不銹鋼管應力腐蝕開裂的評價方法

,,,,,

(1. 西安摩爾石油工程實驗室股份有限公司，西安 710065； 2. 塔里木油田分公司 油氣工程研究院，庫爾勒 841000；3. 西安石油大學 材料科學與工程學院，西安 710065)

隨著高壓高溫、超高壓高溫井的不斷涌現，苛刻的井底服役環境迫切需要使用高強度耐蝕石油管材，如不銹鋼、鎳基合金和鈦合金完井管柱等。然而，API 5CT和NACE TM 0177標準關于此類高強鋼抗應力腐蝕開裂(SCC)性能的評價方法并沒有給出明確規定。目前，不銹鋼及其他合金管材在高溫高壓環境中的抗SCC性能評價方法多為四點彎曲法，但現場實踐表明，實驗室評價結果顯示并未發生SCC的材料(如13Cr鋼)，在現場出現了大量的開裂或斷裂失效事故[1-2]。一方面，四點彎曲法不能反映管材實際表面狀態對其抗SCC性能的影響；另外，大多四點彎曲夾具采用鎳基合金(C276、G3等)制作而成，由于鎳基合金主要靠冷加工來提高強度，其在高溫高壓試驗條件下存在強度衰減問題，可能導致加載應力發生變化，因此四點彎曲法的準確性有待進一步研究。本工作通過腐蝕模擬試驗驗證采用NACE TM 0177標準中的B法、C法和D法三種方法評價不銹鋼抗SCC性能的適用性，以期為油田選材推薦合理的評價方法。

1 試驗

1.1 試驗方法

NACE TM 0177標準中的應力腐蝕開裂評價方法包括恒載荷試驗(A法)、彎梁試驗(B法,也稱四點彎曲法)、C型環試驗(C法)和雙懸臂梁(DCB)試驗(D法)。本工作中，由于高溫高壓設備的局限性，高溫高壓應力腐蝕開裂試驗方法采用B法、C法和D法。

1.2 試驗材料、試驗條件及設備

試驗材料選用超級13Cr馬氏體不銹鋼(以下簡稱超級13Cr不銹鋼)油管,尺寸為φ88.9 mm×6.45 mm，110 MPa鋼級。化學成分為：wC0.029%，wSi0.182%,wMn0.443%,wP0.015%,wS0.0003%,wNi5.374%,wCr12.691%,wMo2.280%。

抗SCC性能評價試驗模擬某油田苛刻生產工況，試驗條件見表1。B法和C法中，試樣加載力水平為管材屈服強度的90%，D法加載位移δ取(0.51±0.02) mm(參照NACE TM 0177-2016標準中對C110管材的規定取值)，三種方法的試驗時間均為720 h。

表1 試驗條件Tab. 1 Test conditions

試驗設備選用TFCZ5-35/250和TFCZ3-35/250型磁力驅動反應釜及C276四點彎曲夾具。為確定四點彎曲夾具鎳基合金C276在高溫高壓試驗條件下是否存在強度衰減問題而導致加載應力發生變化，采用有限元模擬方法進行了分析研究。結果表明夾具本身的強度能夠滿足試驗要求。

試驗結束后將試樣表面用蒸餾水沖洗去除腐蝕介質。用機械方法清理試樣表面腐蝕產物，采用體視顯微鏡(放大到10倍)觀察試樣表面是否有垂直于張應力方向的裂紋，必要時采用橫截面金相法觀察。

2 結果與討論

2.1 B法

由圖1可見：試樣在3種溶液中均未發生斷裂，無宏觀可見裂紋，且所有試樣表面均未出現垂直于張應力方向的微觀裂紋，超級13Cr不銹鋼四點彎曲光滑試樣在CO2地層水腐蝕環境、泥漿腐蝕環境和完井液腐蝕環境中均未發生SCC。

2.2 C法

由圖2～4可見：試樣在3種試驗環境中均未發生斷裂，但表面可見微觀裂紋。在CO2地層水腐蝕環境中，試樣截面可觀察到微觀裂紋，裂紋起源于外表面氧化膜，呈樹枝狀擴展，具有典型的SCC裂紋形貌。即保持原始表面質量狀態(帶氧化膜)的C環試樣在CO2地層水腐蝕環境中會發生SCC。在泥漿腐蝕環境中，試樣表面氧化膜底部可見微小裂紋，長期使用過程中,微小裂紋會在拉應力的作用下繼續擴展形成SCC裂紋。即保持原始表面質量狀態(帶氧化膜)的C環試樣在泥漿腐蝕環境中存在SCC風險。在完井液腐蝕環境中，試樣有局部腐蝕坑，坑底未見樹枝狀分支裂紋。超級13Cr不銹鋼油管表面氧化膜去除不徹底，其在高溫高pH溶液中極易發生溶解反應，促進點蝕的發生，超級13Cr不銹鋼管柱在長期使用的過程中，點蝕坑底部應力集中程度顯著增強，在拉應力的作用下，可能誘發SCC裂紋的萌生和擴展，導致其發生應力腐蝕開裂。因此，保持原始表面質量狀態(帶氧化膜)的C環試樣在高溫高pH的完井液中存在SCC風險。

(a) 宏觀,地層水腐蝕 (b) 宏觀,泥漿腐蝕 (c) 宏觀,完井液腐蝕

(d) 微觀(10×),地層水腐蝕(e) 微觀(10×),泥漿腐蝕(f) 微觀(10×),完井液腐蝕圖1 試樣在不同試驗溶液中經四點彎曲試驗后的表面宏觀及微觀形貌Fig. 1 Macro (a，b，c) and micro (d，e，f) surface morphology of samples after four-point bending test in different test solutions

(a) 表面宏觀形貌 (b) 表面微觀形貌 (c) 截面形貌 圖2 試樣在CO2地層水中經C環法試驗后的形貌Fig. 2 Morphology of samples after C-ring test in CO2 ground water：(a) macro surface morphology； (b) micro surface morphology； (c) cross-section micro morphology

(a) 表面宏觀形貌 (b) 表面微觀形貌 (c) 截面形貌 圖3 試樣在泥漿中經C環法試驗后的形貌Fig. 3 Morphology of samples after C-ring test in slurry：(a) macro surface morphology； (b) micro surface morphology； (c) cross-section micro morphology

(a) 表面宏觀形貌 (b) 表面微觀形貌 (c) 截面形貌 圖4 試樣在完井液中經C環法試驗后的形貌Fig. 4 Morphology of samples after C-ring test in well completion fluid：(a) macro surface morphology； (b) micro surface morphology； (c) cross-section micro morphology

API SPEC 5CT-2011及ISO 8501-1-2007標準對不銹鋼管材表面的質量控制都有嚴格的規定，即作為驗收標準的級別要求為Sa2.5級(管體表面應不可見氧化皮)。超級13Cr不銹鋼油管帶有原始表面發紋，即油管表面存在缺陷或氧化皮去除不徹底，在使用過程中，可能會導致局部脫落，促進點蝕的萌生，而通過局部陽極溶解在材料表面形成的點蝕坑可以看成是一個微裂紋，對于無裂紋的試樣來說，點蝕坑的形成對應力腐蝕起著促進作用，這是因為點蝕坑的前端會形成應力集中。更為嚴重的是，在超級13Cr不銹鋼管材在高溫軋制過程中形成的表面缺陷，主要沿晶界向內擴展，促進SCC裂紋的形核，導致油管在使用過程中發生SCC。因此，超級13Cr不銹鋼油管的原始表面狀態嚴重影響到其抗SCC性能。而在NACE TM 0177-2016標準中提及的四種應力腐蝕開裂評價方法中，只有C環法能保持油管的原始表面。即C法(C環法)可以反映管材實際表面狀態對其抗SCC性能的影響。

2.3 D法

由圖5可見:所有試樣均未發生裂紋擴展。NACE TM0177-2016標準規定對于D法試樣試驗后在V型槽缺口的基礎上應有超過2.5 mm的裂紋生長，但本試驗后所有試樣均未發生裂紋擴展，即D法不能有效評價超級13Cr不銹鋼的抗SCC性能。

(a) CO2地層水,表面 (b) 泥漿,表面 (c) 完井液,表面

(d) CO2地層水,截面(e) 泥漿,截面(f) 完井液,截面圖5 雙懸臂梁法試驗后試樣表面(a,b,c)及截面(d,e,f)宏觀形貌Fig. 5 Surface (a,b,c) and section (d,e,f) macro morphology of samples after double cantilever beam test in different solutions

2.4 討論

綜合以上分析，在CO2地層水、泥漿和完井液腐蝕環境中，所有四點彎曲試樣均未發生SCC，保持原始表面質量狀態的C環試樣在CO2地層水腐蝕環境中發生SCC，在泥漿和完井液腐蝕環境中存在SCC風險。D法試驗后，所有試樣均未發生裂紋擴展，不能有效評價超級13Cr不銹鋼的抗SCC性能。

3 結論

(1) 四點彎曲法(B法)：光滑四點彎曲試樣不能反映管材實際表面狀態對其抗SCC性能的影響；

(2) C環法(C法)：SCC試樣外表面保持原始狀態，可以反映管材實際表面狀態對其抗SCC性能的影響。

(3) 雙懸臂梁法(D法)：API 5CT和NACE TM 0177標準均未對超級13Cr馬氏體不銹鋼加載應力作出明確規定，本試驗中，D法的加載位移參照NACE TM 0177標準中對C110管材的規定取值(0.51±0.02) mm，試驗結果顯示所有試樣均未發生裂紋擴展，說明采用D法并不能有效評價超級13Cr馬氏體不銹鋼的抗SCC性能。

參考文獻：

[1] 王鵬，王新虎，韓禮紅，等. 高溫高壓井油管完井液導致應力腐蝕開裂分析[J]. 金屬熱處理，2015：40(增刊)：91-94.

[2] 謝俊峰，陳博，常澤亮，等. 某氣井13Cr油管腐蝕失效分析[J]. 腐蝕研究,2016,30(3)：58-61.