L80-13Cr,油井管的研制及耐腐蚀性能研究
时间：2022-12-03 17:25:03 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
宋江波，米永峰，姜海龙，姚晓乐，刘玉荣，郭智韬，张学颖
（内蒙古包钢钢联股份有限公司，内蒙古 包头 014010）
CO2腐蚀是油气田的主要腐蚀类型之一，也是我国石油工业发展过程中一个非常突出的问题。在CO2湿润的环境下，钢的腐蚀速率非常大，添加Cr元素可改进钢的耐腐蚀性能，随着Cr 含量的增加腐蚀速率降低。13Cr 高强度马氏体不锈钢管作为油井管已广泛用于这种恶劣环境。L80-13Cr 钢管与碳素钢管相比，腐蚀速率大幅度降低，可不使用防腐剂。L80-13Cr 钢管由于可以抗CO2腐蚀并能减少污染，其需求量正在迅速增加［1-2］。
L80-13Cr 是一种相当于21Cr13 的马氏体不锈钢，一般使用在潮湿、含一定浓度的CO2及温度小于150 ℃的环境中［3-4］。近几年，随着高腐蚀油井的不断增加，不锈钢无缝钢管的需求量日益增加。从生产成本方面考虑，L80-13Cr 马氏体不锈钢油井管在腐蚀环境下，比在碳素钢油井管上涂阻化剂进行防腐的费用低得多，因此L80-13Cr 马氏体不锈钢油井管有很好的发展前景。内蒙古包钢钢联股份有限公司钢管公司（简称包钢钢管）经过研究试制，成功生产出耐腐蚀性能良好的L80-13Cr 油井管。
L80-13Cr 钢级套管的化学成分和性能要满足API Spec 5CT—2018《套管和油管规范》要求，化学成分和力学性能要求见表1~2。API Spec 5CT—2018 标准中规定伸长率和冲击功的值均与钢管的规格和壁厚尺寸有关。
表1 L80-13Cr 钢级套管化学成分（质量分数）要求 %
表2 L80-13Cr 钢级套管力学性能要求
有研究显示13Cr 合金钢的变形抗力达到60 MPa，是轧制碳素钢的1.5 倍［5］。因为通常变形抗力是随着温度的提高而降低的，所以都希望把管坯的加热温度提得更高些，以确保轧制过程的稳定性。根据Fe-C-Cr 三元合金相图，13Cr 合金钢在1 280 ℃以上时，析出δ 铁素体，产生晶界熔化引起变形抗力明显降低，在轧制过程中容易产生内表面缺陷，这种在高温下形成的δ 铁素体组织将严重影响马氏体不锈钢的冲击性能和塑性。一旦基体中形成这种组织，后续无法通过热处理的方式消除，使得材料报废。而加热温度过低，又容易造成咬入困难或尾端轧卡的情况［6-9］。
2.1 轧制温度设定
采用高温塑性试验检测材料在变形温度范围的变形能力，确定轧制温度范围。试验在MMS-200热力模拟试验机上进行，每隔25 ℃取一个预定的变形温度，在该温度下保持2 min 进行拉伸试验，拉断后空冷，钢的高温热塑性用断面收缩率评定。高温拉伸试验结果如图1 所示。
图1 高温拉伸试验结果
由试验结果看，13Cr 合金钢的断面收缩率均在60%以上，说明L80-13Cr 高温变形性能较好，尤其在975～1 225 ℃温度塑性较高，当温度超过1 275 ℃塑性降低较多，因此轧制温度不宜过高。考虑到圆坯穿孔后由于变形会造成坯料温度升高，设定圆坯开轧温度1 220 ℃。
包钢钢管采用环形加热炉对管坯进行加热，坯料在炉内三面加热，热效率高。由于钢种为高合金钢，低温预热区温度不宜高，应降低加热速度，延长加热时间避免产生裂纹，对流区炉温降至750 ℃以下，预热一区降至780 ℃以下，与碳钢坯相比，低温段采用较低的升温速度，适当增加保温时间，保证管坯加热均匀。
2.2 轧制工艺研究
据统计，轧制13Cr 合金无缝管时，钢管的内外表面缺陷较轧制碳素钢时高出10 倍左右，这主要是因为合金钢不易变形，内外表面很容易产生缺陷。生产中，轧制工具寿命明显缩短，而且轧制工具导盘和顶头容易黏钢、磨损，造成一部分内外表面缺陷的产生，缺陷率很高，因此轧制时导盘需磨光后涂抹涂料、顶头磨光后涂抹高温玻璃粉，以减少缺陷的产生。
为降低轧制力，生产时增大穿孔机、连轧管机主机安全系数，降低穿孔机轧机转速，减小咬入角，严格控制穿孔及轧制节奏，穿孔机咬入管坯温度控制在1 100~1 120 ℃，轧制节奏控制在60 s 为宜，视轧制情况适当放慢辊速，经常检查穿孔工具表面状态是否正常，不符合要求时及时更换。工艺优化后，轧制产生的内外表面缺陷明显降低［10-12］。
2.3 热处理工艺研究
13Cr 是一种具有二次硬化效应的高合金钢，必须采用高温回火来获得高强度、高耐磨性。13Cr钢的奥氏体化开始转变温度Ac1是820 ℃，转变终了温度Ac3是950 ℃。具体调质工艺为：950～1 000℃淬火，650～750 ℃回火［13-15］。热处理后力学性能检验结果见表3。
表3 热处理后力学性能检验结果
从检验结果看出，钢种通过热处理性能完全满足标准要求。热处理后金相组织如图2 所示。从金相检验结果看回火组织为均匀的回火索氏体组织，从而得到良好的综合机械性能，有较高的强度、良好的塑性和韧性。
图2 热处理后金相组织
2.4 材料特性研究
L80-13Cr 油井管主要用于温度在150 ℃以下的环境，因此对50～200 ℃的高温拉伸性能进行了检验，高温拉伸性能检验结果如图3 所示。随着温度升高，材料屈服强度变化不大，在543~564 MPa；
抗拉强度有小幅度的降低；
200 ℃时屈服强度相对于室温下降了5%，抗拉强度下降了13%。
图3 高温拉伸性能检验结果
对材料的低温冲击韧性进行了检验，具体结果如图4 所示，从低温冲击检验结果看出此钢种随着温度由0 ℃降低到-20 ℃时冲击值变化不大，到-40 ℃时冲击值降到0 ℃的一半左右，说明材料的低温韧性良好。
图4 低温冲击检验结果
3.1 试验方案
L80-13Cr 油井管应用于含CO2腐蚀介质的油田工况。为了对L80-13Cr 油井管进行抗CO2腐蚀性能检测及评价，依据国内塔里木油田井下实际腐蚀工况条件制定腐蚀试验方案。
3.2 腐蚀失重试验
在不同温度、分压、流速和相同Cl-浓度条件下对L80-13Cr、N80Q（钢种为34Mn6）进行评价，检验两个钢种在相同环境下的腐蚀情况，具体试验条件见表4。每次试验结束后，测量计算材料的平均腐蚀速率和点蚀速率，模拟工况浸泡腐蚀试验后样品照片如图5 所示。
表4 L80-13Cr 腐蚀失重试验条件
图5 模拟工况浸泡腐蚀试验后样品照片
3.3 检验结果
L80-13Cr 和N80Q 两种材料在5 种不同工况下的均匀腐蚀速率检验结果见表5，变化规律如图6 所示。由图6 可见，N80Q 材料在液相中腐蚀速率较高，气相中腐蚀速率较低；
L80-13Cr 材料在气相和液相中的腐蚀速率均较低。腐蚀速率整体趋势：N80Q 液相∧N80Q 气相∧L80-13Cr 液相∧L80-13Cr 气相。60 ℃时，当CO2分压从1.0 MPa 升高到1.5 MPa，两种材料的腐蚀速率变化较小；
100℃时，随着CO2分压升高，两种材料腐蚀速率均呈增大趋势。当温度从60 ℃升高到100 ℃，液相中，N80Q 材料腐蚀速率显著下降，L80-13Cr 材料腐蚀速率也有所降低；
气相中，两种材料腐蚀速率均有轻微增加。
表5 各试验条件下模拟工况腐蚀检验结果
图6 5 种不同工况下材料的腐蚀速率变化规律
依据NACE RP 0775—2005《油田生产中腐蚀挂片的准备和安装以及试验数据的分析》标准对腐蚀程度的分类可知，在5 种试验条件下，L80-13Cr 均发生轻微腐蚀；
N80Q 在液相中发生极严重腐蚀，在气相中发生中度腐蚀。
（1） 从室温到200 ℃，L80-13Cr 油井管随着温度升高强度变化不大，200 ℃时屈服强度相对于室温下降了5%，抗拉强度下降了13%；
随着温度由0 ℃降低到-20 ℃时冲击值变化不大，可以满足一般工况使用要求。
（2） L80-13Cr 油井管在950～1 225 ℃温度塑性较高，当温度超过1 275 ℃塑性降低较大，因此轧制温度不宜过高。根据热模拟试验结果，降低开轧温度，且控制在1 240 ℃以下，轧制后无缝管表面质量良好。
（3） 包钢钢管生产的L80-13Cr 油井管的热处理性能指标完全满足标准要求，且韧性较高。
（4） 依据国内塔里木油田井下实际腐蚀工况条件进行耐CO2腐蚀试验，L80-13Cr 材料在5 种试验条件下均发生轻微腐蚀，具有较好耐蚀性。
猜你喜欢 油井热处理速率 关于召开“第20届北京国际热处理展览会”的通知金属热处理(2022年2期)2022-11-16“热处理温度测量培训班”改期通知金属热处理(2022年7期)2022-11-162022年中国机械工程学会热处理分会活动计划金属热处理(2022年1期)2022-03-15捞油井捞油周期优化与捞油管理研究科技研究·理论版(2021年16期)2021-03-07油井遭袭廉政瞭望(2020年23期)2021-01-16探析热处理设备现状及节能环保技术运用展望装饰装修天地(2018年12期)2018-07-09反复见水井的治理措施商情(2017年28期)2017-09-04盘点高考化学反应速率与化学平衡三大考点中学化学(2016年10期)2017-01-07化学反应速率与化学平衡考点分析中学化学(2015年8期)2015-12-29通过提高心理速率改善记忆祝您健康(1985年1期)1985-12-29
