高鋼級油井管由于其高強高韌的性能，在石油工業(yè)中具有重要的應(yīng)用價值。但是鋼級大于P110的油井管材料的強度越高，在高含硫化氫環(huán)境中，其硫化物應(yīng)力腐蝕開裂門檻應(yīng)力值就越小。本文以高鋼級高強高韌油套管鋼110S和140V為研究對象，研究了兩種不同鋼級的高強度油井管材料在硫化氫環(huán)境下的應(yīng)力腐蝕開裂的規(guī)律和機理。通過實驗來觀察，隨著鋼級的增加，油井管材料在H2S環(huán)境下的硫化物應(yīng)力腐蝕開裂行為的變化。并通過SEM等一系列研究手段，研究高強鋼微觀組織和硫化物應(yīng)力腐蝕開裂敏感性的關(guān)系，進而期望對新型油井管的研發(fā)和油氣田開發(fā)中油井管的選材有一定的指導(dǎo)作用。

1 試驗

1.1 試驗材料

試驗材料主要有110S鋼和140V鋼兩種高鋼級高強高韌油套管。這兩種油井管生產(chǎn)中采用的熱處理方式為調(diào)質(zhì)處理，即先經(jīng)過淬火后再經(jīng)過高溫回火處理。其主要化學(xué)成分見表1所示。

1.2 試驗方法

對兩種試驗材料進行拉伸試驗和應(yīng)力環(huán)加載實驗。

按照應(yīng)力腐蝕單軸加載拉伸試樣的制備國家標準GB/T228-2002，將兩種高強鋼材料加工成標準圓柱形拉伸試樣，用拉伸機對試樣進行拉伸得到兩種材料的拉伸曲線和力學(xué)性能數(shù)值，對拉伸樣品的端口形貌進行分析。

應(yīng)力環(huán)加載應(yīng)力腐蝕實驗參照的標準是美國腐蝕工程師協(xié)會NACE TM0177-2016驗中試樣所處的腐蝕環(huán)境為NACE TM0177-2016標準中規(guī)定的NACE-A溶液，即5.0%的NaCI和0.5%的冰醋酸

(CH3COOH)溶液，配制溶液使用去離子水當溶劑。實驗時，通過尼龍通氣管往應(yīng)力環(huán)反應(yīng)盒持續(xù)通入H2S氣體，使溶液成為飽和H2S溶液，溶液pH值控制在2.6-2.8之間。

為更好的確定兩種材料在硫化氫環(huán)境下的應(yīng)力腐蝕敏感性，本實驗在不同的溫度下對兩種材料進行應(yīng)力環(huán)加載實驗，實驗溫度分別為25℃、40℃、60℃、90℃。

為保證實驗溫度的穩(wěn)定，實驗裝置被放置在在恒溫烘箱中進行實驗。

2.試驗結(jié)果與討論

2.1金相分析結(jié)果

本文實驗所使用的110S和140V的油井管的生產(chǎn)過程中都有調(diào)質(zhì)處理這一熱處理步驟，即淬火后再進行高溫回火(500~600 ℃)，冷卻后得到的室溫組織是回火索氏體。回火索氏體是馬氏體的一種回火組織，是由鐵素體與粒狀碳化物混合的復(fù)合組織，在鐵素體基體內(nèi)分布著碳化物(包括滲碳體)球粒的復(fù)合組織。此時的鐵素體中的碳元素已經(jīng)不存在過飽和，碳化物為穩(wěn)定型碳化物，在常溫下回火索氏體是一種平衡組織通過光學(xué)金相顯微鏡觀察，110S和140V的室溫微觀組織都是回火索氏體，圖1中光亮的部分是鐵素體。相比110S，140V的組織更加細小，晶界相界更多。

2.2 拉伸試驗結(jié)果

從拉伸實驗得到的兩種材料的拉伸曲線見圖2和力學(xué)性能數(shù)值見表2。110S鋼級高強鋼材料的拉伸曲線有明顯的屈服階段，有上下屈服點，而140V鋼級材料的拉伸曲線則沒有明顯上下屈服點。110S鋼級材料的斷口收縮率大于140V鋼級材料。相比110S鋼級，140V鋼級材料的屈服屈服強度、抗拉強度較高，而延伸率較小，說明隨著鋼級的增加，材料的強度越大，但韌性降低。

通過拉伸試樣的斷口形貌分析，可以評價材料的韌性高低。如果斷口呈現(xiàn)深度大、大小均勻的等軸狀的韌窩形貌，說明材料具有良好的韌性。通過對比兩種材料的韌窩形貌也能比較兩者的韌性高低。拉伸斷口相貌如圖3、圖4所示。

110S的拉伸斷口出現(xiàn)明顯的頸縮現(xiàn)象，斷口上有若干裂紋和45°的剪切面。在斷口中心的纖維區(qū)，有大量很深的等軸韌窩，在斷口邊緣的剪切區(qū)有很多較淺的韌窩，沒有出現(xiàn)拋物線狀的剪切韌窩，說明110S的韌性很好。相比較110S，140V材料的拉伸斷口上的韌窩較小且較淺，部分斷面已經(jīng)有向準解理斷裂過渡的趨勢，說明140V的韌性比110S低，脆性較大。

2.3應(yīng)力環(huán)加載實驗結(jié)果

兩種材料應(yīng)力環(huán)加載實驗完畢后，記錄每次實驗結(jié)束的時間，如果試樣斷裂，對各個試樣的斷口進行分析。實驗結(jié)果如表3，圖4為各個拉伸試樣斷裂時間對比圖。

由表3和圖4可以看出，25℃條件下，實驗進行1440小時截止時間后，110S的試樣仍然未發(fā)生斷裂，而140V的試樣在實驗進行15天的時候，發(fā)生了斷裂。在40℃條件下，110S的試樣經(jīng)過47天才斷裂，而140V的試樣在15天的時就發(fā)生了斷裂。在60℃條件下，110S和140V兩種材料的試樣分別在實驗開始25天和4天后發(fā)生斷裂。在90℃條件下，110S的試樣經(jīng)過16天發(fā)生斷裂，而140V試樣只要3天就發(fā)生斷裂。

所以可以得出在不同的溫度下，140V都比110S更容易發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂。而且隨著溫度的升高，應(yīng)力腐蝕開裂更容易發(fā)生。

從兩種材料在不同溫度下的應(yīng)力環(huán)加載實驗的結(jié)果來看(圖5)，在NACE-A環(huán)境，25 ℃條件下，110S經(jīng)過60天的實驗，未發(fā)生斷裂，而140V在15天后發(fā)生了斷裂。在其他溫度條件下，140V都要比110S的試樣用更短的時間發(fā)生了斷裂，所以它比后者具有更高的應(yīng)力腐蝕敏感性，在H2S環(huán)境下更容易發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂。

應(yīng)力環(huán)拉伸試樣斷口分析如圖6至圖9所示。

實驗結(jié)果分析：從上面的40℃、60 ℃、90℃溫度下應(yīng)力環(huán)拉伸斷口形貌上看，140V的斷口比110S有更多垂直于斷面的裂紋，說明在實驗條件下140V比110S脆性更高，說明對于140V氫脆導(dǎo)致的塑性損失更大。也說明了140V比110S的應(yīng)力腐蝕敏感性更高。在本實驗中，隨著實驗溫度的升高，材料發(fā)生斷裂的時間更短，應(yīng)力腐蝕敏感性更高。這與氫在高強鋼內(nèi)部的擴散和聚集行為隨著溫度的變化規(guī)律有關(guān)。隨著實驗溫度從25℃升高到90℃，雖然HS在溶液中的一級電離平衡常數(shù)發(fā)生降低，但變化不大，而溫度升高氫原子的熱運動更加劇烈，從而使氫原子在金屬材料表面的吸附能力下降，更容易在鋼內(nèi)部擴散。當氫擴散到金屬內(nèi)部之后，會率先被內(nèi)部的氫陷阱所捕獲，并捕獲量隨著金屬內(nèi)部的可擴散氫量的增大而逐漸增大。所以，隨著溫度的升高，高強鋼更容易發(fā)生氫脆導(dǎo)致脆性增大。

3 結(jié)論

本文通過一系列實驗手段，研究高鋼級高強高韌油井管鋼的硫化物應(yīng)力腐蝕開裂行為的規(guī)律，探究高強鋼發(fā)生硫化物應(yīng)力腐蝕開裂的機理。

(1)110S 比140V的韌性好，硫化物應(yīng)力腐蝕開裂敏感性低。高強鋼的屈服強度高，更容易發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂。屈服強度的高低和應(yīng)力敏感性的大小都和材料的微觀組織有重要的關(guān)系，當高強鋼含碳量高，第二相數(shù)量多分布細小彌散，能阻礙位錯的運動，使材料獲得更高的強度，但同時也為氫提供了更多的氫陷阱，導(dǎo)致材料更容易發(fā)生氫致開裂。

(2)對于高強鋼，硫化物應(yīng)力腐蝕開裂是通過氫脆機制和陽極溶解機制共同作用來實現(xiàn)的。氫在金屬內(nèi)部的擴散和偏聚，是發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂的重要原因。當高強鋼內(nèi)部第二相、晶界等氫陷阱較多的情況下，基體內(nèi)部可擴散氫含量高，主要通過氫脆機制導(dǎo)致韌性的下降脆性升高來實現(xiàn)腐蝕開裂。當高強鋼韌性較好，腐蝕環(huán)境比較苛刻時，腐蝕產(chǎn)物膜破裂陽極溶解導(dǎo)致應(yīng)力集中，是引起應(yīng)力腐蝕開裂的重要原因。

(3)高強鋼的硫化物應(yīng)力腐蝕開裂敏感性與其微觀組織有關(guān)系。材料的微觀組織成分同時影響了材料的宏觀力學(xué)性能和應(yīng)力腐蝕敏感性，根據(jù)材料的強化機理和應(yīng)力腐蝕開裂機理，在提高材料強度的同時增加其耐應(yīng)力腐蝕開裂的能力是艱巨的挑戰(zhàn)。

文章轉(zhuǎn)載自：中國石油和化工標準與質(zhì)量