110 ksi抗硫套管硫化氫環境臨界應力場強度因子分析

程 林

(寶山鋼鐵股份有限公司中央研究院,上海 201999)

1975年HEADY R B[1]最早發表了應用DCB試驗方法評價低合金鋼抗硫化物應力腐蝕開裂的性能,首次使用了臨界應力場強度因子(KⅠt)來描述材料抗硫化氫應力腐蝕開裂性能,試驗驗證了方法的高敏感性。DCB試驗方法的發展是基于超深和高壓井的出現對材料性能提出了更高要求,在尋找一個驗證材料適用性方法的同時,希望找到一個試驗方法對材料的抗硫化氫應力腐蝕開裂性能指標進行量化,以期找到性能最佳的材料。

DCB試驗的優點有:①能提供設計參數KⅠt,可實現安全設計;②試樣宜加工,對試樣加工的要求低;③檢測周期縮短,只有14 d,而其他試驗方法多為30 d;④不需預制裂紋,當然,容易出現側裂或者難以開裂的材料,宜采用預制裂紋試樣;⑤試驗設備簡單,試驗總體成本較低。

缺點有:①試樣較大,對于小直徑、薄壁管難以取樣;②不能用于夾雜物含量高的材料,夾雜物常會誘導裂紋擴展面離開平面,導致側裂,或者裂紋的擴展被釘扎住;③最大劣勢是DCB試樣容易產生側裂,可能會導致試樣無效。

隨著DCB試驗方法廣泛使用和試驗方法研究,確定了影響DCB試驗結果的影響因素,如溫度[2-3]、試驗溶液[2]、試樣厚度[4]、懸臂位移[5]、試樣清洗[6]、溶液體積和試樣面積比[2]等,因此在標準中對試驗各項要求做了較為詳細的規定,另外,對裂紋擴展做了有效性規定。

近年來,DCB試驗最重要的進展在于KLIMIT概念的提出,其明顯區別于產品檢驗的KISSC。KISSC是指在施加的一個初始應力場下其最終止裂時裂紋尖端應力場強度因子的大小,值越大材料抗開裂性能越好;而KLIMIT的概念是初始應力場強度因子超過多大時,裂紋才會發生擴展,是材料本質性質,相較而言KLIMIT更適用于安全設計。

因DCB試驗影響因素較多,本文基于大量試驗數據進行了分析,更能掌握材料真實的性能,同時還分析了影響試驗結果的因素。此外,還測定了110 ksi (1 ksi=6.895 MPa)鋼級套管KLIMIT,為安全設計提供了新依據。

1 試驗材料及試驗方法

所有試驗材料均為110ksi鋼級抗硫套管,常規試驗部分為生產委托檢驗,均在本實驗室完成。材料化學成分見表1。常規試驗方法按照標準NACE TM0177—2016中D法進行,溶液為NACE A溶液,0.1 MPa H2S,懸臂位移要求為0.50±0.04 mm,其中標準尺寸試樣(B=9.53 mm) 437個,B=6.35 mm尺寸試樣9個,B=4.76 mm尺寸試樣6個。KLIMIT測試及懸臂位移對KLIMIT影響試驗安排見表2,懸臂位移外其他試驗條件同常規試驗。所有HRC硬度試驗結果均直接測量于D法試樣上。

表1 化學成分Table 1 Chemical compositions %

表2 KLIMIT測試及懸臂位移對KISSC影響試驗試樣組成Table 2 Specimens used for KLIMIT testing and effecting of arm displacement on KISSC value mm

2 試驗結果

2.1 常規試驗

標準尺寸試樣(B=9.53 mm) 437個,2個試樣未開裂(占比0.5%),試驗數據見圖1。硬度為DCB試樣測量結果,HRC平均值為25.9,KISSC平均值為31.6 MPa·m1/2,分布頻率最高區間為31～32 MPa·m1/2(圖2)。

圖1 標準尺寸試樣試驗結果Fig.1 Test results of standard size specimens

圖2 KISSC值分布情況Fig.2 Distribution of KISSC value

B=6.35 mm尺寸試樣9個,無效試樣1個,未納入統計,試驗數據見圖3,硬度(HRC) 平均值為26.0,KISSC平均值為28.5 MPa·m1/2;B=4.76 mm尺寸試樣6個,試驗數據見圖4,硬度(HRC) 平均值為25.4,KISSC平均值為26.5 MPa·m1/2。

圖3 B=6.35 mm尺寸試樣試驗結果Fig.3 Test results of subsize specimens

圖4 B=4.76 mm尺寸試樣試驗結果Fig.4 Test results of half size specimens

2.2 KLIMIT試驗結果

由于個別試樣實際懸臂位移與目標有較大差異,表2中試樣每組選取兩個實際懸臂位移最為接近的試樣進行計算。首先將不同懸臂位移下獲得的KIapplied和KISSC值繪制于圖中,對試驗數據進行線性擬合,將曲線外推至與“KIapplied=KISSC”線相交,交點即為KLIMIT值,見圖5,計算得110 ksi鋼級抗硫套管KLIMIT=23.5 MPa·m1/2。

圖5 KLIMIT計算Fig.5 Caculation of KLIMIT value

2.3 不同懸臂位移下KISSC試驗結果

由于個別試樣實際懸臂位移與目標有較大差異,表2中試樣每組選取兩個實際懸臂位移最為接近的試樣進行取平均值計算。不同懸臂位移對應的KISSC值見圖6,線性回歸得KISSC= 24.425δ+19.31,線性較好(R2=0.995 7),可見,每0.1 mm懸臂位移KISSC值變化為2.4 MPa·m1/2,趨勢為懸臂位移越大KISSC值越高。

圖6 懸臂位移對KISSC值的影響Fig.6 Influence of arm displacement on KISSC value

3 分析及討論

3.1 常規試驗數據分析

3.1.1 標準尺寸試樣數據分析

從圖1可以看出,KISSC試驗結果比硬度試驗結果離散性大。硬度HRC試驗結果集中在24～28,平均值為25.9,標準偏差為0.7;而KISSC分布在24～ 40 MPa·m1/2,平均值為31.6 MPa·m1/2,標準偏差為2.6。

結合最終測定的平衡力(P)和裂紋長度(af),按照公式(1)計算出懸臂位移。

δf=P(-26.232+51.866af/h+

8.523(af/h)2+8.517 8(af/h)3)/(EB)

(1)

圖7為計算懸臂位移減去實測懸臂位移值分布情況,主要分布在±0.05 mm范圍內,平均值為0.01 mm,可見總體上計算懸臂位移略大于實測值。從統計的超懸臂位移范圍的試樣數也可以看出(表3),基于測量數據統計,低于下限的試樣數多于超上限的,而計算懸臂位移則相反,超上限的多于超下限的,說明測量懸臂位移的方法獲得的數值偏小。SZKLARZ K E[7]也指出在DCB試驗程序中,準確測量懸臂位移是最難的一項操作,不過由于DCB試樣力學狀態的一致性,可由試驗后數據計算獲得懸臂位移,可通過改變報告形式(即報出計算懸臂位移)來確定試樣懸臂位移控制是否在要求范圍內。

圖7 測量和計算懸臂位移之間的差異Fig.7 Difference of arm displacement between measurement and calculation

表3 懸臂位移超范圍統計Table 3 Statistics of specimens with arm displacement out the requirement

通過力學狀態有效性評估發現(圖8),有13個試樣超出上限,3個試樣低于下限,分別占比3.0%和0.7%,可見懸臂位移超上限多于超下限,在今后試驗重點要關注超上限的控制。通過判定線(基于標準API SPEC 5CT給出的C110要求KISSC≥26.4 MPa·m1/2)可以看出有3個試樣試驗結果明顯不合格,且該3個試樣力學狀態有效,不合格率占比0.7%。而3個KIapplied低于下限的試驗結果合格,即滿足了KISSC≥26.4 MPa·m1/2。SZKLARZ K E[7]認為,對于產品檢驗而言,基于KIapplied對試驗結果的影響,即KIapplied越小,測得的KISSC越小,即試驗條件更加苛刻,該產品應仍為合格產品。。SZKLARZ K E[9]強烈建議去除最小懸臂位移判定線,只保留最大懸臂位移判定線和合格判定線,以節省可能不必要的復驗工作。

圖8 力學狀態有效性評估Fig.8 Mechanical quality evaluation of test results

力學狀態超上限無效試樣中出現了8個裂紋擴展無效樣,占比61.5%,可能和KIapplied較大有關,側向應力亦增加,提高了邊緣裂紋的風險,同時其擴展裂紋較長,亦增加了裂紋面擴展異常的風險。即當懸臂位移很大時,宜采用預制裂紋試樣,以提高試樣的有效率。

去除力學狀態無效樣和裂紋擴展無效樣后,按硬度區間進行KISSC分析,結果見圖9,前4個區間為統計數據,后兩個區間為根據公式進行預測外推的數據,硬度和KISSC之間相關性極強。根據回歸所得的公式推算,當HRC處于29～30時,KISSC處于26.0 MPa·m1/2左右水平,對于需要滿足KISSC大于26.4 MPa·m1/2的要求已有很大風險,該計算結果也很好地對應了API SPEC 5CT對C110產品硬度的要求,即HRC超過30的產品直接拒收。

圖9 硬度和KISSC值的相關性Fig.9 Relationship between hardness and KISSC value

3.1.2 不同尺寸試樣DCB試驗數據對比

根據表4統計結果,B=6.35 mm和B=4.76 mm尺寸試樣KISSC值分別為標準尺寸試樣的90.2%和83.9%,試樣尺寸大小對KISSC影響明顯。SZKLARZ K E[8]提出了修正因子,標準、B=6.35 mm和B=4.76 mm尺寸分別為1、0.885和0.828。在正式標準中,IRP標準對B=6.35 mm和B=4.76 mm尺寸試樣的判定標準降為標準試樣的85%和80%。SZKLARZ K E[8]認為小尺寸試樣的影響來自于材料和環境間相互作用的結果,小尺寸試樣充氫濃度高,裂紋擴展快,在溶液pH值和腐蝕產物膜還未到達穩定時,KISSC已降到一個更低值,即相較于標準尺寸試樣,小尺寸試樣相當于是在一個更苛刻的環境下進行了DCB試驗。這里也看到一種可能性,由于小尺寸試樣裂紋擴展快,對于新材料建立DCB試驗數據時,尤其試驗環境苛刻程度降低時,可以考慮在小尺寸試樣上進行,從而控制試驗周期在一個較短的時間內,同時試驗方法也能適用較小尺寸管材。

表4 不同尺寸試樣試驗數據對比Table 4 Comparison of different size specimens

3.2 KLIMIT試驗結果討論

KLIMIT區別于KISSC是其不受懸臂位移大小的影響,代表的是特定材料在特定環境下的材料抗硫化氫應力腐蝕開裂的性能,當使用中的材料有缺陷時可計算其應力場強度因子,如低于KLIMIT,則材料不會發生硫化氫應力腐蝕開裂,尚可安全使用。而KISSC并不是材料在該環境下的最低抗開裂性能,僅是產品質量控制的一個指標[9]。THEBAULT F[10]對C110材料KLIMIT進行了測定,標準試樣采用計算懸臂位移時KLIMIT為24.7 MPa·m1/2,與本試驗結果接近(23.5 MPa·m1/2),低于產品標準設定的KISSC判定水平。另外,THEBAULT F還研究了不同試樣類型對KLIMIT的影響,預制裂紋試樣和小尺寸試樣分別為26.9 MPa·m1/2和20.9 MPa·m1/2。

3.3 懸臂位移對KISSC的影響

關于懸臂位移對KISSC的影響,有很多科研人員進行了研究。SUTTER P[11]總結了文獻中有關懸臂位移對KISSC的影響(表5[8])。從表5中可以看出,C110試驗結果為每0.1 mm懸臂位移KISSC變化2.5 MPa·m1/2,與本試驗結果(2.4 MPa·m1/2/0.1 mm)基本相同。THEBAULT F[10]認為大懸臂位移需要長的裂紋擴展才能獲得小懸臂位移測得的KISSC值,然而,隨著溶液pH的漂移和腐蝕產物膜的形成,試樣充氫效率降低,裂紋擴展的氫動力下降,對于大懸臂位移而言,其可能過早地停止了裂紋擴展。

表5 文獻中報道的懸臂位移對材料KISSC的影響Table 5 Influence of arm displacement on KISSC value reported in papers

從計算的懸臂位移看,與實測值差別在±0.05 mm范圍內,亦即懸臂位移影響的KISSC波動范圍為±1.2 MPa·m1/2,由圖7可以看出偏大居多,所以標準尺寸試樣KISSC平均值可以修正為30.4～31.6 MPa·m1/2之間。

3.4 裂紋擴展無效試樣問題

裂紋擴展無效試樣主要以異常裂紋擴展和未發生裂紋擴展為主,異常裂紋擴展中主要表現為嚴重的邊緣裂紋和非平面(側裂)裂紋(圖10),裂紋兩側有明顯邊緣裂紋,裂紋前端向試樣一側偏離。邊緣裂紋的存在,分散了一部分主裂紋擴展面的載荷,從而降低了裂紋尖端的應力場強度因子,造成了有邊緣裂紋試樣KISSC值較高[12]。有效裂紋擴展試樣見圖11。未發生裂紋擴展試樣較少,未明確原因,從文獻調查看[5-6],未發生裂紋擴展試樣可能是因為真實施加的KIapplied過小,低于材料在該環境下的KLIMIT所致。

圖10 典型無效擴展試樣Fig.10 Typcial invalid specimens with unnormal fracture surface

圖11 有效裂紋擴展面Fig.11 Valid fracture surface

4 結論

(1) DCB試驗結果離散性較高,需嚴格控制各項試驗參數,可通過試驗方法改善試驗結果的離散性,如嚴格控制懸臂位移,抑或未來可能指定有緩沖能力的NACE B溶液進行DCB試驗,而有些因素則無法通過試驗來控制,如生產上產品強度的波動。

(2) DCB試驗結果和材料硬度強相關,推算HRC處于29～30之間時,KISSC值在26.0 MPa·m1/2左右,根據產品標準要求,材料抗開裂性能極可能不合格。

(3) 懸臂位移對110 ksi材料KISSC影響為2.4 MPa·m1/2/0.1 mm。產品檢驗時,懸臂位移宜向下控制,因為目前材料抗開裂性能尚有空間,原則上超上限的結果是不能進行材料性能評定的,而超下限則可作為更苛刻的試驗條件下的結果是可以接受的。

(4) 參考計算的懸臂位移情況,110 ksi材料標準尺寸試樣KISSC平均值應在30.4～31.6 MPa·m1/2之間。

(5) NACE-A溶液、0.1 MPa H2S和24±1.7 ℃環境下110 ksi鋼級抗硫套管KLIMIT值為23.5 MPa·m1/2左右。即超過該值時,裂紋開始擴展,而低于該值時,裂紋不發生擴展。