多介質(zhì)環(huán)境下壓力容器用材腐蝕失效機(jī)理研究.pdf

1、隨著油氣田的深度開(kāi)采，采出水中H2S、CO2、Cl-等腐蝕性組分含量以及礦化度越來(lái)越高，目前塔里木油田開(kāi)采的油氣田采出水中呈現(xiàn)高含Cl-、H2S、CO2，高礦化度，溫度和pH值波動(dòng)大的復(fù)雜趨勢(shì)。在這種復(fù)雜介質(zhì)的腐蝕環(huán)境下設(shè)備通常存在全面腐蝕、應(yīng)力腐蝕、點(diǎn)蝕、晶間腐蝕、縫隙腐蝕、垢下腐蝕等失效形式，金屬材料及其焊接接頭的腐蝕既要考慮介質(zhì)中的Cl-腐蝕，又要考慮H2S和CO2的腐蝕，使設(shè)備腐蝕行為變得極為復(fù)雜。而目前對(duì)于材料的腐蝕行為研究大

2、部分集中在單一介質(zhì)條件下，而實(shí)際存在復(fù)雜介質(zhì)的腐蝕問(wèn)題，已成為潛在的壓力容器事故隱患，也是這類(lèi)油氣田開(kāi)發(fā)的瓶頸之一。在這種多介質(zhì)條件下，壓力容器常用材料及其焊接接頭可能發(fā)生的失效機(jī)理國(guó)內(nèi)外也大部分集中在CO2、Cl-或H2S的單一介質(zhì)條件下腐蝕行為進(jìn)行研究，在壓力容器選材方面也沒(méi)有合適的統(tǒng)一選材準(zhǔn)則。本研究是以高含Cl-、H2S、CO2介質(zhì)的油氣田采出水為腐蝕介質(zhì)，選取壓力容器常用材料即低合金鋼系列、不銹鋼系列以及非鐵合金系列為研究對(duì)象

3、，研究了以16MnR、2205和B30為代表的壓力容器用材在復(fù)雜多介質(zhì)條件下的腐蝕行為，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室模擬掛片與現(xiàn)場(chǎng)掛片跟蹤。
　　本文首先對(duì)壓力容器用材最為廣泛的16MnR系列材料進(jìn)行了局部腐蝕與全面腐蝕行為研究，局部腐蝕結(jié)果表明：16MnR（HIC）的抗SSC性能、應(yīng)力腐蝕敏感性等在該系列材料中屬于最優(yōu)鋼材，加速恒負(fù)荷（0.9ReL）拉伸過(guò)程中16MnR（HIC）的母材區(qū)和焊縫區(qū)的斷裂時(shí)間差別與16Mn系列其它材料相比較?。粡?/p>

4、梁實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明其臨界應(yīng)力均滿(mǎn)足Sc≥10的要求，而16MnR（HIC）的應(yīng)力強(qiáng)度因子值高于其余四種系列材料；慢應(yīng)變腐蝕過(guò)程中其應(yīng)力腐蝕敏感指數(shù)隨溫度升高而升高，溫度超過(guò)40℃后變化趨于平緩，16MnR（HIC）的應(yīng)力腐蝕敏感性指數(shù)接近安全區(qū)（接近于25％），酸性介質(zhì)中隨pH升高而降低，堿性介質(zhì)中隨pH值增大而增大，其斷口為伴隨二次裂紋的準(zhǔn)解理花樣，后斷區(qū)有蝕坑和韌窩。全面腐蝕結(jié)果表明室溫條件下的腐蝕速率均小于0.25mm/a，腐蝕表面均

5、勻無(wú)明顯局部腐蝕跡象，pH值=6,8時(shí)的腐蝕速率比 pH=4時(shí)降低2-3倍，腐蝕速率隨溫度的升高而增大，溫度超過(guò)50℃后腐蝕速率增加率明顯降低；腐蝕初期的腐蝕產(chǎn)物主要為疏松的富鐵硫化物與微量碳酸鹽，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)或溫度的升高富鐵的硫化物逐漸轉(zhuǎn)化為相對(duì)致密的單斜或密排六方晶型結(jié)構(gòu)的富硫的鐵硫化物，腐蝕速率增加幅度降低。
　　考察了2205雙相不銹鋼在復(fù)雜多介質(zhì)條件下的腐蝕行為，局部腐蝕試驗(yàn)結(jié)果表明腐蝕過(guò)程中發(fā)生了自鐵素體開(kāi)始的氫脆化

6、，恒負(fù)荷拉伸加載應(yīng)力為0.95σs時(shí)全部試樣斷裂，斷口呈解理特征，斷裂區(qū)域主要發(fā)生在鐵素體區(qū)，奧氏體區(qū)具有不同程度尺寸較小的韌窩；pH值不變條件下，隨溫度、Cl-濃度以及CO2分壓的升高其自腐蝕電位與點(diǎn)蝕電位呈降低趨勢(shì)，介質(zhì)不變pH值升高時(shí)其點(diǎn)蝕電位與自腐蝕電位呈現(xiàn)不同程度的降低；2205在復(fù)雜介質(zhì)中的慢應(yīng)變速率為10-6/sec時(shí)，自彈塑性變形開(kāi)始相同應(yīng)變時(shí)復(fù)雜介質(zhì)中的應(yīng)力低于空氣中的應(yīng)力，其斷裂應(yīng)變比空氣中小15%左右，主裂紋斷口呈

7、扇形河流花樣，慢應(yīng)變過(guò)程中發(fā)生嚴(yán)重組織脆化；四點(diǎn)彎曲后在加載區(qū)域附近出現(xiàn)裂紋，彎曲后的微觀(guān)組織形貌顯示發(fā)生了鐵素體區(qū)域的優(yōu)先選擇性腐蝕；經(jīng)過(guò)DL-EPR測(cè)試后發(fā)現(xiàn)2205具有良好的抗晶間腐蝕性能，經(jīng)過(guò)敏化處理的試樣的再活化率值很?。?.38×10-3），其抗晶間腐蝕能力較好。全面腐蝕過(guò)程中，當(dāng)pH=4，氯離子濃度為0時(shí)室溫條件下的腐蝕速率最大，當(dāng)氯離子濃度升高到170g/L時(shí)，50℃條件下的腐蝕速率最大，兩種條件下腐蝕速率發(fā)生轉(zhuǎn)變的氯離

8、子濃度均為57-100g/L，在氯離子濃度為57-100g/L、T＜50℃時(shí)，腐蝕速率不超過(guò)0.0005 mm/a，當(dāng)T＞50℃，氯離子濃度為57-100g/L時(shí)，最大腐蝕速率不超過(guò)0.004 mm/a；pH=6時(shí)，氯離子濃度為0，溫度50℃條件下的腐蝕速率較高，腐蝕速率小于0.0025 mm/a，當(dāng)溫度升高到80℃時(shí)，氯離子濃度由100g/L升高到170g/L時(shí)腐蝕速率迅速增加，腐蝕速率不超過(guò)0.004 mm/a；全面腐蝕過(guò)程中220

9、5雙相不銹鋼表面可形成比較致密的鈍化膜，pH=4時(shí)表面出現(xiàn)直徑3-5μm不穩(wěn)定存在的點(diǎn)蝕核，pH=6時(shí)表面出現(xiàn)直徑15-20μm的不穩(wěn)定點(diǎn)蝕核，隨著介質(zhì)溫度的升高及氯離子含量的增加，不穩(wěn)定存在點(diǎn)蝕核統(tǒng)計(jì)直徑有增大的趨勢(shì)，根據(jù)腐蝕形貌與腐蝕產(chǎn)物成分建立初步腐蝕過(guò)程模型。
　　考察了B30銅鎳合金在多介質(zhì)條件下的腐蝕行為，局部腐蝕試驗(yàn)結(jié)果表明：腐蝕介質(zhì)中H2S分壓保持不變，極化曲線(xiàn)結(jié)果說(shuō)明隨著CO2分壓以及氯離子含量的增加自腐蝕電位正

10、向移動(dòng)，自腐蝕電流下降；點(diǎn)蝕實(shí)驗(yàn)中腐蝕速率隨溫度的升高迅速增加，腐蝕微觀(guān)形貌可見(jiàn)試樣表面分布較多尺寸大小不一的腐蝕坑，腐蝕坑中心未被完全腐蝕，EDS元素分析表明其主要組成元素為Cu和少量的O與S；慢應(yīng)變結(jié)果說(shuō)明所有試驗(yàn)條件下其應(yīng)力腐蝕敏感指數(shù)最大值不超過(guò)25%，由室溫增加到50℃時(shí)應(yīng)力腐蝕敏感性指數(shù)增加速率遠(yuǎn)大于50℃增加到80℃時(shí)，T=50℃時(shí)在近中性介質(zhì)中的應(yīng)力腐蝕敏感性指數(shù)略低于酸性與堿性介質(zhì)中的應(yīng)力腐蝕敏感性指數(shù)。B30在全面腐

11、蝕過(guò)程中腐蝕速率隨介質(zhì)中H2S含量的增加而增大，同一介質(zhì)中腐蝕速率隨著溫度的升高而升高；相同pH值條件下：腐蝕速率的增加率在H2S含量大于1000mg/L時(shí)高于H2S含量低于1000mg/L時(shí)，溫度高于50℃時(shí)，隨溫度的升高腐蝕速率的增加速率明顯大于溫度低于50℃時(shí)；H2S含量不變，隨著氯離子含量與CO2分壓的增加，介質(zhì)中形成多種離子競(jìng)爭(zhēng)吸附在金屬表面，使得硫離子的毒化作用得到緩解，其腐蝕過(guò)程進(jìn)而被一定程度的抑制；硫離子的存在使得腐蝕產(chǎn)

12、物中形成疏松多孔的硫化亞銅、氯化亞銅及少量氧化亞銅，隨著腐蝕的進(jìn)行部分亞銅鹽轉(zhuǎn)變?yōu)橐廊皇杷傻亩r(jià)銅鹽腐蝕產(chǎn)物而加劇腐蝕過(guò)程，而無(wú)硫離子存在時(shí)腐蝕產(chǎn)物膜層中存在疏松度相對(duì)較低的Cu2O層起到阻礙腐蝕離子的傳質(zhì)過(guò)程進(jìn)而腐蝕速率降低。
　　實(shí)驗(yàn)室模擬掛片試驗(yàn)和跟蹤現(xiàn)場(chǎng)使用的09CrAlMoRE鋼制分離器、克拉2天然氣管道16MnR掛片和2205襯里容器、NK-HITEN610U2（CF62）鋼板及其焊接接頭承載鑒證試件現(xiàn)場(chǎng)掛片試驗(yàn)結(jié)果表