無縫鋼管材料的抗氫致裂紋(HIC)
無縫管線管主要用于井口附近輸送高壓油氣。隨著硫化氫腐蝕問題的日益嚴重,抗硫無縫管線管的研制迫在眉睫,而抗硫性能的好壞是關鍵。探討了影響抗氫致裂紋(HIC)性能的介質與材料因素,認為Cu、Ni的加入可以提高無縫管線管材料的HIC性能,降低鋼中的S含量,經噴硅鈣粉處理還可降低氫鼓泡的敏感性。

隨著石油和天然氣開采的日益深入,開采條件復雜且處于含硫環境的油氣井越來越多,硫化氫腐蝕問題非常尖銳。近年來,國內外對抗硫無縫管線管的需求不斷增加。無縫管線管主要用于井口附近輸送高壓油氣,是采用無縫管生產方式制造的沒有焊縫的鋼管。本文擬對抗硫無縫管線管的研制作一討論。

1 試驗方法
根據ISO3183標準,采用浸入法,在實驗室冶煉7爐1 t鋼錠,經過鍛造、穿孔、頂管及張減制造成管,在鋼管上截取20 mm×100 mm×5 mm板厚或管厚試樣,將其浸入按標準規定配置的溶液中,96 h后取出并垂直軋向取截面,用金相法計算3個參量(裂紋長度率CLR、裂紋厚度率CTR、開裂敏感率CSR),以此來比較抗氫致裂紋(HIC)敏感性。

2 影響HIC性能的因素

2.1 介質因素

1) pH值。大量的研究結果表明,在pH為1~6的范圍內,氫鼓泡的敏感性隨pH的增加而降低,當pH>6時,則不發生氫鼓泡[1]。
2) H2S濃度。硫化氫的濃度愈高,則氫鼓泡的敏感性愈大。
3) 氯離子。在pH 值為3.5~4.5 的范圍內,Cl-的存在,使腐蝕速度增加,氫鼓泡的敏感性增加。
4) 溫度。25℃時CLR最大,氫鼓泡的敏感性最大。低于25℃時,升溫使腐蝕反應及氫擴散速度加快,從而氫鼓泡的敏感性增加。而高于25℃以后,由于H2S濃度的下降,反而使氫鼓泡的敏感性下降。
5) 時間。試驗采用96 h作為對比,一般情況下隨試驗時間的增加,腐蝕程度趨向嚴重。

2.2 材料因素

2.2.1 化學成分的影響
在實驗室冶煉了一輪根據不同級別設計的鋼種,具體成分見表1,并對其進行HIC浸泡試驗。從浸泡后的試樣表面觀察,B2、B6、B7的鼓泡面積明顯多于B9、B10,裂紋敏感性指標結果見表2。從表2 可看出,B2、B6、B7 的抗HIC 性能明顯劣于B9、B10。表1 中B2、B6、B7 鋼種不含Cu、Ni,而B9、B10 鋼種則含有Cu、Ni。由此可見,Cu、Ni 的加入,使腐蝕產物在鋼的表面形成了保護膜,抑制了表面的腐蝕反應,從而降低氫的逸出,減少了氫從環境中進入鋼的基體,降低氫鼓泡敏感性,增加了抗HIC 的性能,這與Oriani 的研究結果[2] 非常吻合,而且Oriani 還指出只有加入0.2 %的Ni 及大于0.2 %的Cu才能產生效果。

2.2.2 鋼中硫含量的影響
B2、D2兩個鋼種的化學成分幾乎相當,只是D2的S含量要遠遠低于B2。經浸泡試驗(表3),發現D2的抗HIC性能大大好于B2。由此可見,提高鋼的純凈度,降低硫含量,有利于降低氫鼓泡的敏感性。這主要是由于氫原子易在長條狀的MnS夾雜或氧化鋁夾雜尖端處積聚而形成極大的氫壓,致使在材料內部產生內鼓泡,在應力作用下氫誘發裂紋沿著垂直于應力軸方向堆積排列而形成了鏈狀鼓泡,最后呈臺階狀斷裂。因此,降低鋼中的硫含量,可減少所形成的MnS,從而可降低氫鼓泡的敏感性。

2.2.3 鈣處理對HIC性能的影響
B6、C6 成分相當,只是B6 未經過噴硅鈣粉處理, 而C6 經過Ca 處理。將B6、C6 同時浸泡在TM0284標準規定的人工海水溶液中96 h,發現C6表面鼓泡面積明顯減少,而且無裂紋產生,具體HIC試驗結果見表4。由表4可見,經過Ca處理的鋼種,其抗HIC性能明顯優于未經Ca處理過的鋼種。這主要是經過噴硅鈣粉處理后,改變了硫化物和氧化物夾雜的形狀,將集中的有邊角的夾雜變成分散的顆粒夾雜,從而降低了氫鼓泡的敏感性,提高了抗HIC性能。

3 結論
1) 影響HIC性能的介質因素主要有pH值、H2S濃度、氯離子、溫度及時間。
2) Cu、Ni的加入可以提高抗HIC性能。
3) 降低鋼中的S含量,提高鋼的純凈度,可降低氫鼓泡的敏感性。
4) 噴硅鈣粉,是降低氫鼓泡敏感性最有效的措施之一。

參考文獻
[1] 肖紀美. 應力作用下的金屬腐蝕[M]. 北京:化學工業出版社,1999.
[2] Richard A. Oriani,John Price Hirth,Micha1 bSmia1ows?ki. Hydrogen Degradation

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