噴砂對L80-13Cr油套管內壁表面性能影響的研究

王鳴華,張春霞

(寶山鋼鐵股份有限公司中央研究院,上海 201999)

近年來,隨著能源開采深入拓展,腐蝕環境較為惡劣的油氣區塊開發力度明顯加大,對于耐蝕性能良好的特殊材質油套管的需求也逐漸增大。L80-13Cr作為一種抗CO2腐蝕的油套管產品,在海上油氣田已得到廣泛應用。隨著寶鋼制造工藝的日趨成熟,L80-13Cr從以往只對外提供光管逐步向生產成品油套管方向發展。

API 5CT標準明確規定:L80-13Cr產品在最終熱處理后內壁表面應無氧化皮,PSL2等級及以上的產品,內壁表面應采用不會造成表面鐵污染的噴砂介質進行噴砂處理,處理后表面性能要達到ISO 8501-1中Sa 2-1/2的要求。但對其原因標準沒有解釋,也沒有相關文獻報道。本研究主要從模擬現場使用的角度,選取高Cr不銹鋼砂和石英砂對L80-13Cr管料進行內壁表面噴砂處理,同時與未噴砂管料進行對比,對L80-13Cr油套管內壁表面除氧化皮前后的特性變化開展研究,以此為完善L80-13Cr油套管成品的制造工藝提供技術支撐。

1 試驗方法

1.1 試樣制備

試驗原料選取合格的φ73.02 mm×5.51 mm L80-13Cr油管管料,管料采用960 ℃油淬加680 ℃回火熱處理,分別進行常規石英砂噴砂內壁表面除銹和高Cr不銹鋼合金砂噴砂內壁表面除銹,除銹效果達到ISO 8501-1中Sa 2-1/2要求,并截取未噴砂的管料試樣進行對比。

管子的內壁表面質量觀察及酸化試樣是將各種狀態的管料鋸切成20 mm寬、50 mm長的試片。

殘余應力檢測試樣采用割縫法制備,試驗管長度為管外徑的2倍。

1.2 試驗方法

采用體視顯微鏡和SEM觀察原始狀態和酸化試驗后管料內壁表面的形貌。其中,酸化試驗采用模擬油田施工環境的酸化液,溶液的組成為:10%HCl+2%HF+3%HAC+緩蝕劑,試驗溫度為85 ℃,試驗周期為6 h。

管子的殘余應力是測量割縫試樣后按照公式(1)計算所得[1]:

σT= (ET)(1/DO-1/Df)/(1-υ2)

(1)

式中:σT為殘余應力值,MPa (100 MPa以下為好);E為彈性模量,取205 950 MPa;T為壁厚,取上下各8個點的平均值;DO為外徑,取上下各4個外徑的平均值;Df為切開后的外徑,取上下各4個外徑的平均值,切口與測量點錯開;υ為泊松比,取0.29。

2 試驗結果

2.1 噴砂前后內壁表面質量情況分析結果

圖1給出的是通過體視顯微鏡觀察到的未經過噴砂、石英砂噴砂和高Cr合金砂噴砂后的管子內壁表面形貌,其中未經過噴砂的管子編號1#,石英砂噴砂的管子編號為2#,高Cr合金砂噴砂管子編號為3#。從圖1中可以看出,未經過噴砂的管子的內壁表面有氧化皮存在,且在有些區域氧化皮剝落,由于氧化皮是脆性的氧化物組成,未剝落的氧化皮有大量的微觀裂紋,經過石英砂噴砂和合金砂噴砂后的管子內壁都沒有明顯的氧化皮。

圖1 體視顯微鏡觀察到的管子內壁形貌Fig.1 Morphology of the inner wall of the tube observed by stereomicroscope

圖2給出的是通過SEM觀察到的三種狀態的管子內壁形貌和能譜分析的結果。1#的管子內壁覆蓋著氧化物,能譜分析的結果表明氧化層為Cr、Fe的氧化物。2#管子的內壁可能由于噴砂過程中破碎的石英砂粉末覆蓋,內壁在SEM中導電性較差,成像效果不理想。能譜分析的結果也表明,表面污染較為嚴重,含有很高的C。3#管子的內壁表面成分主要為基體,少量的C、O為試樣表面污染導致的。同時,合金砂噴砂后的表面可以明顯觀察到合金砂對管料表面造成的切削印記。

圖2 SEM觀察到的管子內壁形貌及能譜分析結果Fig.2 Morphology of the inner wall observed by SEM and the results of energy spectrum analysis

2.2 酸化腐蝕試驗后內壁表面質量情況分析結果

圖3為三種狀態的管子酸化試驗后用體視顯微鏡觀察到的內壁形貌。從圖3中可以看出,1#管子的表面有較多的點蝕坑,在內壁表面的幾乎所有的區域都可以看到淺的條狀紋路,在個別的區域還有較長且有深度的溝槽。經過噴砂的2#和3#管子內壁經腐蝕后,基本形貌都是均勻腐蝕,沒有觀察到明顯的點蝕坑。石英砂噴砂后的內壁經過酸化后有黃色的物質分布在內壁表面的凹處。

圖4為三種狀態的管子酸化試驗后用SEM觀察到的內壁形貌。從圖4中可以看出未噴砂的管子內壁表面的溝槽腐蝕、點蝕。同時,在體視顯微鏡下觀察到的紋路是由一系列的小點蝕坑組成。造成這種紋路的原因應與氧化皮微觀裂紋有關,在腐蝕試驗過程中,腐蝕介質優先從微裂紋處滲入氧化皮與基體的結合處。噴砂后的管子內壁在SEM中也沒有發現明顯的腐蝕,在石英砂噴砂后的管子內壁上看到盡管經過腐蝕,但仍有少量的石英砂殘留,而合金砂噴砂后的表面,仍有切削的印記。

圖4 SEM觀察到的經酸化后三種狀態管子的內壁形貌Fig.4 Morphology of the inner wall after acidification observed by SEM

2.3 噴砂前后殘余應力情況分析結果

每種狀態的管子分別在1支管子上取2支平行樣進行測試,試驗結果如表1所示。從表1中可以看出,石英砂噴砂的管子殘余應力略低于未噴砂和合金砂噴砂,但總的來說都是在相同的數量級。由于每支管子的殘余應力狀態也有差異,因此試驗結果表明的是噴砂前后殘余應力相差不大。

表1 管子的殘余應力Table 1 Residual stress of pipe MPa

3 分析討論

L80-13Cr油套管在軋制及熱處理過程中,內壁不可避免會產生氧化鐵皮。氧化皮覆蓋呈不均勻性,且氧化皮的吸濕性極不均勻,在實際使用過程中會加重泥漿的附著趨勢。同時氧化皮下存在薄貧鉻層,加劇點蝕及垢下腐蝕。圖5為某油田失效的13Cr管內壁形貌,在原始氧化皮殘留的部位發現有裂紋的萌生和擴展。本研究在模擬酸化時,同樣發現在原始氧化皮附近易產生溝槽和點蝕坑。由此可以解釋為何API 5CT標準會要求L80-13Cr產品內壁不應存在氧化皮,同時ISO 13680標準對超級13Cr等高合金產品也同樣有此要求。從實際除銹效果出發,高Cr不銹鋼合金砂可以更徹底地去除內壁氧化物,使油套管內壁表面呈現均勻一致的基體材質。

圖5 某油田13Cr失效管的內壁形貌Fig.5 Inner wall morphology of 13Cr failed pipe in an oil field

經研究表明[2],13Cr不銹鋼被碳鋼劃傷后劃痕處會容易出現銹蝕,即標準所謂的鐵污染影響。這種銹蝕不是13Cr本身的腐蝕,而是劃傷時殘留在材料表面的碳鋼在腐蝕環境中發生腐蝕,碳鋼腐蝕后的腐蝕產物對材料表面造成了污染。產生的原因是碳鋼的腐蝕電位明顯低于13Cr不銹鋼,當碳鋼殘留在13Cr不銹鋼表面時,會優先發生銹蝕,表象上似乎是13Cr不銹鋼自身產生了腐蝕。當然,由于兩者間的電位差較大,如13Cr不銹鋼表面殘留了碳鋼污染,且存在磕碰損傷時,在腐蝕環境中很可能會成為點蝕等電化學腐蝕萌生的突破點。

實際應用中,如圖6所示,采用鑄鋼等普通鋼砂對L80-13Cr油套管進行內壁表面噴砂后,短時間內,管料內壁即會出現一層浮銹,實際為殘留在內壁上的鑄鋼材料發生了銹蝕,也印證了上述的分析。本研究采用的高Cr合金砂是一種含Cr30%、含C2%左右的馬氏體型不銹鋼,噴砂過程中,相當于不銹鋼之間互相接觸,由于兩者腐蝕電位相當,不會像普通碳鋼噴砂材料一樣產生電位差腐蝕,即所謂的碳鋼污染現象。本研究的結果也表明,采用非金屬類石英砂及高Cr合金不銹鋼砂進行內壁表面噴砂,均未發生溝槽和點蝕等異常。

圖6 采用鑄鋼噴砂處理后的L80-13Cr內壁形貌Fig.6 Morphology of L80-13Cr inner wall after sand blasting of cast steel

4 結論

通過對不同噴砂介質處理后及未噴砂的L80-13Cr管料內壁的形貌觀察、腐蝕試驗及殘余應力分析,結合API 5CT產品標準的解析討論,得出以下結論:

(1) L80-13Cr油套管在制造過程中形成的內壁表面氧化鐵皮,在后續油氣田使用環境中會加劇點蝕及垢下腐蝕。

(2) 內壁表面噴砂工藝可以有效去除L80-13Cr油套管內壁表面的氧化鐵皮,提高其耐腐蝕性能。

(3) 噴砂工藝不會在油套管產品內壁表面產生明顯的殘余應力,故并不加劇產品在后續油田使用過程中的腐蝕開裂風險。

(4)相較石英砂,高Cr不銹鋼合金砂去除L80-13Cr內壁表面氧化鐵皮的效果更佳,但兩者都不會與L80-13Cr管料產生電位腐蝕,即所謂的表面鐵污染。