P110SS鋼在高含H2S與CO2條件下的腐蝕規(guī)律

王云帆

（西南石油大學石油與天然氣工程學院，四川 成都 610500）

P110SS鋼在高含H2S與CO2條件下的腐蝕規(guī)律

王云帆

（西南石油大學石油與天然氣工程學院，四川 成都 610500）

利用高溫高壓實驗裝置，研究了P110SS套管鋼在3種典型高含H2S/CO2工況條件下的腐蝕速率和硫化物應力腐蝕開裂（SSCC）現(xiàn)象。實驗結果表明：隨H2S分壓、CO2分壓、溫度增加，P110SS鋼的腐蝕速率先降低再升高；P110SS鋼的回火索氏體組織使其具備較為優(yōu)良的抗SSCC性能；隨H2S分壓、CO2分壓、溫度增加，SSCC敏感性降低，溫度起主導作用，井口工況SSCC敏感性最高。

P110SS套管鋼；腐蝕速率；硫化物應力腐蝕開裂；H2S分壓；CO2分壓；溫度

0 引言

川東北具有豐富的含硫天然氣資源［1］，普光氣田的 H2S 分壓為6.92～9.90MPa，CO2分壓為4.36～5.10MPa，腐蝕環(huán)境惡劣。與常規(guī)氣田開發(fā)不同之處有：氣井井筒出現(xiàn)硫沉積問題，出現(xiàn)水合物問題，特殊完井技術，需要對單井開發(fā)進行經濟評價［2-8］。

惡劣的腐蝕介質環(huán)境對管材抗H2S，CO2腐蝕性能的要求非?？量蹋瑲饩a套管使用了P110SS高抗硫套管。按照《API SPEC 5CT—2005套管和油管規(guī)范》［5］要求，P110鋼級屈服強度為758～965MPa，處于SSCC的敏感區(qū)［6］。

110級別的鋼材，在硫化氫環(huán)境中的腐蝕相關問題，已經進行了部分研究［9-24］。目前，針對P110SS抗硫套管鋼在普光氣田工況條件下的腐蝕和SSCC規(guī)律研究，有待進一步提高和完善。本文利用高溫高壓哈氏合金釜模擬普光氣田工況條件，研究了P110SS高抗硫套管鋼在3種典型（普光氣田的井底、井中部和井口）工況條件下的腐蝕速率和SSCC規(guī)律。

1 腐蝕評價實驗

1.1 材質及試樣

1.1.1 實驗材質

實驗用材為P110SS。其化學成分：C質量分數為0.270%，Si質量分數為0.260%，Mn質量分數為0.600%，P質量分數小于等于0.009%，S質量分數小于等于0.003%，Cr質量分數為0.500%，Mo質量分數為0.600%，Ni質量分數為0.250%。顯微組織為均勻的回火索氏體（見圖1）。

1.1.2 試樣設計

腐蝕速率試樣尺寸50mm×10mm×3mm。SSCC試件，縫位于試樣中部，尺寸67.5mm×4.5mm×1.5mm。慢應變速率拉伸（SSRT）試樣見文獻［18］。

圖1 P110SS套管的顯微組織

1.2 實驗介質

實驗介質按表1配制，模擬普光氣田工況條件。

表1 實驗介質成分質量濃度

1.3 實驗設計

實驗條件見表2。腐蝕速率評價實驗、SSCC評價實驗、SSRT評價實驗各分3組，分別對應普光氣田的井底、井中部和井口工況。

表2 實驗條件

腐蝕速率評價實驗試件，每組3個試件，參考標準為JB/T 7901—1999［16］。

SSCC評價實驗試件，每組3個試件，采用四點彎曲試件，按照 NACE TM 0177—2005 標準［17］進行實驗。實驗加載應力為90%SMYS。驗收標準為：試件的受拉伸面在低倍顯微鏡下放大10倍檢查，試件受拉伸面無可見SSCC裂紋。

SSRT評價實驗試件，每組1個試件，參考標準為NACE TM 0198—2004［18］。拉伸率為5×10-7s-1，拉伸速率為1.27×10-5mm/s。

無H2S條件SSRT評價實驗，1個試件，參考標準NACE TM 0198—2004［18］。實驗條件：H2S 分壓為0MPa，CO2分壓為0MPa，溫度為25℃。拉伸率為5×10-7s-1；拉伸速率為1.27×10-5mm/s。

2 實驗結果

2.1 腐蝕速率評價

3種腐蝕條件下P110SS套管腐蝕速率實驗后的情況如圖2所示。腐蝕狀況明顯不同，井口工況和井底部工況條件腐蝕后，試樣表面生成了一層稍厚的腐蝕產物膜，并且腐蝕產物膜的附著性較好。井中部工況條件腐蝕后，試樣表面也生成了一層腐蝕產物膜，但是腐蝕產物膜的附著力較差，出現(xiàn)了明顯的脫落現(xiàn)象。

圖2 腐蝕速率實驗照片

井口、井中部、井底部工況下的P110SS鋼腐蝕速率分別為0.1804，0.1078，0.2486mm/a。隨溫度和硫化氫、二氧化碳分壓的增大,腐蝕速率先升高再降低。井中部腐蝕速率較低，井口、井底偏高。

由P110SS鋼腐蝕速率實驗結果看出，井口條件下，P110SS鋼腐蝕產物膜疏松。井中部條件下，腐蝕產物膜顆粒呈塊狀，但是出現(xiàn)明顯的脫落現(xiàn)象。井底環(huán)境下產物膜也存在脫落現(xiàn)象。

2.2 SSRT評價實驗結果

圖3給出了不同環(huán)境下的應力應變曲線。由圖3可以看出：在沒有H2S和CO2環(huán)境下，P110SS套管塑性性能比較好，斷后伸長率可達13%，并且出現(xiàn)了明顯的屈服現(xiàn)象。在井口環(huán)境中時，材料的應力應變曲線出現(xiàn)異常，沒有規(guī)律，在到達抗拉強度前，應力與應變呈線性變化。達到抗拉強度后，應力迅速降低直到斷裂，斷后伸長率為1%。說明腐蝕環(huán)境下P110SS套管的力學性能損傷比較嚴重。井中部環(huán)境中抗拉強度達到657MPa，延伸率也比井口中明顯增大，但與空白條件相比明顯降低。井底環(huán)境下，與其他2種腐蝕條件相比，抗拉強度和伸長率明顯增大。

綜上所述，腐蝕后，P110SS鋼力學性能損傷比較嚴重。隨著分壓的增大，力學性能損傷逐漸減弱。井口條件下力學性能損傷最嚴重。

圖3 P110SS應力應變曲線

圖4給出了不同條件下P110SS鋼的SSRT實驗測試周期?？梢钥闯觯贖2S和CO2條件下，P110SS斷裂周期顯著縮短。H2S和CO2對P110SS鋼中微裂紋萌生和擴展起到明顯的促進作用，H2S和CO2條件下該鋼力學性能退化嚴重。

圖4 不同條件下SSRT實驗測試時間

3 分析與討論

實驗中，CO2分壓與H2S分壓之比小于200，屬于H2S主導腐蝕［19］，P110SS鋼腐蝕速率出現(xiàn)了非線性恢復現(xiàn)象，說明在腐蝕過程中，腐蝕機制發(fā)生了變化。

溫度對CO2/H2S腐蝕的影響主要體現(xiàn)在［11］：溫度升高，促進電化學腐蝕反應的速度；溫度升高，降低硫化氫的溶解度，減輕腐蝕；溫度升高，腐蝕產物膜的形成過程與機制也發(fā)生變變化。

通過SSRT實驗分析得出，3種工況條件下SSCC敏感性是不同的，SSRT方法基于金屬材料的SSCC敏感性與冷變形、氫、應變速率之間的作用，提供了快速進行應力腐蝕試驗的方法。

1）斷裂應力。腐蝕介質中與非腐蝕介質中的斷裂應力比值越小，SSCC敏感性就越大。惰性環(huán)境中的抗拉強度為825MPa，井口條件抗拉強度達到523MPa，井中部條件抗拉強度達到657MPa，井底條件抗拉強度達到765MPa。

2）吸收能量。惰性介質和腐蝕介質中吸收能量差別越大，則SSCC敏感性就越大。惰性環(huán)境中的吸收能量第1，井口條件吸收能量第4，井中部條件吸收能量第3，井底部條件第2。

3）斷裂時間。腐蝕介質中與非腐蝕介質中的斷裂時間比值越小，SSCC的敏感性就越高。惰性條件的斷裂時間最長，井口條件斷裂時間最短，井中部條件斷裂時間第3，井底部條件斷裂時間第2。

3個方面的評價結果是一致的，SSCC敏感性由大到小的順序依次為井口條件、井中部條件、井底條件。

壓力增高，H2S分壓、CO2分壓也增加，它們在溶液中溶解度就加大，電化學腐蝕速度也增加。同時，壓力增高，原子氫向金屬滲入的速度也增大。原子氫向金屬滲入的速度從2個方面促進了SSCC：1）溫度太高，氫易逸出，敏感材料發(fā)生SSCC趨勢下降。2）溫度太低，擴散慢，氫來不及隨缺陷轉移。這2個相反的趨勢形成了發(fā)生SSCC的最敏感溫度。越過這一溫度后，SSCC敏感性隨著溫度的升高而降低。

綜合分析以上因素認為，溫度是主導因素。隨H2S分壓、CO2分壓、溫度增加，P110SS鋼的SSCC敏感性降低。SSCC敏感性最高的是井口工況。井口也是受拉力最大的部位，在防止SSCC方面要給予重點關注。

4 結論

1）隨 H2S分壓、CO2分壓、溫度增加，P110SS鋼的腐蝕速率出現(xiàn)了先降低后又升高的現(xiàn)象，腐蝕速率主要受H2S分壓、CO2分壓、溫度和腐蝕產物膜的影響。

2）隨 H2S分壓、CO2分壓、溫度增加，P110SS的SSCC敏感性降低，H2S分壓、CO2分壓和溫度因素中，溫度起主導作用。

3）井口工況SSCC敏感性最高，同時該部位受拉力最大，是控制SSCC的重點。

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（編輯 楊會朋）

Corrosion rule of P110SS under high H2S and CO2conditions

WANG Yunfan
(School of Oil and Natural Gas Engineering,Southwest Petroleum University,Chengdu 610500,China)

This paper studies the corrosion rate and sulfide stress corrosion cracking(SSCC)ofP110SS casing steelunder three typical high H2S-CO2conditions by means of high temperature and high pressure test equipment.With the increase of H2S-CO2partial pressures and temperature,the corrosion rate of P110SS decreases first and finally increases again.The tempered bainitic structure of P110SS leads to better resistance to SSCC.The SSCC sensitivity decreases with the increase of H2S-CO2partial pressures and temperature.Temperature plays a leading role and the SSCC ofwellhead condition is the mostsensitive.

P110SS casing steel;corrosion rate;sulfide stress corrosion cracking;H2S partial pressure;CO2partial pressure;temperature

TE980.1

A

10.6056/dkyqt201706029

2017-05-01；改回日期：2017-09-22。

王云帆，女，1995年生，主要從事油氣儲運系統(tǒng)規(guī)劃、勘探設計、運行管理等方面的研究工作。E-mail：593771664@qq.com。

王云帆.P110SS鋼在高含 H2S與CO2條件下的腐蝕規(guī)律［J］.斷塊油氣田，2017，24（6）：863-866.

WANG Yunfan.Corrosion rule of P110SS under high H2S and CO2conditions［J］.Fault-Block Oilamp;Gas Field，2017，24（6）：863-866.