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鐵鎳基合金925在含硫、H2S和CO2鹽溶液中的腐蝕行為

2019-05-21 10:14:08 作者：王春光來源：《機械工程材料》分享至：

腐蝕防護的大考驗

近年來，我國不斷發現高含H2S/CO2的油氣田。H2S和水共存時，不僅會導致金屬管材的腐蝕減薄，還會引起應力腐蝕造成管材的脆性斷裂，這種脆性斷裂一般具有突發性和災難性。

解決方案國外研究和應用實踐表明，使用鎳基耐蝕合金是解決高含H2S/CO2油氣田金屬管材腐蝕問題的一種安全且相對經濟的辦法。

鐵鎳基合金925的“優”與“憂”

鐵鎳基合金925是一種以鎳、鉻、鐵元素為主，加入少量鉬、銅、鈦和鋁元素的耐腐蝕合金，由于其具有優異的抗硫化物應力腐蝕開裂性能，常用于制造井下和地表氣井管、閥門、懸吊管、鉆具接頭和封隔器等關鍵部件。雖然鐵鎳基合金925的耐腐蝕性能優異，但是在一定的苛刻環境下，尤其是含單質硫溶液溫度超過單質硫熔點的情況下，其耐高溫高壓腐蝕性還是備受考驗。

因此，本文將研究其腐蝕行為，為該合金在高溫高壓環境下的使用提供試驗數據。

試樣制備與試驗方法

試驗材料：鐵鎳基合金925（該合金經真空感應熔煉、電渣重熔和鍛造后，進行了固溶和時效處理。）

抗拉強度：1210MPa

屈服強度：870 MPa

斷后伸長率：27％斷面

收縮率：35％

硬度：37HRC

化學成分：見表1。

試驗方法

將925合金表面用砂紙逐級打磨至800#，經拋光、丙酮除脂、去離子水清洗后，放置在干燥器中備用。在925合金上截取尺寸為50mm×10mm×3mm的矩形掛片試樣，在其一端開？7mm的孔，用環狀T型電絕緣陶瓷墊片進行隔離，裝配在試樣架上進行均勻腐蝕試驗。彎梁應力腐蝕試樣的尺寸為115mm×15mm×2.25mm，根據GB/T 15970.2-2000，采用四點加載方式進行應力加載，試樣加載觸點均采用石英棒，應力σ等于試驗合金屈服強度（870MPa）的75％，加載過程如圖1所示。

圖中，t為試樣厚度，2.24~2.25mm；y為外支點的最大撓度，1.44mm；H為外支點間的距離，65mm；A為內外支點間的距離，15mm；h為內支點間的距離，35mm；E為試驗合金彈性模量，199GPa。

應力加載計算公式見式（1）。

σ＝12Ety/（3H2 -4A2）（1）

取3.5L質量分數為15％的NaCl溶液，加入3.5g單質硫，混合均勻后緩緩倒入高壓釜中，將準備好的試樣通過試樣支架固定在高壓釜釜蓋下面，封閉高壓釜釜蓋。試驗溫度為（150±1）℃，用N2除氧6h，然后利用增壓泵將氣瓶內的H2S充入高壓釜，12h平衡后增至總壓力為1.38MPa，再充CO2，平衡后保證CO2分壓為0.69MPa。均勻腐蝕試驗時間為360h，應力腐蝕試驗時間為1080h。腐蝕試驗結束后，采用EPMA-1720型電子探針觀察試樣的表面形貌并進行成分分析，利用OHAUS/CP214型電子分析天平測腐蝕質量損失，并計算腐蝕速率。

試驗結果與討論

1均勻腐蝕行為

由圖2可以明顯看出，在150℃含單質硫、H2S、CO2的NaCl溶液中浸泡360h后，試樣均在懸掛開孔一側存在局部腐蝕坑，除了有一個試樣的腐蝕最為嚴重，其他三個試樣的腐蝕程度大致相近。

由圖3可以看出，試樣表面發生腐蝕的區域呈泥漿裂痕狀。通過電子探針定性分析可知，試樣表面局部腐蝕區的化學成分主要為鎳、鐵、鉻和少量的氧、硫、鉬、銅、鈦，部分區域甚至沒有硫元素。綜合多篇文獻所述，可以推斷925合金的局部腐蝕并非歧化反應生成的H2S的作用，應該是合金元素與高溫硫進行直接或間接反應而導致的。

由表2可知，925合金的腐蝕速率不小于0.37mm·a-1，結合圖2分析可知，該合金不適合在試驗所設置的腐蝕環境中服役，主要原因是高溫環境中單質硫的存在。

2應力腐蝕行為

由圖4可以看出，在150℃含硫、H2S和CO2鹽溶液中應力腐蝕1080h后，試樣表面均有不同程度的腐蝕坑，腐蝕坑沒有明顯的位置取向，通過顯微鏡放大觀察沒有發現應力腐蝕裂紋；應力腐蝕1080h后腐蝕坑的深度和均勻腐蝕360h后的相當，推斷腐蝕坑可能在試驗開始后的360h內已經形成。

由圖5可以看出，應力腐蝕后，試樣表面的腐蝕坑呈泥漿干裂狀，與典型的硫腐蝕形貌一致。通過對表面產物進行定量分析，發現其中含量最多的為氧，質量分數（下同）為30％~45％，其次為鉻，為35％~55％，鎳、鐵含量均較低，為1％~5％，鉬含量比基體高，為3％~6％。大量氧元素的存在說明有大量的H2O或OH-離子參與了腐蝕反應，而鎳、鐵含量較低說明和硫反應的合金元素主要為鐵和鎳。

結論

（1）在150℃含硫、H2S、CO2的鹽溶液中均勻腐蝕360h后，鐵鎳基合金925表面發生明顯的局部腐蝕，存在局部腐蝕坑，腐蝕速率約0.37 mm·a-1；腐蝕產物主要由鐵、鎳和硫組成，單質硫的加入是合金發生局部腐蝕的主要原因。

（2）在150℃含硫、H2S、CO2鹽溶液中應力腐蝕1080h后，鐵鎳基合金925表面存在明顯的腐蝕坑，腐蝕坑深度和均勻腐蝕360h后的相當，表面無應力腐蝕裂紋存在，其腐蝕形貌與典型的硫腐蝕形貌一致；腐蝕產物中存在大量氧元素，說明有大量的H2O或OH-離子參與了腐蝕反應。

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