普光氣田N80套管多元腐蝕行為試驗研究

2013-07-09 08:45:48徐劍明鄭璐璐李亮董海彬

石油礦場機械 2013年6期

徐劍明，鄭璐璐，李亮，董海彬

（中國石化中原油田普光分公司采氣廠，四川達州 635000）①

1 試驗材料與設備

試驗材料為普光氣田常用的N80鋼級的套管材料，其化學成分和力學性能如表1所示。根據試驗設備要求，試樣形狀如圖1所示。

表1 普光氣田N80套管鋼材料化學成分 wB%

圖1 高溫高壓釜腐蝕試樣尺寸

將試樣用水砂紙（200＃、400＃、600＃、800＃）打磨至無機械劃痕，用蒸餾水沖洗干凈，用丙酮除油，放入無水乙醇，濾紙吸干表面酒精，置于干燥箱中干燥、待用。用BP210S（Max 210g；d＝0.1mg）型電子天平稱重。利用游標卡尺測量試件尺寸：D、E、F、G、H、I，試件表面積則為

試驗設備為帶旋轉裝置的GSHA－3型高溫高壓反應釜，如圖2所示。

圖2 GSHA－3型高溫高壓反應釜

2 試驗方法

正交試驗設計也稱正交設計（orthogonal design），是用來科學地設計多因素試驗的一種方法。它利用一套規格化的正交表（orthogonal table）安排試驗，得到的試驗結果再用數理統計方法進行處理，使之得出科學結論。正交表是試驗設計的基本工具，它是根據均衡分布的思想，運用組合數學理論構造的一種數學表格，均衡分布性是正交表的核心［3－5］。

安排的4因素3水平的試驗，編上試驗號，列成另外一種形式，正交試驗表L9（34）如表2。可以由此得到系列正交表（orthogonal table）。

表2 正交試驗表L9（34）

A 因素第1個取值方差表示為

式中：y1為A 因素第1個值試驗結果，y2為A 因素第2個值試驗結果，y3為A因素第3個值試驗結果。

彼有私急也，必以公義示而強之。其意有下也，然而不能已，說者因為之飾其美而少其不為也。其心有高也，而實不能及，說者為之舉其過而見其惡，而多其不行也。有欲矜以智能，則為之舉異事之同類者，多為之地，使之資說于我，而佯不知也，以資其智。欲內相存之言，則必以美名明之，而微見其合于私利也。欲陳危害之事，則顯其毀誹，而微見其合于私患也。譽異人與同行者，規異事與同計者，有與同污者，則必以大飾其無傷也。有與同敗者，則必以明飾其無失也。彼自多其力，則毋以其難概之也。自勇之斷，則毋以其謫怒之。自智其計，則毋以其敗窮之。

同理可以得到KA1′、KA2′、KA3′等其他因素的方差。根據方差即可計算極差，極差反應了試驗影響的主次順序。極差最大的那一列，則此因素的水平改變時對試驗指標的影響就最大，那個因素就是要考慮的主要因素。

3 基本參數

腐蝕試驗介質用化學純分析試劑和去離子蒸餾水配置，腐蝕介質參數如表3。根據表2配置9組不同的腐蝕試驗介質，并注入反應釜中。并將試驗的套管鋼刮片置于高溫高壓反應釜中，調節反應釜的參數，升高溫度，開始計時，試驗時間為72h。試驗完畢之后，取出掛片，用蒸餾水沖洗干凈，濾紙吸干表面水分。取其中1個進行表面腐蝕形貌和成分分析，其余2個用除膜液清除腐蝕產物膜，除膜20 min，并用橡皮擦擦拭表面，除膜后用蒸餾水沖洗干凈，放入飽和NaHCO3溶液中浸泡2min，并放入無水乙醇中脫水3 min，吹干放入干燥箱中24h，稱重，得出腐蝕后試樣的質量。

腐蝕后用XTL－500型體視顯微鏡和SEM 觀察腐蝕形態和產物膜形貌，用掃面電鏡附帶的X 射線能譜儀（EDS）進行腐蝕產物膜成分分析。

表3 試驗介質參數

4 試驗結果與分析

4.1 多元腐蝕試驗結果

正交試驗結果如表4所示。

表4 正交試驗結果

利用式（1）～（2）計算正交試驗方差和極差，如表5。

表5 正交試驗方差分析結果

4.2 腐蝕產物膜形貌和成分

通過上面分析：可以看出，對套管鋼腐蝕速率影響最大因素為NaHCO3的質量濃度，因此對其產物膜進行觀察。選擇其中最小腐蝕速率組別和最大腐蝕速率組別進行對比分析［6－8］。

由圖3可以看出：NaHCO3質量濃度最小影響水平中的最大腐蝕速率所對試驗組別試樣（如圖3a）只是產生了較小的局部腐蝕，腐蝕形態呈現出由一點向外擴展的圓點發展方式，圓點中心比周邊腐蝕嚴重；而NaHCO3質量濃度最大影響水平中的最小腐蝕速率所對組別試樣（如圖3b）產生了較嚴重的均勻腐蝕，同時附帶局部點蝕形態，點蝕孔均勻地分布于整個試樣表面。可以看出，腐蝕嚴重程度隨NaHCO3質量濃度的增加發生驟然增加的趨勢。因此，NaHCO3質量濃度對N80套管鋼材的腐蝕速率影響最大。

圖3 腐蝕產物膜體視顯微鏡形貌（放大41.5倍）

根據如圖4所示的掃描電鏡形貌分析結果可以看出，試驗1的試樣表面只有部分區域存在腐蝕產物膜的覆蓋情況，以及少量的產物膜脫落（如圖4a），腐蝕較輕微。對未脫落的產物膜，采用掃描電鏡所附帶的X射線能譜分析儀進行能譜分析，其結果如圖4b所示，具體成分百分比如表6?？梢钥闯觯?組試樣的產物膜以Fe、O、C 和S元素為主，即產物膜可能含有FeCO3和FexSy，且以FeCO3為主。因此，在試驗1腐蝕環境下，套管腐蝕以NaHCO3引起的腐蝕為主。

表6 腐蝕產物膜成分 wB%

圖4 腐蝕產物膜掃描電鏡形貌和成分分析（試驗1）

從圖5a可以看出，試驗2試樣表面出現厚厚的產物膜層，表面被腐蝕產物膜完全覆蓋，且產物膜出現鼓泡和裂紋，而裂紋是從鼓泡中心向四周擴散。采用掃描電鏡所附帶的X 射線能譜分析儀對產物膜進行能譜分析，其結果如圖5b所示，具體成分如表7。可以看出，該組試樣產物膜中僅含有Fe、C 和S元素，其中S元素含量較第一組明顯增加，O 元素含量明顯降低，而Fe、C 元素則變化不明顯，且以Fe、S含量最高，即產物膜可能含有FexSy及少量FeCO3，以FexSy為主。因此，試驗2腐蝕環境下，套管鋼材的腐蝕以Na2S腐蝕為主。