J55鋼級(jí)電阻焊（ERW）套管的焊縫溝槽腐蝕行為

張志升，杜素珍，尹志福

（1.延長(zhǎng)油田股份有限公司杏子川采油廠，延安717400；2.西安石油大學(xué)石油工程學(xué)院，西安710065；3.陜西延長(zhǎng)石油（集團(tuán)）有限責(zé)任公司研究院，西安710075）

近年來(lái)國(guó)際上出現(xiàn)了以?xún)?yōu)質(zhì)焊管替代高成本無(wú)縫鋼管的趨勢(shì)，這主要是由于焊管的生產(chǎn)技術(shù)不斷取得突破。電阻焊（ERW）管是采用鋼板或帶鋼經(jīng)過(guò)卷曲成型后再經(jīng)高頻電阻焊接制成的鋼管，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于石油天然氣輸送管道、油井套管和連續(xù)油管等領(lǐng)域［1-2］。目前，我國(guó)石油行業(yè)中ERW焊管主要用于輸送管和套管。在西方工業(yè)比較發(fā)達(dá)的國(guó)家，已應(yīng)用J55、N80及P110鋼級(jí)的ERW套管，而目前我國(guó)的N80級(jí)套管正處于試制階段，ERW套管僅限于J55鋼級(jí)。

ERW過(guò)程是一個(gè)局部加熱和冷卻的過(guò)程，往往會(huì)造成母材的力學(xué)性能高于焊縫區(qū)域的。此外，由于母材和焊縫的成分和組織存在差異，導(dǎo)致冷卻后在焊接區(qū)產(chǎn)生明顯的殘余應(yīng)力。當(dāng)ERW焊管在油氣腐蝕性環(huán)境中服役時(shí)，ERW焊縫比母材金屬對(duì)應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂具有更高的敏感性［3-5］，同時(shí)焊縫區(qū)會(huì)出現(xiàn)選擇性局部腐蝕即溝槽腐蝕，這使得焊管的應(yīng)用受到限制。

陜北某油田受到了國(guó)際油價(jià)低位運(yùn)行的影響，而開(kāi)采成本居高不下，節(jié)約開(kāi)發(fā)成本成為企業(yè)的工作重點(diǎn)之一，采用經(jīng)濟(jì)型低鋼級(jí)的ERW套管就是一種應(yīng)對(duì)之法。本工作主要采用恒電位陽(yáng)極極化加速腐蝕試驗(yàn)，研究了J55鋼級(jí)ERW套管焊接區(qū)的溝槽腐蝕敏感性，探討了溝槽腐蝕的成因和機(jī)制，并進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性對(duì)比，以期為油田開(kāi)發(fā)使用ERW套管提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)

1.1 試樣

試樣取自國(guó)內(nèi)某鋼鐵企業(yè)（A廠）生產(chǎn)的J55鋼級(jí)ERW套管，將原材料加工成20 mm×15 mm×3 mm的試樣，焊縫區(qū)域位于試片長(zhǎng)度方向的中心位置。J55鋼級(jí)ERW套管的化學(xué)成分見(jiàn)表1。金相檢查結(jié)果表明：J55鋼級(jí)ERW套管基體、熱影響區(qū)和融合線區(qū)域的晶粒度分別為10級(jí)，級(jí)和級(jí)；J55鋼級(jí)ERW套管內(nèi)表面和其他區(qū)域的組織均為鐵素體+珠光體（F+P）。

表1 J55鋼級(jí)ERW套管的化學(xué)成分Tab.1 Chemical composition of J55 steel-grade ERW casing %

在試樣工作面的背面焊接導(dǎo)線，然后用環(huán)氧樹(shù)脂封裝試樣，封裝時(shí)不影響材料的原始狀態(tài)。試驗(yàn)前，用水砂紙（100號(hào)）打磨試樣工作面后，采用丙酮脫脂，超聲波清洗，無(wú)水乙醇脫水，冷風(fēng)吹干后待用。

1.2 試驗(yàn)方法

采用恒電位陽(yáng)極極化加速腐蝕的電化學(xué)試驗(yàn)方法進(jìn)行測(cè)試。試驗(yàn)在美國(guó)EG＆G（普林斯頓）PAR273A電化學(xué)工作站上進(jìn)行，采用三電極體系，飽和甘汞電極（SCE）為參比電極，輔助電極為碳棒，工作電極為試樣，文中電位若無(wú)特指，均相對(duì)于SCE。試驗(yàn)溶液為3.5%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）NaCl中性水溶液，陽(yáng)極極化電位為-550 mV，試驗(yàn)周期為144 h，溶液溫度為常溫。試驗(yàn)結(jié)束后，用清洗液（由500 mL HCl、20 g六次甲基四胺和500 mL蒸餾水配置而成）除去試樣表面腐蝕產(chǎn)物后，用水充分沖洗試樣表面，再用無(wú)水乙醇脫水，冷風(fēng)干燥。

采用共聚焦顯微鏡多次觀察溝槽腐蝕最深坑的焊縫位置，測(cè)量母材的腐蝕深度d1和焊縫的腐蝕深度d2，見(jiàn)圖1，根據(jù)式（1）計(jì)算焊縫溝槽腐蝕敏感系數(shù)α。

式中：d1和d2分別取三次測(cè)量平均值，且相同條件下進(jìn)行三次平行試驗(yàn)。α數(shù)值愈大，溝槽腐蝕敏感性就愈高。目前普遍接受的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)是：當(dāng)焊縫溝槽腐蝕敏感系數(shù)α≥1.3時(shí)，焊縫的溝槽腐蝕敏感性較大；當(dāng)焊縫溝槽腐蝕敏感系數(shù)α＜1.3時(shí)，焊縫的溝槽腐蝕敏感性較小。

圖1 焊縫溝槽腐蝕敏感系數(shù)的計(jì)算示意圖Fig.1 Schematic diagram of calculation of corrosion sensitivity coefficient of weld groove

采用LSM 700型激光共聚焦顯微鏡觀察試樣腐蝕后的表面宏觀形貌、三維輪廓特征，繪制相應(yīng)的深度分布曲線。

圖2 試樣經(jīng)過(guò)電化學(xué)試驗(yàn)后的宏觀形貌，顯微三維輪廓和腐蝕深度分布曲線Fig.2 Macro morphology（a），three-dimensional micro morphology（b）and corrosion depth distribution curve（c）of the sample after electrochemical test

2 結(jié)果與討論

2.1 溝槽腐蝕形貌

由圖2可見(jiàn)：經(jīng)過(guò)電化學(xué)試驗(yàn)后，試樣表面發(fā)生了明顯的焊縫溝槽腐蝕，焊縫區(qū)域以外母材的宏觀形貌較為均勻平整，焊縫區(qū)域最深腐蝕溝槽顯微三維輪廓表現(xiàn)出明顯的凹凸不平特征，焊縫局部存在點(diǎn)蝕坑，發(fā)生了選擇性局部腐蝕；深度分布曲線反映了焊縫表面局部腐蝕特征。

2.2 溝槽腐蝕敏感系數(shù)

由表2可見(jiàn)：三個(gè)平行試樣經(jīng)過(guò)電化學(xué)試驗(yàn)后的溝槽腐蝕敏感系數(shù)α均小于1.3。API標(biāo)準(zhǔn)對(duì)焊縫溝槽腐蝕敏感系數(shù)無(wú)任何要求，但國(guó)內(nèi)外研究表明，溝槽腐蝕敏感系數(shù)小于1.3時(shí)試樣對(duì)溝槽腐蝕不敏感。因此，可判定A廠生產(chǎn)的J55鋼級(jí)ERW套管對(duì)溝槽腐蝕不敏感。

表2 試樣的焊縫溝槽腐蝕敏感系數(shù)Tab.2 Sensitivity coefficient of weld groove corrosion of samples

2.3 溝槽腐蝕影響因素

一般認(rèn)為，碳鋼發(fā)生溝槽腐蝕是由于焊縫區(qū)的組織結(jié)構(gòu)、化學(xué)成分、殘余應(yīng)力等與母材存在明顯差異，導(dǎo)致焊縫和母材形成腐蝕性電偶對(duì)而出現(xiàn)的溝槽型選擇性局部腐蝕。

金屬材料的化學(xué)成分是影響焊縫溝槽腐蝕的重要因素。有研究認(rèn)為［3-4，6］，對(duì)于硫的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于0.01%的金屬管材，發(fā)生焊縫溝槽腐蝕與夾雜物MnS有關(guān)，硫含量越高，溝槽腐蝕現(xiàn)象越明顯。這是由于ERW套管在焊接過(guò)程中焊縫區(qū)夾雜物的MnS發(fā)生重熔并形成富硫區(qū)；對(duì)于低含硫金屬管材，溝槽腐蝕與焊接合金的損失、殘余應(yīng)力和含碳量的增加等因素有關(guān)。本工作所用J55鋼級(jí)套管材料的含硫量遠(yuǎn)低于0.01%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），據(jù)此可認(rèn)為其發(fā)生焊縫溝槽腐蝕與夾雜物MnS的相關(guān)性較小。

也有研究認(rèn)為［7］，由于焊接過(guò)程會(huì)發(fā)生脫碳現(xiàn)象，夾雜物MnS相對(duì)于管材基體充當(dāng)陰極相，與周?chē)F基之間存在的缺陷和富硫區(qū)易引發(fā)局部點(diǎn)腐蝕，點(diǎn)蝕坑相連導(dǎo)致焊縫溝槽腐蝕的發(fā)生。另外，由于焊接區(qū)域部分微量元素發(fā)生貧化，引起焊縫的腐蝕電位發(fā)生變化，使焊縫與母材之間產(chǎn)生電位差，從而形成腐蝕原電池，導(dǎo)致焊縫兩側(cè)發(fā)生腐蝕。為了減緩溝槽腐蝕，可以采用高溫調(diào)質(zhì)處理，使得元素在不同區(qū)域均勻化。

殘余應(yīng)力也是影響金屬管材發(fā)生溝槽腐蝕的重要因素之一。在ERW套管焊接過(guò)程中，熔化的焊縫在冷卻過(guò)程中，焊縫兩側(cè)的母材金屬會(huì)發(fā)生塑性變形，由于熱應(yīng)力和組織應(yīng)力共同作用導(dǎo)致焊縫兩側(cè)形成了較高的殘余應(yīng)力［8］。金屬管材焊接后若進(jìn)行回火處理可使焊接區(qū)內(nèi)應(yīng)力消除或減弱，材料抗溝槽腐蝕性能有所改善；若進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，可使晶粒細(xì)化、組織均勻化，內(nèi)應(yīng)力消除，抗溝槽腐蝕性能會(huì)得到明顯提高［9］。

本工作中，J55鋼級(jí)ERW套管沒(méi)有經(jīng)過(guò)熱處理，組織以鐵素體+珠光體為主，母材組織與焊縫組織有明顯差異。根據(jù)上文中焊縫溝槽腐蝕敏感系數(shù)計(jì)算結(jié)果，較接近參考值1.3，因此建議焊接態(tài)的鋼管進(jìn)行熱處理以降低溝槽腐蝕的發(fā)生；同時(shí)考慮到該套管的服役環(huán)境，建議在制造中添加0.5%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Cr，在使用過(guò)程中適當(dāng)添加緩蝕劑以防止焊縫處的優(yōu)先腐蝕。

2.4 市場(chǎng)應(yīng)用可行性

按照目前市場(chǎng)J55套管價(jià)格，對(duì)比了無(wú)縫套管和ERW套管的費(fèi)用，結(jié)果見(jiàn)表3?？梢钥闯觯褂肑55鋼級(jí)ERW表層套管代替目前使用的J55鋼級(jí)無(wú)縫表層套管可節(jié)約成本5.0%；用J55鋼級(jí)ERW套管代替目前使用的J55鋼級(jí)無(wú)縫套管可節(jié)約成本8.8%，J55鋼級(jí)ERW套管具有很高的經(jīng)濟(jì)性。

表3 J55鋼級(jí)套管的成本對(duì)比Tab.3 Cost comparison of J55 steel grade casing

3 結(jié)論

（1）經(jīng)過(guò)電化學(xué)試驗(yàn)，J55鋼級(jí)ERW套管發(fā)生了選擇性局部腐蝕，焊縫區(qū)域存在點(diǎn)蝕坑，其溝槽腐蝕敏感系數(shù)均小于1.3，對(duì)溝槽腐蝕不敏感。

（2）J55鋼級(jí)ERW套管代替目前使用的J55鋼級(jí)無(wú)縫套管可節(jié)約成本5.0%～8.0%，經(jīng)濟(jì)性較好。