压应力对特殊螺纹套管材料腐蚀的影响

压应力对特殊螺纹套管材料腐蚀的影响

王烨煊 孙国华 张耀涛

海装沈阳局驻葫芦岛地区军事代表室 辽宁省葫芦岛市 125003

92742部队 河北省秦皇岛市 066200

海装沈阳局驻长春地区军事代表室 吉林省长春市 130000

摘要：某油田多口井超级13Cr油管特殊螺纹接头扭矩台肩附近发生腐蚀，外螺纹接头端面与联轴器转矩台肩有一定的倒角，流体流动时会形成紊流，从而造成冲蚀腐蚀。研究发现，套管专用螺纹转矩台肩处发生缝隙腐蚀，导致腐蚀射孔。研究发现，油套管腐蚀形态的形成与流体的冲蚀和冲蚀以及油管接头的裂纹腐蚀有关。高速流体流过API圆形螺纹接头时，流场突然发生变化，流线先膨胀后收缩，造成局部涡流和较大的压力波动。局部出现超低压，导致流场诱发腐蚀。特殊螺纹套筒的腐蚀比管体的腐蚀更严重。即使是高合金耐腐蚀管，在腐蚀环境恶劣的情况下，接头也会发生局部腐蚀。

关键词：套管；特殊螺纹；不锈钢；压应力；腐蚀；

设计模拟材料承受压应力的夹具，运用高温高压釜，试验研究不同压应力下两种套管钢材料在硫化氢、二氧化碳与氯离子共同作用下的腐蚀速率，测试压应力作用下套管钢材料的腐蚀电化学行为。表明：在试验介质中石油套管材料腐蚀形态为点蚀，压应力的增加对试样的腐蚀有促进作用；当压应力小于材料屈服强度的一半时．材料腐蚀不明显，当压应力大于材料拉伸屈服强度的一半以后，材料腐蚀速率快速增加：石油套管与油管特殊螺纹接头密封面及扭矩台肩压应力设计值不应超过材料屈服强度的一半。

一、试验材料及方法

特殊螺纹接头在上扣紧圃后，内螺纹接头扭矩台肩与外螺纹接头端面紧密压在一起，所以此处除了结构不连续外，还受到压应力作用。压应力也会影响此处腐蚀。

试验用石油套管材料为标准API Spec 5CT规定的L80(1类)钢级套管以及非API标准规定的超级13 Cr材料，其化学成分经过Baird Spectrovac2000直读光谱仪与LECO CS-444红外碳硫分析仪分析确定，试验夹具和试样采用相同的材料，固定横梁的厚度为6 mm，支撑立柱为Φ10 mm螺栓。利用螺栓的螺纹旋紧产生试样的预紧压应力，将载荷通过垫片分散传递到试样上的均力块后加载到试样上各点。由于试样及夹具尺寸限制无法测量获得试样的压应力，利用螺栓的位移与施加到试样上的载荷的关系，只要用螺旋测微器控制螺栓的位移变化，就可以控制施加到试样上的预紧压应力。用有限元模拟方法获得这个载荷关系。本夹具设计中的接触问题为平面对平面接触。用有限元分析方法分析线弹性范围内接触问题，具有较高精度。采用直接约束的接触算法，对大面积接触，能根据物体的相互作用自动探测接触区域，施加接触约束。这种方法对接触的描述精度高。两接触物体定义为可变形接触体，采用三维实体六面体单元划分网格。对螺栓螺纹的位移与施加到试样上的载荷的关系进行分析，得到了位移和平均预紧压应力的近似直线关系

采用此关系进行加载位移的计算和试验。试样选用有效段长度为10 mm的Φ4 mm棒状试样。试样的有效段用水砂纸从100#、400#、800#、1200#、1500#逐级打磨，使试样表面呈镜面。打磨标号后，经金属清洗剂除油，然后再在丙酮中超声波清洗20 min，烘干，称重，记录试样腐蚀前的质量，再经清洗干燥后置于干燥器中备用。佩戴细纱手套将试样装夹在夹具上，试样的有效段用丙酮擦洗保护后再对其余部分用LG31耐高温胶密封，以避免产生缝隙腐蚀。

二、试验结果

1.L80(1类)钢级材料腐蚀。在常压条件下用L80(1类)钢级材料进行腐蚀

试验。加入分析纯Na2S代替通入H2S气体，用盐酸调节溶液pH至计算值，然后封闭反应釜，向溶液中通入CO2，4 h后溶液饱和，Cl－质量浓度为100 g/L，试验温度65℃，时间为168 h。图4给出了用失重法测量的腐蚀速率。表明均匀腐蚀不严重。用体视显微镜与扫描电镜观察试样表面腐蚀形貌，发现腐蚀形态主要为点蚀。相比均匀腐蚀，点蚀是危险的腐蚀类型，用扫描电镜对观测区域内的点蚀密度和蚀坑几何尺寸进行测量与统计，，其中，σs为材料的屈服强度。相比点蚀密度，点蚀深度更能反映点蚀的危害程度，结果表明腐蚀速率随压应力总体呈现增加趋势，当压应力水平低于0.5，压应力对L80钢材料腐蚀影响较小，当压应力水平大于0.8σs时腐蚀速率显著增加。

2.超级13Cr材料腐蚀。在高温高压釜中进行有腐蚀性气体H₂S/CO₂共同作用下的腐蚀，试验总压力10.34 MPa，H2S分压0.21 MPa，CO₂分压3.45 MPa，Cl^－质量浓度100mg/L，温度90℃，试验时间为72 h。材料腐蚀形态为点蚀，根据点蚀坑的密度和点蚀坑的大小，可以看出压应力增加对试样的腐蚀速率有一定的促进作用。

3.L80(1类)钢级材料电化学试验结果。压应力对材料腐蚀的影响，在电化学参量上表现为自腐蚀电位EC、自腐蚀电流密度IC、点蚀电位Eb、交流阻抗谱和极化行为随压应力的变化。

三、分析讨论

对于存在应力作用下材料腐蚀的增加，按照Gutaman的理论实质应归因于对金属热力势(或化学位)的影响，从而导致对金属平衡电势、电极电势的影响而引起的。研究金属应变电化学过程需要考虑化学反应活化自由能变化、电荷传递反应自由能变化以及力学应变能对反应的影响。在弹性应变阶段，力学作用会对金属阳极电流产生影响，而不会影响阴极电流。压应力造成的应变能是促进点蚀发生的动力，同时也影响点蚀坑的形貌，在扫描电镜下仔细观察点蚀坑的形貌变化，当压应力小于屈服强度时，点蚀坑由半球形状逐渐演化半长椭球，这可能与点蚀的驱动力为弹性应变能有关，认为点蚀的形貌由初始的半球形状逐渐演化为半长椭球;点蚀的演化形貌为体系应变能与点蚀内表面的表面能共同竞争的结果，应变能加速点蚀形状参数的变化，而表面能则抵制点蚀的形状演化。本试验发现当压应力大于屈服强度时，点蚀坑为倒三棱锥形貌，可能与阳极溶解选择在三个晶粒交界处有关，说明塑性应变能使点蚀坑形貌发生了改变。这说明塑性应变能与弹性应变能影响点蚀的机理可能有差别。受力金属电化学行为的特点是由于不同变形阶段的金属化学位不同决定的，化学位的数值则决定于变形过程中形成并导致形变强化的位错亚结构。塑性变形条件下，在各种结构缺陷中位错对变形能作出了主要贡献，位错密度与塑性变形程度间的关系几乎是线性的。形变强化和位错塞积群的形成对金属的力学化学活性起着决定性的作用。塑性变形的金属局部阳极溶解电流可表示为；

其中

R'=kN_max．

式中，Δτ为材料形变强化程度;α为位错密度;n为塞积群中的位错数;k为玻耳兹曼常数;Nmax为单位体积内的最大位错数。当电位偏离平衡电位足够远时，忽略珎I值，此时变形引起的阳极电流增量为

因此，在形变强化阶段塑性变形时，随着位错在障碍前形成的平面塞积群数量的增加，位错周围局部平衡电位降低，使金属阳极溶解过程加速，阴极反应同样被加速，所以塑性变形阶段力学化学效应比弹性应变阶段增长显著。总之，力学作用，无论是压缩还是拉伸，在一定条件下，都将导致金属腐蚀速度的加速，但不同形变阶段金属力学化学活性存在一定的差别。弹性应变对金属腐蚀溶解过程产生作用，但是否影响阴极过程目前的认识上仍然存在不同的看法;塑性应变对金属腐蚀过程的影响由于形变强化和位错塞积群的形成对金属的力学化学活性起着决定性的作用，目前统一认为对阴/阳极过程均有促进作用。

总之，当压应力小于材料屈服强度的一半时，材料腐蚀不明显;当压应力大于材料屈服强度的一半以后，材料腐蚀速率快速增加。建议石油套管与油管特殊螺纹接头密封面及扭矩台肩压应力设计值不应超过材料屈服强度的一半。

参考文献：

［1］吕新，特殊螺纹接头油管腐蚀原因分析．2019.

［2］赵国萍，压应力对特殊螺纹套管材料腐蚀的影响分析.2019.