酸性溶液中抽油桿用9Cr鋼與20CrMo鋼的腐蝕及力學(xué)性能對比

  隨著我國各大油田開采年限的增加、海上油氣開發(fā)以及油田高壓開采等技術(shù)的推廣,抽油桿的服役環(huán)境朝深井、強腐蝕、重油等方向發(fā)展,接觸的環(huán)境越來越惡劣。抽油桿腐蝕的主要機理包括電化學(xué)腐蝕、CO2腐蝕和H2S腐蝕等,腐蝕形態(tài)主要分為均勻腐蝕和局部腐蝕,其中局部腐蝕以腐蝕裂紋、點蝕和坑蝕為主。特別是含H2S的油井環(huán)境中,目前普遍采用20CrMo材質(zhì)制造抽油桿,但由于無法達到超高強度和高耐蝕性的需求,斷裂事故不斷發(fā)生,嚴重影響了原油產(chǎn)量,增加了修井費用,提高了采油成本。

  Cr是一種提高鋼的耐酸腐蝕和耐氯鹽腐蝕的較廉價的合金元素。科研人員通過降低C、Mn、S、P含量,大幅度增加Cr元素含量,以探索開發(fā)一種低C高Cr超高強度耐腐蝕的抽油桿用鋼—9Cr鋼。針對現(xiàn)有高強度和新型超高強度抽油桿在H2S環(huán)境中耐蝕性研究的不足,通過在酸性溶液中的全浸試驗和慢應(yīng)變速率拉伸試驗,對常用20CrMo和新型9Cr鋼兩種抽油桿材料的抗H2S腐蝕開裂性能進行了表征和對比。

  設(shè)計了一種新型的抽油桿用鋼0.08C-9Cr(以下簡稱9Cr鋼),采用真空感應(yīng)冶煉,鑄坯經(jīng)1200℃保溫1h后鍛造成Φ25.4mm的圓棒,終鍛溫度900℃,鍛后空冷至室溫。對比材料為GB/T26075-2010標準D級抽油桿用20CrMo鋼,直接從抽油桿成品中取樣。

  9Cr鋼圓棒熱處理工藝:加熱至860℃保溫20min,然后空冷至室溫,200℃回火1h后空冷至室溫。20CrMo鋼的熱處理工藝為880℃淬火加500℃高溫回火。對比試驗得出如下結(jié)論:

  (1)NACE溶液浸泡試驗及擬合結(jié)果表明,9Cr鋼的耐蝕性明顯好于20CrMo鋼。9Cr鋼在整個浸泡試驗階段腐蝕速率保持穩(wěn)定。20CrMo鋼浸泡初期的腐蝕速率與9Cr鋼相當(dāng),隨著浸泡時間的延長,腐蝕速率不斷增加,明顯高于9Cr鋼。
  (2)在H2S環(huán)境溶液中的慢應(yīng)變速率拉伸試驗結(jié)果表明,9Cr鋼的抗拉強度和拉斷時間都高于20CrMo鋼,但其斷面收縮率顯著小于20CrMo鋼。9Cr鋼的抗硫化氫應(yīng)力腐蝕開裂性能較差,其主要原因是采用低溫回火,強度更高。