L80-9Cr耐腐蚀油井管用钢基础特性研究

2020-04-26石晓霞任慧平

钢管 2020年1期

石晓霞，任慧平，李晓，张昭，詹飞

（1.内蒙古科技大学，内蒙古包头 014010；2.内蒙古包钢钢联股份有限公司，内蒙古包头 014010）

随着油气田开发井下腐蚀工况越来越复杂，石化开采与运输领域对油、套管等材料的耐腐蚀性要求越来越高［1］，油套管在含 CO2、H2S、Cl-等多种腐蚀介质的井下高温高压多相环境中服役时，若不采取相应的防护措施，往往容易发生腐蚀穿孔，导致管柱断落井下，造成巨大经济损失［2］。目前国内外公认腐蚀防护措施主要有三种，即添加缓蚀剂、使用防腐内涂层及使用耐蚀合金［3-6］。然而缓蚀剂及内防腐涂层不能完全达到工程预期效果，需配合使用耐蚀合金材料，另外缓蚀剂在高温高压环境下易分解变性［7-8］。L80-9Cr油井管作为 API Spec 5CT—2018《套管和油管规范》钢级，属于耐腐蚀油井管范畴，是内蒙古包钢钢联股份有限公司（简称包钢）目前尚未开展研究及生产试制的产品，通过对L80-9Cr耐腐蚀油井管用钢08Cr9MoVRE轧态性能及组织、热处理态性能、高温力学性能及耐蚀性能检验结果分析研究，可为包钢L80-9Cr油井管的试制及批量化生产奠定基础。

1 技术要求

API Spec 5CT—2018标准要求L80-9Cr油井管用钢必须进行晶粒细化处理，应含有一种或多种晶粒细化元素，如一定量的铝、铌、钒或钛，其化学成分要求见表1，热处理工艺要求调质处理回火温度不低于593℃，热处理后力学性能要求见表2。

表1 L80-9Cr油井管用钢化学成分（质量分数）要求 %

表2 L80-9Cr油井管热处理后力学性能要求

2 试验材料及方法

设计钢种小炉冶炼，原料采用低磷低硫20钢+纯铁+合金，冶炼设备为100 kg中频感应熔炼炉。在感应炉内加入20钢及纯铁，待20钢及纯铁彻底熔化后，相继加入Mo、V、Cr、Mn、Si等合金，稀土镧铈合金在出钢前1 min加入，然后将钢液注入钢锭模中。冷却脱模后，采用50 mm热轧试验机进行轧制，开轧温度为1 260℃，终轧温度为955℃，轧制成20 mm厚板样备用。切取规格为50 mm×20 mm×230 mm条状试样6块（其中1块加工成轧态试样，5块进行热处理［9］），拉伸试样为圆棒拉伸试样，冲击试样为V型纵向全尺寸试样，具体试样加工尺寸及检验方法执行API Spec 5CT—2018标准。另外，轧态板样上切取高温力学试样，筛选热处理后性能满足技术要求的试样加工成挂片腐蚀试样。高温力学性能采用热模拟试验机进行检验，挂片腐蚀试验采用高温高压釜模拟腐蚀。

3 试验钢基础特性研究

3.1 轧态组织及性能检测结果与分析

08Cr9MoVRE试验钢轧态拉伸性能检测结果见表3，轧态硬度与冲击性能见表4，金相显微组织如图1所示，冲击断口形貌如图2所示，夹杂物形貌如图3所示。

表3 08Cr9MoVRE试验钢轧态拉伸性能

表4 08Cr9MoVRE试验钢轧态硬度及纵向冲击功

图1 08Cr9MoVRE试验钢轧态的金相组织

图2 08Cr9MoVRE试验钢轧态的断口宏观及微观形貌

从拉伸性能检验结果看出，试验钢08Cr9Mo-VRE强度较高，伸长率与断面收缩率非常低，材料在常温状态下，塑性较差，因此不利于冷变形。从硬度及冲击性能检测结果来看，硬度在37 HRC左右，机加工有一定困难，冲击韧性在40 J左右，贴近L80-9Cr技术要求下限。从不同放大倍数条件下的试验钢08Cr9MoVRE金相组织可以看出，试验钢轧态组织为板条状马氏体。

图3 08Cr9MoVRE试验钢轧态的夹杂物形貌及能谱分析

对08Cr9MoVRE试验钢轧态试样冲击断口形貌进行分析，形貌为脆性断裂，宏观形貌显示呈“河流花样”的解理片，解理片周围存在大量的韧带，这些韧带的存在，使得试验钢冲击功在40 J左右。“河流”上游，即裂纹源区，许多小台阶汇合成较大的台阶；“河流”下游，也即裂纹扩展区，大台阶逐渐汇聚成更大的台阶。

从夹杂物分布及形貌可以看出，夹杂物数量较少，表明钢质洁净，夹杂物尺寸不大于10 μm，夹杂物细小，呈球形，镶嵌于基体中，对试验钢不利影响十分有限，通过能谱分析夹杂物主要成分有硫化锰、稀土氧硫化物，属于稀土复合夹杂。

3.2 热处理后力学性能及组织检测结果分析

试验钢的奥氏体化开始转变温度Ac1为800℃，奥氏体化转变终了温度Ac3为865℃，对于高合金低碳钢，淬火温度应为Ac3+100～150℃，淬火温度设定为980℃，热处理工艺见表5，热处理后的拉伸性能及硬度和冲击功检测结果见表6～7。

表5 试验钢热处理工艺

表6 试验钢热处理后拉伸性能测试结果

表7 试验钢热处理后硬度和冲击功检测结果

08Cr9MoVRE试验钢屈服强度、抗拉强度、硬度随着回火温度升高而降低，伸长率、断面收缩率及冲击功随回火温度升高而增加，断面收缩率均大于60%，试验钢在620～780℃温度范围内回火，均获得良好的塑性。从检测结果可以看出，回火温度增加160℃，强度仅降低250 MPa左右，这主要是由于材料含有大量的钼、钒等回火稳定性元素。淬火温度为980℃，保温60 min，回火温度为720～780℃保温90 min，各项性能指标满足L80-9Cr试验钢设计及标准技术要求。

3.3 高温力学性能检测及分析

对08Cr9MoVRE试验钢高温拉伸性能进行测试，试验温度对高温拉伸性能的影响如图4所示。

图4 08Cr9MoVRE试验钢试验温度对高温拉伸性能的影响

Z=60%为门槛划分钢的高塑性区和低塑性区［5］，由图4可知，800～1 275℃，08Cr9MoVRE有良好的塑性；1 225～1 250℃时，强度在26～30 MPa，强度越低，材料变形抗力越低；1 225～1 250℃时，伸长率大于17%，断面收缩率为94.3%、92.2%，材料强度最低，延展性最好，适合进行穿孔变形。

3.4 耐蚀性能检测结果及分析

腐蚀试验采用对比法，对比钢为N80Q，钢种为34Mn6，采用高温高压釜模拟腐蚀试验，腐蚀模拟溶液矿物质含量见表8，腐蚀条件为pH=4，温度90℃，流速2.0 m/s，CO2分压2.0 MPa，H2S分压50 kPa，试验周期为7天，试验结果见表9，脱膜前宏观形貌如图5所示，脱膜后宏观形貌如图6所示。

表8 腐蚀模拟溶液矿物质含量mg/L

表9 高温高压釜腐蚀模拟试验结果

图5 脱膜前模拟工况腐蚀试样宏观形貌

从表9可以看出，采用08Cr9MoVRE调质的L80-9Cr平均腐蚀速率为0.046 mm/a，而采用34Mn6碳锰钢调质的N80Q平均腐蚀速率为0.470 mm/a，相差近1个数量级；从图5～6可以看出，脱膜前，08Cr9MoVRE腐蚀产物膜光滑、平整，表面是一层致密的腐蚀产物膜，而34Mn6对比钢种腐蚀产物膜非常疏松，腐蚀产物呈岛状聚集于基体表面；脱膜后试验钢08Cr9MoVRE基体表面存在点腐蚀，而34Mn6对比钢存在轻微点腐蚀，但不严重。这说明，08Cr9MoVRE试验钢倾向于点腐蚀，而34Mn6碳锰钢倾向于均匀腐蚀。采用扫描电子显微镜+X射线能谱仪对试验钢及对比钢腐蚀产物膜去膜前后微观形貌进行分析。08Cr9MoVRE试验钢腐蚀产物膜去膜前后的微观形貌如图7～8所示，能谱分析结果见表10。34Mn6对比钢腐蚀产物膜去膜前后的微观形貌如图9～10所示，能谱分析结果见表11。

图6 脱膜后模拟工况腐蚀试样宏观形貌

图7 去膜前08Cr9MoVRE试样表面腐蚀产物微观形貌

图8 去膜后08Cr9MoVRE试样表面腐蚀产物微观形貌

表10 08Cr9MoVRE试样表面腐蚀产物能谱分析结果 %

图9 去膜前34Mn6试样表面腐蚀产物微观形貌

图10 去膜后34Mn6试样表面腐蚀产物微观形貌

表11 34Mn6试样表面腐蚀产物能谱分析结果%

从图7～10和表10～11看出，08Cr9MoVRE微观形貌可见明显点蚀，且点蚀坑均匀分布在基体上，表面腐蚀产物主要包含Fe、Cr、O和S元素，Cr相对于基体明显增加，说明Cr在基体表面富集，腐蚀产物主要以硫化铁、氧化铬为主。34Mn6微观形貌呈均匀腐蚀特征，腐蚀产物膜有明显掉落的痕迹，腐蚀产物膜表面凹凸不平，有点腐蚀，但不明显，脱膜后基体表面凹凸，表面腐蚀产物主要包含Fe、O、Cl和S元素，Cl元素为腐蚀模拟溶液带入，腐蚀产物膜主要为硫化铁和氧化铁。08Cr9MoVRE腐蚀产物膜中的S含量为2.73%，而对比钢中仅为0.58%，对比钢腐蚀产物膜对基体保护作用较弱。