文/張春霞,張忠鏵·寶山鋼鐵股份有限公司
 

　　本文介紹了各類耐蝕合金油井管的使用環境界限,如馬氏體不銹鋼、奧氏體不銹鋼、雙相不銹鋼及鎳基合金等。以及添加元素對抗開裂耐蝕合金的影響機理。
 

　　21世紀，世界各國之間的斗爭大多數是搶奪能源資源的斗爭。石油天然氣是目前世界上最為豐富的能源資源，為了滿足黨建世界各國的能源需求，越來越多的高含H₂S、CO₂油氣田被勘探開采，石油天然氣的開采對油井管材料的要求也變得更加的苛刻。因此開發新型、經濟的抗開裂耐蝕合金油井管是迫在眉睫的需求。


       本文結合NACE0175和ISOO15156標準對適用于油氣井用管的油氣井管用耐蝕合金主要類型、主要腐蝕機理、腐蝕評價方法及國內外的研究生產現狀作以綜述。
 

主要類型
 

　　抗環境開裂的耐蝕合金和其它合金材料主要包括三大類:不銹鋼系列;Ni基合金系列;其他合金系列。
 

　　不銹鋼有兩種分類法:—種是按合金元素的特點,劃分為鉻不銹鋼和鉻鎳不銹鋼;另一種是按在正火狀態下鋼的組織狀態,劃分為馬氏體不銹鋼、鐵素體不銹鋼、奧氏體不銹鋼、高合金奧氏體不銹鋼、沉淀硬化不銹鋼和雙相不銹鋼,目前比較常用的分類方法為第二種。
 

　　Ni基合金在油氣井管中的應用類型主要有沉淀硬化Ni基合金及固溶Ni基合金。
 

　　其他的合金系列則包括:Co基合金、Ti和Ta合金及Cu、Al合金等。
 

　　用于油氣井井下管件的耐蝕合金主要包括高合金奧氏體不銹鋼、馬氏體不銹鋼、雙相不銹鋼以及固溶Ni基合金系列。
 

腐蝕機理及合金化設計
 

　　金屬材料在工業生產中的腐蝕失效形式是多種多樣的。不同材料在不同負荷及不同介質環境的作用下,其腐蝕形式主要有均勻腐蝕、晶間腐蝕、應力腐蝕、點腐蝕、腐蝕疲勞。除了上述各種腐蝕形式以外,還有由于宏觀電池作用而產生的腐蝕。例如,金屬構件中鉚釘與鉚接材料不同、異種金屬的焊接等因電極電位差別而造成的腐蝕。
 

　　井下管件的腐蝕問題主要是由于油氣中H₂S、CO₂以及C1-等腐蝕性物質對管件造成的腐蝕破壞。對于CO₂或H₂S單獨存在情況下的腐蝕機理進行過大量的研究,目前得到了比較一致的觀點,即CO₂的腐蝕是電化學作用下形成的以失重為主要表現形式的全面腐蝕和局部腐蝕,而H₂S的腐蝕除了電化學腐蝕引起的失重外,氫致開裂(HIC)以及硫化物應力腐蝕開裂(SSCC)是兩種最為嚴重的失效特點。
 

       CO₂作用下的油井管腐蝕
 

　　被普遍認同地CO₂腐蝕機理為:CO₂在水中溶解形成碳酸,碳酸電離出碳酸氫根、碳酸根和氫根離子,然后與金屬發生氧化還原反應,從而對鋼管造成腐蝕。

　　CO₂的腐蝕主要表現為全面腐蝕和典型的沉積物下方的局部腐蝕兩種形式。局部腐蝕的危害性更大,這是由于局部腐蝕通常會很快地引起穿孔或斷裂等破壞結果,從而設備壽命終止,而全面腐蝕引起的管件整體的壁厚均勻減薄的相應破壞力稍弱。
 

　　在沒有H₂S的環境條件下影響油井管CO2腐蝕性能的因素主要包括環境因素和材質因素兩大類。其中環境因素主要包括:溫度、CO₂分壓、pH值、流速、介質組成(如Cl^-、HCO₃^-、Ca²⁺、Mg²⁺、0₂等)、腐蝕產物膜、載荷和時間等。材質的影響因素主要包括合金元素的種類及含量、熱處理及金相組織等。
 

       H₂S作用下的油井管腐蝕
 

　　油井管發生H₂S腐蝕主要表現形式有均勻腐蝕、坑蝕、氫鼓泡、氫誘發階梯紋、氫脆及硫化物應力腐蝕開裂等。各種腐蝕形式相互促進,最終可導致材料開裂并引發大量惡性事件。在IS015156中對硫化氫服役環境下的材料破壞考慮了三種方式,一是環境溫度下的硫化物應力開裂(SSC),二是較高使用溫度下的應力腐蝕開裂(SCC) ,三是電偶誘發的氫應力開裂(GHSC)。
 

　　目前的研究結果對H₂S的腐蝕機理尚無統—的說法,—般認為H₂S會加速鐵的電離反應,并進一步生成FeS。
 

　　對H₂S腐蝕產生影響的因素很多,概括起來分為兩類,環境因素和材料因素。其中環境因素包括溫度、水含量、總壓及H₂S分壓、pH值、C1離子濃度、氧、細菌(或微生物)、流速等。材料因素主要包括合金元素、顯微組織、強度和硬度、腐蝕產物膜等。
 

       合金元素對腐蝕性能的影響
 

　　從上述的CO₂和H₂S腐蝕的影響因素中可以看出,選擇合適的材料、提高材料的耐蝕性是防止腐蝕破壞的最有效的措施之—。利用合金化方法可以有效有針對性地提高材料地耐蝕性。合金元素地加入對提高耐蝕性的機理有所不同,基本方法及原理如下:

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