鉆桿腐蝕性能對比分析

趙 鵬，于 杰，郭金寶

（寶山鋼鐵股份有限公司，上海 201900）

鉆桿腐蝕是鉆井工程中普遍存在的問題，并隨著鉆井向深井/超深井、深海井、高腐蝕性井方向發(fā)展而日趨嚴(yán)重。在鉆井作業(yè)中，為適應(yīng)各種鉆井工藝的需要，使用了鹽水、鉀基聚合物等鉆井液體系，并含有多種添加劑，在井下高溫高壓作用下具有強(qiáng)烈的腐蝕性［1-3］。

目前，鉆桿材質(zhì)主要有油淬材質(zhì)（代表鋼種為36CrNiMo4）和水淬材質(zhì)（代表鋼種為 4130H）［4-6］。通過適當(dāng)?shù)臒崽幚砉に?，上述兩類材質(zhì)的常規(guī)力學(xué)性能都可以滿足APISpec 5DP—2009《鉆桿產(chǎn)品規(guī)范》對鉆桿的各項(xiàng)要求。但上述兩類材質(zhì)的抗腐蝕性能如何，目前還沒有系統(tǒng)地對比分析試驗(yàn)。由于鉆桿遇到的腐蝕性介質(zhì)主要是溶解氧、CO2和H2S等3種［7-13］；因此，本文選擇36CrNiMo4與4130H兩種材質(zhì)鉆桿進(jìn)行腐蝕性能對比試驗(yàn)，包括氧腐蝕試驗(yàn)、CO2腐蝕試驗(yàn)、硫化物應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)，為進(jìn)一步提高鉆桿材質(zhì)的使用性能提供依據(jù)。

1 材質(zhì)分析

36CrNiMo4和4130H兩種材質(zhì)鉆桿的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）見表1。兩種材質(zhì)相比，36CrNiMo4鉆桿為Cr-Ni-Mo系合金化，4130H鉆桿為Cr-Mo系合金化，而且4130H鉆桿的含碳量明顯偏低。

36CrNiMo4和4130H兩種材質(zhì)鉆桿的力學(xué)性能及金相分析結(jié)果見表2。從表2可以看出：36CrNiMo4和4130H兩種材質(zhì)均為S鋼級(jí)，強(qiáng)度水平基本相當(dāng)。

2 腐蝕性能對比分析

2.1 氧腐蝕試驗(yàn)

對36CrNiMo4和4130H兩種材質(zhì)鉆桿進(jìn)行電化學(xué)腐蝕試驗(yàn)，測定兩種材質(zhì)在3.5%NaCl溶液中的動(dòng)電位極化曲線。60℃下36CrNiMo4和4130H兩種材質(zhì)鉆桿在3.5%NaCl溶液中的極化曲線如圖1所示。

表1 36CrNiMo4和4130H兩種材質(zhì)鉆桿化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） %

表2 36CrNiMo4和4130H兩種材質(zhì)鉆桿的力學(xué)性能及金相分析結(jié)果

圖1 60℃下36CrNiMo4和4130H兩種材質(zhì)鉆桿在3.5%NaCl溶液中的極化曲線

從圖1可以看出：陰極極化曲線較陽極極化曲線陡，腐蝕電位接近陽極平衡電位，由電化學(xué)動(dòng)力學(xué)可知兩種材質(zhì)在3.5%NaCl溶液中的腐蝕主要由陰極控制。陰極極化曲線隨著腐蝕電流密度的增加而陡直下降，這是由于氧擴(kuò)散的阻滯引起的極化不斷增加，使整個(gè)陰極過程主要由氧的擴(kuò)散過程所控制。

表3是36CrNiMo4和4130H兩種材質(zhì)鉆桿在3.5%NaCl溶液中浸泡的試驗(yàn)結(jié)果。從表3可以看出：無論是在室溫還是在60℃條件下，4130H鉆桿與36CrNiMo4鉆桿的氧腐蝕速率基本相同。

表3 36CrNiMo4和4130H兩種材質(zhì)鉆桿在3.5%NaCl溶液中浸泡的試驗(yàn)結(jié)果

為了進(jìn)一步驗(yàn)證表3中的結(jié)論，從油田取來鹽水鉆井液，采用高壓釜進(jìn)行氧腐蝕試驗(yàn)。在通入飽和氧的條件下，36CrNiMo4和4130H兩種材質(zhì)鉆桿在鹽水鉆井液中的腐蝕試驗(yàn)結(jié)果見表4，也表明兩種材質(zhì)的氧腐蝕速率基本相同。

表4 36CrNiMo4和4130H兩種材質(zhì)鉆桿在鹽水鉆井液中的腐蝕試驗(yàn)結(jié)果

通過上述對比試驗(yàn)可知，鉆桿的溶解氧腐蝕是氧去極化腐蝕。由于鉆桿的腐蝕受溶解氧的擴(kuò)散所控制，因而鉆桿材質(zhì)對腐蝕速度基本無影響。

2.2 CO2腐蝕試驗(yàn)

對36CrNiMo4、4130H兩種材質(zhì)鉆桿進(jìn)行CO2腐蝕試驗(yàn)，測定兩種材質(zhì)在不同環(huán)境介質(zhì)中的CO2腐蝕速率。CO2腐蝕試驗(yàn)溶液配比見表5。在通入飽和CO2的條件下，36CrNiMo4和4130H兩種材質(zhì)鉆桿的CO2腐蝕試驗(yàn)條件及試驗(yàn)結(jié)果見表6，36CrNiMo4和4130H兩種材質(zhì)鉆桿在溶液1和溶液2中的腐蝕形貌如圖2所示。

表5 CO2腐蝕試驗(yàn)溶液配比 mg/L

表6 36CrNiMo4和4130H兩種材質(zhì)鉆桿的CO2腐蝕試驗(yàn)條件及試驗(yàn)結(jié)果

圖2 36CrNiMo4和4130H兩種材質(zhì)鉆桿在溶液1和溶液2中的腐蝕形貌

從表6可以看出：無論是采用溶液1還是溶液2進(jìn)行CO2腐蝕試驗(yàn)，36CrNiMo4材質(zhì)鉆桿的CO2腐蝕速率均低于4130H材質(zhì)。其中，在溶液1腐蝕環(huán)境下，36CrNiMo4材質(zhì)鉆桿的腐蝕速率比4130H材質(zhì)的腐蝕速率低27.4%；在溶液2腐蝕環(huán)境下，36CrNiMo4材質(zhì)的腐蝕速率比4130H材質(zhì)低12.1%。另外，在不同的腐蝕環(huán)境中，36CrNiMo4材質(zhì)鉆桿在溶液2中的腐蝕速率比在溶液1中的高出49.1%，4130H材質(zhì)鉆桿在溶液2中的腐蝕速率比在溶液1中的高出23.3%。由此可以看出，雖然36CrNiMo4材質(zhì)中的Ni、Mo等耐腐蝕合金元素含量明顯高于4130H材質(zhì)，導(dǎo)致不同材質(zhì)抗CO2腐蝕性能存在差異，但仍沒有環(huán)境介質(zhì)的影響大。

2.3 硫化物應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)

采用恒載荷法，在NACE TM 0177—2005《金屬在H2S環(huán)境中抗硫化物應(yīng)力開裂和應(yīng)力腐蝕開裂的實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)A溶液中對36CrNiMo4和4130H兩種材質(zhì)鉆桿進(jìn)行抗硫化物應(yīng)力腐蝕開裂（SSC）試驗(yàn)。36CrNiMo4和4130H兩種材質(zhì)鉆桿的抗SSC試驗(yàn)結(jié)果見表7。

表7 36CrNiMo4和4130H兩種材質(zhì)鉆桿的抗SSC試驗(yàn)結(jié)果 h

從表7可以看出：兩種材質(zhì)鉆桿因強(qiáng)度過高，均在很短時(shí)間內(nèi)斷裂，不適合在含硫環(huán)境中應(yīng)用；但相比之下，36CrNiMo4材質(zhì)鉆桿的抗SSC性能明顯低于4130H材質(zhì)，而且隨著加載應(yīng)力水平的降低，4130H材質(zhì)鉆桿的抗SSC性能的優(yōu)越性越來越明顯。當(dāng)加載應(yīng)力為80%SMYS時(shí)，4130H材質(zhì)鉆桿的斷裂時(shí)間約為36CrNiMo4材質(zhì)的1.9倍；當(dāng)加載應(yīng)力為60%SMYS時(shí)，4130H材質(zhì)鉆桿的斷裂時(shí)間約為36CrNiMo4材質(zhì)的5.0倍。

研究表明：鋼在含H2S水溶液中的腐蝕屬于氫致開裂型的應(yīng)力腐蝕，是陰極反應(yīng)析出的氫進(jìn)入鋼中并富集在某些關(guān)鍵部位引起的［14］。當(dāng) w（Ni）≤2%、硬度∧22 HRC時(shí)，含鎳鋼的抗SSC性能低于不含鎳鋼的原因是：含鎳鋼的析氫過電位低，促進(jìn)了陰極析氫，造成更多的氫進(jìn)入鋼中，使鋼中可擴(kuò)散氫的濃度增加，從而造成鋼的抗SSC性能下降。

3 結(jié) 論

（1）36CrNiMo4與4130H兩種材質(zhì)的氧腐蝕速率基本相同。

（2）36CrNiMo4材質(zhì)鉆桿的抗CO2腐蝕性能優(yōu)于4130H材質(zhì)。

（3）36CrNiMo4材質(zhì)鉆桿的抗硫化物應(yīng)力腐蝕性能明顯低于4130H材質(zhì)。

［1］畢洪運(yùn)，于杰，趙鵬.G105鉆桿腐蝕失效分析［J］.理化檢驗(yàn)：物理分冊，2005，41（6）：304-313.

［2］張毅，趙鵬.Φ127 mm×9.19 mm IEU S-135鉆桿腐蝕失效分析［J］.鋼管，2003，32（4）：10-16.

［3］侯彬，周永璋，魏無際.鉆具的腐蝕與防護(hù)［J］.鉆井液與完井液，2003，20（2）：48-50，53.

［4］史弼.36CrNiMo4鋼慣性摩擦焊接頭的韌性研究［J］.寶鋼技術(shù)，1996（3）：61-64.

［5］劉麒麟.冶煉工藝對36CrNiMo4鉆桿用鋼沖擊功影響［J］.寶鋼技術(shù)，2004（1）：29-32.

［6］魏開龍，唐建平，苗同勇.淺談36CrNiMo4鋼調(diào)質(zhì)處理在鉆桿接頭中的使用［J］.石油礦場機(jī)械，2006，35（2）：90-91.

［7］（蘇）薩阿基揚(yáng)Π.C.，葉弗烈莫夫Π.A.油氣田設(shè)備防腐蝕［M］.北京：石油工業(yè)出版社，1988：92.

［8］李鶴林.石油鉆柱失效分析及預(yù)防［M］.北京：石油工業(yè)出版社，1999：180-181.

［9］（日）小若正倫.金屬的腐蝕破壞與防蝕技術(shù)［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1988：81.

［10］王霞，鐘水清，馬發(fā)明，等.含硫氣井鉆井過程中的腐蝕因素與防護(hù)研究［J］.天然氣工業(yè)，2006，26（9）：80-84.

［11］趙鵬，于杰，郭金寶.鉆桿溶解氧腐蝕影響因素分析［J］.鋼管，2010，39（2）：29-33.

［12］馬桂君，杜敏，劉福國，等.G105鉆具鋼在含有溶解氧條件下的腐蝕規(guī)律［J］.中國腐蝕與防護(hù)學(xué)報(bào)，2008，28（2）：108-111.

［13］馮耀榮，李鶴林.石油鉆具的氫致應(yīng)力腐蝕及預(yù)防［J］.腐蝕科學(xué)與防護(hù)技術(shù)，2000，12（1）：57-59.

［14］趙鵬.Ni對低合金鋼抗SSCC的影響［J］.世界鋼鐵，2003（6）：22-30.