超级13Cr不锈钢在油田模拟液中的应力腐蚀研究

为延长超深井超级13Cr不锈钢油管的生命周期,降低生产过程中复杂钻完井工作液及地层产出流体导致的应力腐蚀,开展了应力腐蚀产生机理分析,并提出了应对策略;基于聚合成膜缓蚀机理研发了缓蚀剂;在模拟工况和标准工况下,评价了超级13Cr不锈钢在酸液及加/未加缓蚀剂的返排液中的应力腐蚀情况。结果表明,加入缓蚀剂的酸液达到缓蚀要求;在返排液中,超级13Cr不锈钢的宏观腐蚀速率较大;在酸液及返排液中,超级13Cr不锈钢发生应力腐蚀,且在返排液中应力腐蚀较严重;在实验温度为140℃、压力为10 MPa的条件下,超级13Cr不锈钢在返排液中7 d后的应力腐蚀裂纹宽度为3~5μm,而加入体积分数为1%的缓蚀剂后测试72 h,超级13Cr不锈钢试片未产生应力腐蚀,说明该缓蚀剂可抑制超级13Cr不锈钢在高温环境中的应力腐蚀开裂。研究结果对超深井钻完井安全施工及安全生产具有借鉴意义。

高温高压下超级13Cr不锈钢抗CO_2腐蚀性能

为了推进超级13Cr不锈钢在油气田中的应用,用高温高压釜系统模拟了油气田腐蚀环境,研究了超级13Cr不锈钢在动静态环境中高温高压下的CO2腐蚀行为,利用扫描电镜、能谱仪和X射线衍射仪等对超级13Cr不锈钢表面腐蚀产物的形貌及成分进行了分析。结果表明:动态腐蚀时超级13Cr不锈钢的腐蚀速率随温度的升高而增大,150℃时最大,此后腐蚀速率随温度的升高而下降;静态腐蚀速率随温度的升高呈上升趋势;动态腐蚀速率高于静态的,动静态平均腐蚀速率均较小,属于轻度或中度腐蚀,在油气田的安全使用范围之内;动静态腐蚀时超级13Cr不锈钢表面均生成均匀、致密的钝化膜层,表现为均匀腐蚀,腐蚀产物成分为不锈钢基本成分,未发现CO2腐蚀产物,超级13Cr不锈钢具有良好的抗高温高压CO2腐蚀性能。

含CO_2甲酸盐完井液中超级13Cr不锈钢的局部腐蚀性能

在深井及超深井中,超级13Cr油管失效的情况时有发生。为确定超级13Cr油管在井下环境中发生点蚀及局部腐蚀的风险,采用高温高压腐蚀试验方法研究了模拟井筒环境下超级13Cr油管的表面腐蚀形貌,并通过微区电化学扫描开尔文探针(SKP)方法研究了超级13Cr在饱和CO2环境中的电位分布。通过腐蚀形貌观察发现,在高温环境下,试样表面出现明显的局部腐蚀现象。而SKP扫描结果也表明,随着浸泡时间的增加,阳极区与阴极区电位差值逐渐变大,并出现明显的电位峰值,局部腐蚀不断加速。

超级13Cr不锈钢的临界点蚀温度

采用电化学测试和化学浸泡两种方法,研究了超级13Cr不锈钢的临界点蚀温度,并对其点蚀形貌进行了分析。结果表明,电化学和化学浸泡法测定的超级13Cr钢的临界点蚀温度相差了4℃,主要原因是FeCl3强烈的氧化作用促进了点蚀的发生。化学浸泡法主要适用对比评价几种材料的耐点蚀性能,电化学测试则可准确描述点蚀形成的临界条件。当温度低于临界点蚀温度(CPT)时,材料表面形成孔径小于30μm的点蚀坑,蚀坑处于亚稳态;当温度高于CPT时,为点蚀的发展提供了条件,形成稳定的点蚀。

超级13Cr不锈钢在磷酸盐完井液中的应力腐蚀开裂敏感性研究

超级13Cr不锈钢常应用于高温井段,为明确其在高温磷酸盐完井液中的腐蚀及断裂风险,通过慢速率应变拉伸试验(SSRT)和高温高压电化学测试等,结合扫描电镜研究了超级13Cr不锈钢在高温磷酸盐完井液环境中的应力腐蚀开裂敏感性。结果表明:超级13Cr不锈钢在高温磷酸盐完井液环境下具有一定的应力腐蚀开裂敏感性,其应力腐蚀开裂机制为阳极溶解型;随温度升高,超级13Cr不锈钢表面的钝化膜稳定性下降,点蚀敏感性增加,应力腐蚀开裂敏感性增大。

超级13Cr不锈钢在苛刻环境中的腐蚀行为研究

针对油田酸化作业过程中出现油套管腐蚀的问题,采用失重法和电化学测试方法研究了超级13Cr油套管在油田残酸中的腐蚀行为。结果表明:超级13Cr不锈钢在180℃、总压10 MPa的残酸腐蚀环境中为中度腐蚀,以均匀腐蚀为主。超级13Cr不锈钢的阳极极化曲线无钝化区,腐蚀过程为阴极过程控制,随温度升高,自腐蚀电位负移,腐蚀驱动力增大。电化学阻抗(EIS)测试表明,随温度升高,极化电阻减小,电化学腐蚀动力学阻滞性减弱。

超级13Cr不锈钢油管在油气田苛刻环境中的适用性

简要回顾了国内外超级13Cr不锈钢油管的研究进展,论述了超级13Cr不锈钢油管在油气田苛刻环境中的适用性,并指出了超级13Cr不锈钢油管在实际使用过程中存在的问题及研究方向。

超级13Cr不锈钢在超深超高压高温油气井中的腐蚀行为研究

通过模拟油田超深超高压高温油气井腐蚀环境,研究超级13Cr马氏体不锈钢管材抗均匀腐蚀、点蚀及电偶腐蚀性能。结果表明:随着Cl-浓度的增加,超级13Cr马氏体不锈钢的均匀腐蚀速率在气相腐蚀环境中逐渐增大,在液相中变化不大,且气相的均匀腐蚀速率要大于液相的腐蚀速率。但不论在液相还是在气相腐蚀条件下,均匀腐蚀速率均远小于0.1 mm/a,局部腐蚀严重。在温度为150℃的气相环境中,超级13Cr钢的最大局部腐蚀速率可达2.1379 mm/a,其7天实验的最大局部腐蚀坑深度可达41μm。在电偶腐蚀试验中,不论是小试样模拟试验还是实物试验,P110作为阳极,腐蚀加剧,腐蚀速率增大,在电偶处发生明显局部腐蚀。超级13Cr马氏体不锈钢作为阴极被保护,腐蚀减缓,腐蚀速率减小。

醋酸浓度和温度对超级13Cr不锈钢电化学腐蚀行为的影响

采用电化学方法,研究了醋酸的加入量及温度对于超级13Cr油管钢在3.5%NaCl(质量分数,下同)溶液中钝化及点蚀行为的影响。结果表明:醋酸的加入引起超级13Cr油管钢开路电位下降,但未显著降低其点蚀电位。不含醋酸时,试样的钝化膜呈n型半导体特性;加入1%和10%的醋酸后,钝化膜呈现n+p型的双极性特征。醋酸会使钝化膜减薄,膜内点缺陷密度增大,从而降低钝化膜的保护作用。溶液中不含醋酸时,升高温度会导致钝化区间变窄,但在含1%醋酸的溶液中,试样的钝化区间宽度随温度升高几乎不变。

超级13Cr不锈钢在高CO_(2)/H_(2)S分压比环境中的腐蚀行为

采用高温高压反应釜进行浸泡腐蚀试验,分析了超级13Cr不锈钢在低H_(2)S分压、高CO_(2)分压环境中的腐蚀行为;采用单轴拉伸及三点弯曲试验,分析了该钢的应力腐蚀开裂(SCC)敏感性。结果表明:在低H_(2)S分压、高CO_(2)分压环境中,温度对该钢腐蚀速率及腐蚀形貌的影响最显著;随着温度的上升,钢表面钝化膜逐渐转变为腐蚀产物膜,腐蚀速率呈先上升后缓慢下降的趋势;在高温下,CO_(2)分压对该钢腐蚀速率的影响较为明显,呈先上升后下降的趋势;在高CO_(2)/H_(2)S分压比条件下,H_(2)S分压对该钢腐蚀速率的影响不显著,该钢在24℃下的SSCC敏感性高,在60℃和220℃下SCC敏感性低。

超级13Cr不锈钢在气液两相环境下的腐蚀行为研究

采用高温高压釜试验系统,研究了超级13Cr不锈钢在气液两相环境中的腐蚀行为。结果表明,气相时超级13Cr钢的腐蚀速率在150℃时达到最大,液相时在130℃附近时即达到最大,且气相腐蚀速率大于液相;两相环境中超级13Cr均发生了不同程度的点蚀,气相环境中的点蚀较液相严重,气相环境下水膜与材料表面气/液交界形成浓差腐蚀电池是局部腐蚀发生的主要原因。

喹啉季铵盐和KI浓度对超级13Cr不锈钢应力腐蚀开裂行为的影响

在110℃、CO_2饱和、含0.2%,醋酸的CaCl_2完井液中,超级13Cr不锈钢发生了均匀腐蚀、点蚀和应力腐蚀开裂行为。添加喹啉季铵盐和KI能有效抑制超级13Cr不锈钢的均匀腐蚀和点蚀。高浓度的喹啉季铵盐和KI使得超级13Cr不锈钢的应力腐蚀开裂得到有效控制。低浓度的KI使得超级13Cr不锈钢的应力腐蚀开裂敏感性减小,随着浓度的升高,应力腐蚀开裂敏感性逐渐减低。而低浓度的喹啉季铵盐却促进了氢渗透过程而加剧了超级13Cr不锈钢的应力腐蚀开裂行为。

超级13Cr不锈钢腐蚀行为研究进展

综述了超级13Cr不锈钢的腐蚀行为,分析了酸化液、温度、CO2分压、Cl-浓度、流速、乙酸和H2S分压等因素对超级13Cr不锈钢腐蚀行为的影响,同时对其腐蚀产物膜特征、耐点蚀性能、应力腐蚀开裂等方面进行了综述。

高品质超级13Cr不锈钢精炼与铸锭工艺优化

针对超级13Cr不锈钢管坯钢质要求,在VOD真空度小于等于200 Pa下,脱碳沸腾时间由15 min延长到18 min,还原硅铝分开,铝单独在第二批加入;在LF阶段将炉渣中Al_(2)O_(3)质量分数由15%~20%提高到20%~25%,增加3min钢包底吹中搅拌,弱搅拌时间由15 min延长到18 min;模铸发热剂由高热值1530型替代低热值1200型。按生产流程:铁水三脱预处理→90 t K-OBM-S初炼→90 t VOD脱碳→90 t LF调渣→模铸8.4 t钢锭→热轧开坯400 mm×400 mm→径锻管坯→车光→探伤→交库,生产Ф210 mm超级13Cr不锈钢管坯,非金属夹杂物评级达标率由60%提高到100%,探伤合格率由67.5%~79.1%提高到97%~100%,达到电渣重熔水平,省去了电渣重熔,实现了高质量、低成本、批量生产,进一步提高了模铸超级13Cr不锈钢管坯市场竞争力。

热处理对超级13Cr不锈钢组织及拉伸性能的影响

为了研究热处理工艺对超级13Cr不锈钢组织及拉伸性能的影响,采用了光学显微镜、X射线衍射仪、透射电子显微镜、显微硬度测试及应变速率拉伸等试验方法。结果表明,经过水淬和油淬处理的超级13Cr不锈钢组织及拉伸性能相差不大。但相比于水淬,采用油淬的试样经回火处理后塑性得到更大提升。淬火试样经回火处理后,组织变为回火索氏体。随着回火温度升高,材料的塑性先增加后减小,硬度与强度变化则相反。620℃回火试样含有逆变奥氏体,强度塑性组合较好。二次回火能够增加超级13Cr不锈钢中逆变奥氏体含量,但塑性变化不明显,强度下降较大。

热处理工艺对超级13Cr不锈钢在饱和CO_(2)油田地层水中腐蚀行为影响

采用金相显微镜、XRD、电化学实验和慢应变速率拉伸等实验方法,研究了不同热处理工艺对超级13Cr不锈钢在饱和CO_(2)油田地层水中腐蚀行为的影响。结果表明,超级13Cr不锈钢经620℃回火处理后产生逆变奥氏体,二次回火处理会增加材料中逆变奥氏体的含量。不同热处理工艺下的超级13Cr不锈钢在饱和CO_(2)的油田地层水溶液中的极化曲线均存在明显钝化区间。与供货态相比,回火工艺使超级13Cr不锈钢耐蚀性下降,但二次回火能够提高材料的耐蚀性。超级13Cr耐蚀性与逆变奥氏体含量有关。淬火试样应力腐蚀开裂(SCC)敏感性最高。淬火试样、550和690℃回火试样的SCC机制为氢致开裂。620℃回火及二次回火试样因逆变奥氏体的存在,SCC敏感性降低,其开裂机制为混合断裂机制。

HCO_(3)^(-)对超级13Cr马氏体不锈钢钝化行为及点蚀行为的影响

目的研究在0.1 mol/L NaCl硼酸缓冲溶液中,研究HCO_3~–对超级13Cr马氏体不锈钢的钝化及点蚀行为的影响。方法采用动电位极化、恒电位极化、Mott-Schottky曲线、电化学阻抗谱等电化学测试手段,并结合3D超景深显微镜进行点蚀形貌观察,研究超级13Cr马氏体不锈钢的电化学腐蚀行为。结果随着HCO_3~–浓度的增加,超级13Cr的钝化区间变宽,点蚀电位向正向移动,稳态点蚀发生的敏感性降低。HCO_3~–减少了超级13Cr亚稳态点蚀数量,降低了亚稳态点蚀电流密度峰值的平均值。随着HCO_3~–浓度的增大,超级13Cr钝化膜电阻Rf升高,电荷转移电阻Rct升高,钝化膜电容Cf逐渐减小。HCO_3~–使得超级13Cr钝化膜半导体特性由n型转变为n+p型双极性,且随着溶液中HCO_3~–浓度的增大,钝化膜中的施主密度ND和受主密度NA减小。结论 HCO_3~–的加入使得超级13Cr不锈钢钝化膜厚度增大,钝化膜内点缺陷密度降低,对基体的保护作用增强,抑制了超级13Cr的亚稳态和稳态点蚀发生。

超级13Cr不锈钢在海洋油气田环境中腐蚀行为灰关联分析

采用动电位极化曲线测量了超级13Cr不锈钢在不同海洋油气田环境因素下的腐蚀速率;利用灰关联法分析了Cl-浓度、S2-浓度、pH值和温度与超级13Cr不锈钢腐蚀行为之间的关系。结果表明:海洋油气田环境中,影响超级13Cr不锈钢腐蚀行为的主要环境因素按关联度大小依次为:Cl^-浓度(0.8223)>温度(0.7704)>pH值(0.7646)>S2-浓度(0.7595)。通过改进层次分析法对海洋环境中环境因素对超级13Cr腐蚀速率进行权重分析,权重从大到小依次为:Cl^-浓度(0.3905)>温度(0.2761)>pH值(0.1953)>S2-浓度(0.1381)。海洋油气田环境中高浓度Cl^-和高温环境是造成超级13Cr不锈钢腐蚀失效的主要原因。

超级13Cr马氏体不锈钢抗SSC性能研究

采用四点弯曲实验方法、电化学测试技术及扫描电子显微镜(SEM)等分析手段研究了超级13Cr马氏体不锈钢在模拟工况和标准工况中的H2S应力腐蚀开裂(SSC)行为。结果表明:超级13Cr马氏体不锈钢在标准工况条件下具有很高的SSC敏感性,裂纹起源于表面点蚀坑处,H2S腐蚀性气体的存在及Cl-浓度的增加显著降低超级13Cr马氏体不锈钢的点蚀电位,明显增加超级13Cr马氏体不锈钢的SSC敏感性;在模拟工况条件下,超级13Cr发生SSC的敏感性降低,没有发生开裂现象。

超级13Cr马氏体不锈钢在入井流体与产出流体环境中的腐蚀行为研究

通过模拟油田超深超高压高温油气井腐蚀环境,研究超级13Cr马氏体不锈钢管材抗均匀腐蚀、点蚀、应力腐蚀开裂(SCC)及酸化液腐蚀的性能。研究结果表明:随着井深的增加,超级13Cr马氏体不锈钢的均匀腐蚀速率逐渐增大,且气相的均匀腐蚀速率要大于液相的腐蚀速率,但不论在液相还是在气相腐蚀条件下,均匀腐蚀速率均远小于0.1mm/a;由于超级13Cr马氏体不锈钢有较高的Mo,Ni含量,在模拟腐蚀环境中未出现明显点蚀现象,且具有良好的抗SCC性能;循环酸化腐蚀试验后试样管体和接箍部分没有出现点蚀、缝隙腐蚀等局部腐蚀迹象。