钻杆腐蚀性能对比分析

2015-03-09郭金宝

钢管 2015年3期

赵鹏，于杰，郭金宝

（宝山钢铁股份有限公司，上海 201900）

钻杆腐蚀是钻井工程中普遍存在的问题，并随着钻井向深井/超深井、深海井、高腐蚀性井方向发展而日趋严重。在钻井作业中，为适应各种钻井工艺的需要，使用了盐水、钾基聚合物等钻井液体系，并含有多种添加剂，在井下高温高压作用下具有强烈的腐蚀性［1-3］。

目前，钻杆材质主要有油淬材质（代表钢种为36CrNiMo4）和水淬材质（代表钢种为 4130H）［4-6］。通过适当的热处理工艺，上述两类材质的常规力学性能都可以满足APISpec 5DP—2009《钻杆产品规范》对钻杆的各项要求。但上述两类材质的抗腐蚀性能如何，目前还没有系统地对比分析试验。由于钻杆遇到的腐蚀性介质主要是溶解氧、CO2和H2S等3种［7-13］；因此，本文选择36CrNiMo4与4130H两种材质钻杆进行腐蚀性能对比试验，包括氧腐蚀试验、CO2腐蚀试验、硫化物应力腐蚀试验，为进一步提高钻杆材质的使用性能提供依据。

1 材质分析

36CrNiMo4和4130H两种材质钻杆的化学成分（质量分数）见表1。两种材质相比，36CrNiMo4钻杆为Cr-Ni-Mo系合金化，4130H钻杆为Cr-Mo系合金化，而且4130H钻杆的含碳量明显偏低。

36CrNiMo4和4130H两种材质钻杆的力学性能及金相分析结果见表2。从表2可以看出：36CrNiMo4和4130H两种材质均为S钢级，强度水平基本相当。

2 腐蚀性能对比分析

2.1 氧腐蚀试验

对36CrNiMo4和4130H两种材质钻杆进行电化学腐蚀试验，测定两种材质在3.5%NaCl溶液中的动电位极化曲线。60℃下36CrNiMo4和4130H两种材质钻杆在3.5%NaCl溶液中的极化曲线如图1所示。

表1 36CrNiMo4和4130H两种材质钻杆化学成分（质量分数） %

表2 36CrNiMo4和4130H两种材质钻杆的力学性能及金相分析结果

图1 60℃下36CrNiMo4和4130H两种材质钻杆在3.5%NaCl溶液中的极化曲线

从图1可以看出：阴极极化曲线较阳极极化曲线陡，腐蚀电位接近阳极平衡电位，由电化学动力学可知两种材质在3.5%NaCl溶液中的腐蚀主要由阴极控制。阴极极化曲线随着腐蚀电流密度的增加而陡直下降，这是由于氧扩散的阻滞引起的极化不断增加，使整个阴极过程主要由氧的扩散过程所控制。

表3是36CrNiMo4和4130H两种材质钻杆在3.5%NaCl溶液中浸泡的试验结果。从表3可以看出：无论是在室温还是在60℃条件下，4130H钻杆与36CrNiMo4钻杆的氧腐蚀速率基本相同。

表3 36CrNiMo4和4130H两种材质钻杆在3.5%NaCl溶液中浸泡的试验结果

为了进一步验证表3中的结论，从油田取来盐水钻井液，采用高压釜进行氧腐蚀试验。在通入饱和氧的条件下，36CrNiMo4和4130H两种材质钻杆在盐水钻井液中的腐蚀试验结果见表4，也表明两种材质的氧腐蚀速率基本相同。

表4 36CrNiMo4和4130H两种材质钻杆在盐水钻井液中的腐蚀试验结果

通过上述对比试验可知，钻杆的溶解氧腐蚀是氧去极化腐蚀。由于钻杆的腐蚀受溶解氧的扩散所控制，因而钻杆材质对腐蚀速度基本无影响。

2.2 CO2腐蚀试验

对36CrNiMo4、4130H两种材质钻杆进行CO2腐蚀试验，测定两种材质在不同环境介质中的CO2腐蚀速率。CO2腐蚀试验溶液配比见表5。在通入饱和CO2的条件下，36CrNiMo4和4130H两种材质钻杆的CO2腐蚀试验条件及试验结果见表6，36CrNiMo4和4130H两种材质钻杆在溶液1和溶液2中的腐蚀形貌如图2所示。

表5 CO2腐蚀试验溶液配比 mg/L

表6 36CrNiMo4和4130H两种材质钻杆的CO2腐蚀试验条件及试验结果

图2 36CrNiMo4和4130H两种材质钻杆在溶液1和溶液2中的腐蚀形貌

从表6可以看出：无论是采用溶液1还是溶液2进行CO2腐蚀试验，36CrNiMo4材质钻杆的CO2腐蚀速率均低于4130H材质。其中，在溶液1腐蚀环境下，36CrNiMo4材质钻杆的腐蚀速率比4130H材质的腐蚀速率低27.4%；在溶液2腐蚀环境下，36CrNiMo4材质的腐蚀速率比4130H材质低12.1%。另外，在不同的腐蚀环境中，36CrNiMo4材质钻杆在溶液2中的腐蚀速率比在溶液1中的高出49.1%，4130H材质钻杆在溶液2中的腐蚀速率比在溶液1中的高出23.3%。由此可以看出，虽然36CrNiMo4材质中的Ni、Mo等耐腐蚀合金元素含量明显高于4130H材质，导致不同材质抗CO2腐蚀性能存在差异，但仍没有环境介质的影响大。

2.3 硫化物应力腐蚀试验

采用恒载荷法，在NACE TM 0177—2005《金属在H2S环境中抗硫化物应力开裂和应力腐蚀开裂的实验室试验方法》标准A溶液中对36CrNiMo4和4130H两种材质钻杆进行抗硫化物应力腐蚀开裂（SSC）试验。36CrNiMo4和4130H两种材质钻杆的抗SSC试验结果见表7。

表7 36CrNiMo4和4130H两种材质钻杆的抗SSC试验结果 h

从表7可以看出：两种材质钻杆因强度过高，均在很短时间内断裂，不适合在含硫环境中应用；但相比之下，36CrNiMo4材质钻杆的抗SSC性能明显低于4130H材质，而且随着加载应力水平的降低，4130H材质钻杆的抗SSC性能的优越性越来越明显。当加载应力为80%SMYS时，4130H材质钻杆的断裂时间约为36CrNiMo4材质的1.9倍；当加载应力为60%SMYS时，4130H材质钻杆的断裂时间约为36CrNiMo4材质的5.0倍。

研究表明：钢在含H2S水溶液中的腐蚀属于氢致开裂型的应力腐蚀，是阴极反应析出的氢进入钢中并富集在某些关键部位引起的［14］。当 w（Ni）≤2%、硬度∧22 HRC时，含镍钢的抗SSC性能低于不含镍钢的原因是：含镍钢的析氢过电位低，促进了阴极析氢，造成更多的氢进入钢中，使钢中可扩散氢的浓度增加，从而造成钢的抗SSC性能下降。