雙相鋼石油管材耐腐蝕性能的對比與選擇
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摘 要：本文介紹了雙相鋼及其臺耐蝕合金的主要腐蝕形式，列出了適用于H2S/CO2腐蝕環境的油井管材質，對雙相鋼及其他耐蝕合金腐蝕性能進行比較，重點對NKK，SM選材指南進行了對比，指出各廠家選材指南存在的問題。
關鍵詞：雙相鋼；腐蝕性能；管材選材
金屬的腐蝕可分為物理與化學腐蝕，化學腐蝕指在介質中直接發生的化學作用，金屬構成陰極發生還原反應為電化學腐蝕。金屬物理溶解為物理腐蝕，工程實際中的金屬腐蝕大多為電化學腐蝕。在某種介質中可能因化學穩定性低發生腐蝕。耐蝕合金的主要腐蝕形式有均勻腐蝕，晶間腐蝕等。
1 金屬腐蝕介紹
金屬材料受周圍介質的作用損壞為金屬腐蝕。金屬銹蝕時，在金屬的界面上發生了化學或電化學多相反應，顯著降低金屬材料的強度，韌性等力學性能。惡化電學與光學等物理性能?？赡茉斐苫馂牡仁鹿?。均勻腐蝕指接觸腐蝕介質的金屬表面全部產生腐蝕現象，空氣，水與熱是其影響因素。均勻腐蝕使金屬截面減少，達到材料的斷裂強度后發生斷裂。晶間腐蝕局部性是顯微尺度的，晶間腐蝕集中發生金屬顯微組織晶界，受腐蝕嚴重的金屬形成粉末，是危害性很大的腐蝕破壞。點腐蝕指在金屬材料表面發生高度的局部腐蝕，常見蝕點深度大于表面孔徑，嚴重的形成穿孔。點腐蝕是金屬表面局部鈍化膜被腐蝕破壞。從外向內深入發展，點腐蝕是不銹鋼常見的腐蝕破壞類型。應力腐蝕指金屬在特定環境與相應水平應力作用下發生與腐蝕有關的斷裂，特定環境指只有介質成分與濃度范圍適當，才能導致金屬腐蝕?？p隙腐蝕指金屬構件縫隙處發生點狀的宏觀蝕坑，縫隙腐蝕主要是介質的電化學不均勻引起，通常發生在螺釘連接的接縫中。部分奧氏體型不銹鋼在海水中有不同程度的縫隙腐蝕傾向。改變介質成分可成為防止裂縫腐蝕的重要措施。
2 耐蝕合金蝕性能比較
適用于含H2S/CO2腐蝕環境的油井管包括低Cr管，馬氏體不銹鋼，雙相不銹鋼，Ni基合金。低Cr鋼有ICr，5Cr。雙相不銹鋼有2205與2507，馬氏體不銹鋼有13Cr，超級13Cr-1，超級13Cr-2.NI基合金有028，825，G-3。低Cr鋼抗CO2全面腐蝕能力較好，抗Cr應力腐蝕良好，可在腐蝕因素較緩和的環境下使用，使用壽命在5年內。馬氏體不銹鋼抗CO2全面腐蝕能力佳，超級13Cr抗腐蝕能力良好，抗H2O應力腐蝕能力差?？蒆2S分壓很低的腐蝕環境下使用。雙向不銹鋼抗CO2全面腐蝕性能佳，抗Cr應力腐蝕性能良好?？稍贑O2分壓較高的腐蝕環境下使用。Ni基合金抗CO2全面腐蝕能力強，抗Cr應力腐蝕性高，可在CO2分壓與H2S分壓高的腐蝕環境下使用。Ni基合金G-3的耐高溫腐蝕性更好。有優勢。CO2分壓是影響腐蝕速率的主要因素，目前對發生CO2腐蝕的臨界PCO2值未達成共識，氣井中，PCO2>0.2MPa時發生腐蝕，PCO2<0.02MPa時腐蝕可忽略不計。PCO2在0.02-0.2MPa之間可能發生腐蝕。低硫油井與凝析氣井中，PCO2高于0.1MPa為腐蝕環境，PCO2<0.05MPa時表明不存在腐蝕環境。PCO2在0.05-0.1MPa時可能為腐蝕環境。工程中將PCO2=0.02MPa確定為發生CO2腐蝕的臨界值。13Cr廣泛應用于抗CO2腐蝕，輕微的腐蝕或與緩蝕配合使用，可采用5Cr等含鉻較低的鋼。雙相不銹鋼具有良好的抗CO2腐蝕性能。13Cr的臨界使用溫度為150℃，超級13Cr含有Ni元素。臨界溫度為175℃。
3 選材指南存在的問題
13Cr無抗SSC/SCC的能力，存在少量H2S環境中。超級13Cr有一定的抗SSC/SCC能力。有H2S存在工況條件下，雙向不銹鋼較馬氏體不銹鋼更具優勢。有Cl-及其含量較高情況下，建議使用22Cr等。井況嚴酷，含有H2S等介質，必須使用Fe-Ni基，Fe-Ni基只有一個奧氏體相，添加的基本合金元素Cr等，決定抗腐蝕性能。Fe-Ni基金屬對腐蝕行為的影響，對低pH值的酸性環境Mo有效，H2S高溫+高Cr同時存在，對合金元素最低要求Cr>20%，Mo>3%，用于石油管材的鐵鎳基有多種，目前常用的油井管鐵鎳基合金鋼有Alloy 028，Alloy825，AlloyG3，Alloy 050，Alloy C-276。
4 結語
JFE選材指南存在方案保守，未考慮低碳Cr-Mo鋼抗H2S的鋼種選擇問題。雙相鋼只能在H2S分壓0.003-0.001MPa溫度<250℃的范圍內使用。雙相鋼可通過NACETM-0177標準A法A溶液的SSC實驗不開裂。超級Cr可以在H2S分壓<0.05atm的范圍內使用，兩類馬氏體不銹鋼只適用于CO2分壓>0.02的工況環境。指南未考慮不同Cl-濃度對點蝕的選材的影響。NKK選材指南未考慮Cl-加速不用H2S分壓腐蝕的影響，未考慮13Cr馬氏體不銹鋼抗H2S的鋼種選擇問題。未考慮低碳Cr-Mo鋼抗H2S的鋼種選擇問題。雙相鋼只能在H2S分壓有限范圍內使用。雙相鋼通過熱處理嚴格控制o相析出，在150℃高溫通過SCC實驗不開裂。VM選材指南存在方案不全面，未考慮CO2分壓的腐蝕作用。未考慮普通抗硫鋼種的選擇問題。對普通13Cr與超級Cr等馬氏體不銹鋼適用范圍沒有區分，基本說明馬氏體不銹鋼只適用于CO2分壓的工況環境。提出了28Cr的VM28不銹鋼，適用范圍>22Cr雙相不銹鋼。雙相鋼通過熱處理嚴格控制o相析出，可通過A溶液的SSC試壓不開裂。
參考文獻：
[1]楊亞輝.雙相不銹鋼換熱器材料選用及焊接技術[J].金屬加工（熱加工），2016（16）：71-74.
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