化層和H2S 反應(yīng)形成疏松的鐵硫化合物脫落,露出鐵基體。而在表層腐蝕形貌觀察,125 鋼級(jí)鉆桿表層腐蝕龜裂更深,且腐蝕產(chǎn)物層脫落面積更大,比120 鋼級(jí)鉆桿腐蝕更加嚴(yán)重。
圖3 鉆桿管體材料在NACE 標(biāo)準(zhǔn)D 溶液下浸泡720 h 后表面腐蝕形貌SEM 示意和腐蝕產(chǎn)物EDS 譜
圖4 所示為120 和125 鋼級(jí)鉆桿管體材料在NACE TM 0177 標(biāo)準(zhǔn)D 溶液中浸泡720 h 后截面腐蝕形貌SEM 圖。從圖4(a)看出,120 鋼級(jí)鉆桿表面存在薄的腐蝕產(chǎn)物層約20 μm,且出現(xiàn)了分層,表明腐蝕產(chǎn)物層不夠致密,較為疏松,在腐蝕層下存在橢圓形的腐蝕坑,最大的腐蝕坑可達(dá)25 μm左右;從圖4(b)看出,125 鋼級(jí)鉆桿表面腐蝕產(chǎn)物層約10 μm,在腐蝕層下出現(xiàn)細(xì)長(zhǎng)的腐蝕坑,腐蝕坑深度可達(dá)50 μm 左右,且在腐蝕坑底出現(xiàn)兩條細(xì)小的腐蝕裂紋。在NACE TM 0177 標(biāo)準(zhǔn)D 溶液中120 鋼級(jí)鉆桿材料的腐蝕失重為19.5 mg/cm2,125鋼級(jí)鉆桿腐蝕失重為25.9 mg/cm2,125 鋼級(jí)鉆桿較120 鋼級(jí)腐蝕失重高出6.4 mg/cm2。
圖4 鉆桿管體材料在NACE D 溶液下浸泡720 h后截面腐蝕形貌SEM 示意
結(jié)合表面和截面微觀形貌分析,125 鋼級(jí)鉆桿表面腐蝕產(chǎn)物脫落較120 鋼級(jí)鉆桿更加嚴(yán)重,表明125 鋼級(jí)鉆桿表面氧化層較120 鋼級(jí)侵蝕更為嚴(yán)重,且腐蝕坑深度約為120 鋼級(jí)鉆桿兩倍,坑底存在腐蝕裂紋,125 鋼級(jí)鉆桿腐蝕失重高于120 鋼級(jí),腐蝕程度較120 鋼級(jí)鉆桿更為嚴(yán)重。
圖5 所示為120 鋼級(jí)和125 鋼級(jí)鉆桿材料宏觀形貌,可以看出120 鋼級(jí)鉆桿材料在NACE TM 0177 標(biāo)準(zhǔn)D 溶液中持續(xù)通入0.07 mol H2S 氣體浸泡720 h 后并未發(fā)生斷裂,試驗(yàn)通過;而125 鋼級(jí)鉆桿均發(fā)生斷裂,3 個(gè)試樣的斷裂時(shí)間分別為349 h、349 h 和382 h。125 鋼級(jí)鉆桿管體材料硫化物應(yīng)力腐蝕斷口如圖6 所示。由圖6(a)可知,斷口形貌分為裂紋起源區(qū)、裂紋擴(kuò)展區(qū)和瞬斷區(qū);由圖6(b)可知,在裂紋起源區(qū)域?yàn)榈湫偷难鼐嗫谛蚊?,表明在NACE TM 0177 標(biāo)準(zhǔn)D 溶液中斷裂方式為沿晶斷裂。結(jié)合浸泡試驗(yàn)結(jié)果分析,125 鋼級(jí)鉆桿材料在浸泡720 h 后腐蝕坑細(xì)長(zhǎng),且在坑底存在腐蝕裂紋,在額外載荷的情況下更易發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂,表明改進(jìn)型27CrMo 材料在熱處理成125鋼級(jí)鉆桿時(shí),抗硫性能不佳。
圖5 不同鋼級(jí)鉆桿經(jīng)硫化物應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)后宏觀形貌
圖6 125 鋼級(jí)鉆桿管體材料硫化物應(yīng)力腐蝕斷口示意
120 鋼級(jí)和125 鋼級(jí)鉆桿管體顯微組織如圖7所示,顯微組織均為回火索氏體,只是基體組織形態(tài)及析出物大小和分布不同。隨著回火溫度的升高,碳化物會(huì)優(yōu)先在晶界、位錯(cuò)等晶體缺陷處析出,部分細(xì)小析出物會(huì)重新熔入晶粒中在基體中析出,且碳化物析出量會(huì)增加。120 鋼級(jí)鉆桿為650℃回火溫度顯微組織析出碳化物較多,并且較為均勻地彌散在基體中,而125 鋼級(jí)鉆桿630 ℃回火相對(duì)較低,碳化物優(yōu)先在晶界上析出,在晶界處聚集長(zhǎng)大形成串聯(lián)狀的形貌,而這種串聯(lián)狀的碳化物易形成應(yīng)力集中,使得裂紋所需的應(yīng)力降低,在受力的情況下易沿著晶界產(chǎn)生裂紋。同時(shí)120 鋼級(jí)鉆桿材料碳化物較均勻地彌散在基體中,而125 鋼級(jí)鉆桿材料碳化物較120 鋼級(jí)更粗大,且碳化物沿基體組織位向聚集分布,形成條帶狀的碳化物組織。碳化物組織的腐蝕電位要明顯高于鐵,在NACE TM 0177 標(biāo)準(zhǔn)D 溶液中碳化物和鐵基體會(huì)形成無(wú)數(shù)個(gè)微電池發(fā)生電化學(xué)腐蝕[12-14]。120鋼級(jí)鉆桿材料碳化物較125 鋼級(jí)鉆桿分布更為均勻且細(xì)小,因此,其耐均勻腐蝕能力要優(yōu)于125 鋼級(jí)鉆桿[15-16]。浸泡試驗(yàn)后,125 鋼級(jí)鉆桿材料在表層產(chǎn)物下形成細(xì)長(zhǎng)的腐蝕坑,主要原因?yàn)槠涮蓟锝M織聚集成條帶狀和鐵基體形成微電池,在接觸腐蝕溶液后,優(yōu)先在條帶狀碳化物周圍發(fā)生腐蝕,形成細(xì)長(zhǎng)的腐蝕坑;120 鋼級(jí)鉆桿材料在表層腐蝕產(chǎn)物下呈橢圓形的腐蝕坑,主要原因?yàn)閺浬⒌念w粒狀碳化物和鐵基體形成腐蝕微電池,形成大小不一的橢圓狀腐蝕坑,較大的橢圓狀腐蝕坑由小的腐蝕坑連接長(zhǎng)大而成。在外加載荷和腐蝕介質(zhì)的綜合作用下,125 鋼級(jí)鉆桿細(xì)長(zhǎng)腐蝕坑更易形成應(yīng)力集中產(chǎn)生裂紋,沿著析出在晶界上的碳化物薄弱區(qū)域迅速擴(kuò)展最終導(dǎo)致產(chǎn)生沿晶斷裂。
圖7 鉆桿管體顯微組織示意
(1)120 鋼級(jí)鉆桿管體材料容抗弧要大于125鋼級(jí)鉆桿,且兩種鋼級(jí)鉆桿均出現(xiàn)瓦爾堡擴(kuò)散;120 鋼級(jí)鉆桿腐蝕電位為-653 mV,要高于125 鋼級(jí)鉆桿3 mV,腐蝕電流密度要少于10 μA/cm2。結(jié)合熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)角度分析,120 鋼級(jí)鉆桿材料耐均勻腐蝕能力要略優(yōu)于125 鋼級(jí)鉆桿。
(2)120 鋼級(jí)鉆桿材料在NACE TM 0177 標(biāo)準(zhǔn)D 溶液中出現(xiàn)橢圓形腐蝕坑,而125 鋼級(jí)鉆桿出現(xiàn)細(xì)長(zhǎng)腐蝕坑,深度約為120 鋼級(jí)鉆桿的兩倍,且在坑底出現(xiàn)腐蝕裂紋,因此125 鋼級(jí)鉆桿材料的腐蝕嚴(yán)重程度要高于120 鋼級(jí)鉆桿。
(3)27CrMo 材料熱處理成120 鋼級(jí)鉆桿,碳化物彌散均勻分布在基體中,而125 鋼級(jí)鉆桿碳化物較為粗大且沿基體組織位向分布,更易形成細(xì)長(zhǎng)的腐蝕坑,加快應(yīng)力腐蝕斷裂。120 鋼級(jí)鉆桿通過NACE TM 0177 標(biāo)準(zhǔn)A 法D 溶液SSC 試驗(yàn),而125 鋼級(jí)鉆桿在試驗(yàn)中發(fā)生斷裂,斷裂方式為沿晶斷裂,故125 鋼級(jí)鉆桿的抗硫應(yīng)力腐蝕性能不佳。