P110油管钢在模拟环空液中的应力腐蚀开裂机理与监测方法研究

摘要

应力腐蚀开裂(SCC)是近几年来油气田关注的重大问题，随着CO2驱三次采油技术的推广，井下管柱遭受了严重的CO2腐蚀，严重阻碍了油田的安全生产。如果能通过无损监测技术实现SCC的早期诊断，则可以大大降低油套管和抽油杆断裂导致的安全事故。因此，开展油管钢SCC行为的早期诊断技术研究，对油气田的安全生产具有重大意义。 本文首先通过慢应变速率拉伸实验(SSRT)研究了不同应变速率下P110油管钢的SCC敏感性，结果发现：应变速率为1×10-6s-1和2×10-6s-1时，P110钢的SCC敏感性最大，为了缩短实验周期，选用了2×10-6s-1的应变速率进行SSRT。 然后结合电化学噪声(ECN)、扫描电镜(SEM)与电化学阻抗(EIS)等方法，研究了P110高强油管钢在模拟井下环空溶液中的应力腐蚀开裂行为，并探讨了CO2对裂纹萌生和扩展过程的影响。根据电化学噪声谱的特征参数(如积分电量、峰寿命、峰幅值等)，来区分不同的腐蚀过程。结果表明：寿命短(3~5s)、幅值低(0.01~1μA)的电流噪声峰代表点蚀事件，寿命长(＞30s)和幅值高(＞1μA)的噪声峰表示裂纹生长事件。在弹性形变阶段，拉伸试样表面处于钝化状态，电流电位无明显波动；屈服阶段前期，电流与电位噪声信号均以亚稳态点蚀峰为主，而且随着溶液中CO2浓度的增加，亚稳态点蚀的形核速率逐渐增加；在屈服阶段后期，由于拉应力和Cl-的共同作用，点蚀逐渐转变成裂纹，此时ECN谱上出现明显的裂纹特征峰，峰的寿命、幅值、积分电量等参数随着CO2浓度的增加而增大；硬化阶段拉应力不断增加促使裂纹继续生长，由于裂尖快速活性溶解，裂纹噪声峰减少甚至消失；最后，颈缩阶段整个拉伸试样处于均匀腐蚀状态，电位与电流噪声曲线上均表现为低幅值的高频波动，ECN谱上没有明显暂态峰。P110钢SCC敏感性的增加主要是由于CO2的加入降低了溶液的pH值，这不仅加速了裂纹尖端的阳极溶解也延长了裂纹的扩展期。 考虑到环空溶液中硫酸盐还原细菌(SRB)可将SO42-还原成S2-，可能给井下管柱带来硫化物应力腐蚀开裂(SSCC)的危险，本文还研究了溶液中S2-对P110钢SCC行为的影响。结果发现：S2-的加入加速了P110钢拉伸试样表面钝化膜的破裂，并显著缩短了亚稳态点蚀向稳态点蚀转变的时间，促使拉伸试样表面出现较大尺寸的蚀坑，这些蚀坑在拉应力作用下可以转变为裂纹萌生源。其SCC机制是阳极溶解为主、氢致开裂为辅的混合机制。

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