铁镍基合金925在含硫、H2S和CO2盐溶液中的腐蚀行为
2019-05-21 10:14:08 作者:王春光 来源:《机械工程材料》 分享至:

腐蚀防护的大考验

 
近年来,我国不断发现高含H2S/CO2的油气田。H2S和水共存时,不仅会导致金属管材的腐蚀减薄,还会引起应力腐蚀造成管材的脆性断裂,这种脆性断裂一般具有突发性和灾难性。

解决方案国外研究和应用实践表明,使用镍基耐蚀合金是解决高含H2S/CO2油气田金属管材腐蚀问题的一种安全且相对经济的办法。

铁镍基合金925的“优”与“忧”

铁镍基合金925是一种以镍、铬、铁元素为主,加入少量钼、铜、钛和铝元素的耐腐蚀合金,由于其具有优异的抗硫化物应力腐蚀开裂性能,常用于制造井下和地表气井管、阀门、悬吊管、钻具接头和封隔器等关键部件。虽然铁镍基合金925的耐腐蚀性能优异,但是在一定的苛刻环境下,尤其是含单质硫溶液温度超过单质硫熔点的情况下,其耐高温高压腐蚀性还是备受考验。

因此,本文将研究其腐蚀行为,为该合金在高温高压环境下的使用提供试验数据。

试样制备与试验方法
 
试验材料:铁镍基合金925(该合金经真空感应熔炼、电渣重熔和锻造后,进行了固溶和时效处理。)
 
抗拉强度:1210MPa
 
屈服强度:870 MPa
 
断后伸长率:27%断面
 
收缩率:35%
 
硬度:37HRC
 
化学成分:见表1。
 
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试验方法
 
将925合金表面用砂纸逐级打磨至800#,经抛光、丙酮除脂、去离子水清洗后,放置在干燥器中备用。在925合金上截取尺寸为50mm×10mm×3mm的矩形挂片试样,在其一端开?7mm的孔,用环状T型电绝缘陶瓷垫片进行隔离,装配在试样架上进行均匀腐蚀试验。弯梁应力腐蚀试样的尺寸为115mm×15mm×2.25mm,根据GB/T 15970.2-2000,采用四点加载方式进行应力加载,试样加载触点均采用石英棒,应力σ等于试验合金屈服强度(870MPa)的75%,加载过程如图1所示。
 
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图中,t为试样厚度,2.24~2.25mm;y为外支点的最大挠度,1.44mm;H为外支点间的距离,65mm;A为内外支点间的距离,15mm;h为内支点间的距离,35mm;E为试验合金弹性模量,199GPa。

应力加载计算公式见式(1)。

σ=12Ety/(3H2 -4A2) (1)
 
取3.5L质量分数为15%的NaCl溶液,加入3.5g单质硫,混合均匀后缓缓倒入高压釜中,将准备好的试样通过试样支架固定在高压釜釜盖下面,封闭高压釜釜盖。试验温度为(150±1)℃,用N2除氧6h,然后利用增压泵将气瓶内的H2S充入高压釜,12h平衡后增至总压力为1.38MPa,再充CO2,平衡后保证CO2分压为0.69MPa。均匀腐蚀试验时间为360h,应力腐蚀试验时间为1080h。腐蚀试验结束后,采用EPMA-1720型电子探针观察试样的表面形貌并进行成分分析,利用OHAUS/CP214型电子分析天平测腐蚀质量损失,并计算腐蚀速率。

试验结果与讨论
 
1均匀腐蚀行为
 
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由图2可以明显看出,在150℃含单质硫、H2S、CO2的NaCl溶液中浸泡360h后,试样均在悬挂开孔一侧存在局部腐蚀坑,除了有一个试样的腐蚀最为严重,其他三个试样的腐蚀程度大致相近。
 
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由图3可以看出,试样表面发生腐蚀的区域呈泥浆裂痕状。通过电子探针定性分析可知,试样表面局部腐蚀区的化学成分主要为镍、铁、铬和少量的氧、硫、钼、铜、钛,部分区域甚至没有硫元素。综合多篇文献所述,可以推断925合金的局部腐蚀并非歧化反应生成的H2S的作用,应该是合金元素与高温硫进行直接或间接反应而导致的。
 
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由表2可知,925合金的腐蚀速率不小于0.37mm·a-1,结合图2分析可知,该合金不适合在试验所设置的腐蚀环境中服役,主要原因是高温环境中单质硫的存在。

2应力腐蚀行为
 
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由图4可以看出,在150℃含硫、H2S和CO2盐溶液中应力腐蚀1080h后,试样表面均有不同程度的腐蚀坑,腐蚀坑没有明显的位置取向,通过显微镜放大观察没有发现应力腐蚀裂纹;应力腐蚀1080h后腐蚀坑的深度和均匀腐蚀360h后的相当,推断腐蚀坑可能在试验开始后的360h内已经形成。
 
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由图5可以看出,应力腐蚀后,试样表面的腐蚀坑呈泥浆干裂状,与典型的硫腐蚀形貌一致。通过对表面产物进行定量分析,发现其中含量最多的为氧,质量分数(下同)为30%~45%,其次为铬,为35%~55%,镍、铁含量均较低,为1%~5%,钼含量比基体高,为3%~6%。大量氧元素的存在说明有大量的H2O或OH-离子参与了腐蚀反应,而镍、铁含量较低说明和硫反应的合金元素主要为铁和镍。

结论
 
(1)在150℃含硫、H2S、CO2的盐溶液中均匀腐蚀360h后,铁镍基合金925表面发生明显的局部腐蚀,存在局部腐蚀坑,腐蚀速率约0.37 mm·a-1;腐蚀产物主要由铁、镍和硫组成,单质硫的加入是合金发生局部腐蚀的主要原因。

(2)在150℃含硫、H2S、CO2盐溶液中应力腐蚀1080h后,铁镍基合金925表面存在明显的腐蚀坑,腐蚀坑深度和均匀腐蚀360h后的相当,表面无应力腐蚀裂纹存在,其腐蚀形貌与典型的硫腐蚀形貌一致;腐蚀产物中存在大量氧元素,说明有大量的H2O或OH-离子参与了腐蚀反应。
 
 
 
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