徐劍明,鄭璐璐,李亮,董海彬
(中國石化中原油田普光分公司采氣廠,四川達(dá)州 635000)①
試驗(yàn)材料為普光氣田常用的N80鋼級的套管材料,其化學(xué)成分和力學(xué)性能如表1所示。根據(jù)試驗(yàn)設(shè)備要求,試樣形狀如圖1所示。
表1 普光氣田N80套管鋼材料化學(xué)成分 wB%
圖1 高溫高壓釜腐蝕試樣尺寸
將試樣用水砂紙(200#、400#、600#、800#)打磨至無機(jī)械劃痕,用蒸餾水沖洗干凈,用丙酮除油,放入無水乙醇,濾紙吸干表面酒精,置于干燥箱中干燥、待用。用BP210S(Max 210g;d=0.1mg)型電子天平稱重。利用游標(biāo)卡尺測量試件尺寸:D、E、F、G、H、I,試件表面積則為
試驗(yàn)設(shè)備為帶旋轉(zhuǎn)裝置的GSHA-3型高溫高壓反應(yīng)釜,如圖2所示。
圖2 GSHA-3型高溫高壓反應(yīng)釜
正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)也稱正交設(shè)計(jì)(orthogonal design),是用來科學(xué)地設(shè)計(jì)多因素試驗(yàn)的一種方法。它利用一套規(guī)格化的正交表(orthogonal table)安排試驗(yàn),得到的試驗(yàn)結(jié)果再用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法進(jìn)行處理,使之得出科學(xué)結(jié)論。正交表是試驗(yàn)設(shè)計(jì)的基本工具,它是根據(jù)均衡分布的思想,運(yùn)用組合數(shù)學(xué)理論構(gòu)造的一種數(shù)學(xué)表格,均衡分布性是正交表的核心[3-5]。
安排的4因素3水平的試驗(yàn),編上試驗(yàn)號,列成另外一種形式,正交試驗(yàn)表L9(34)如表2??梢杂纱说玫较盗姓槐恚╫rthogonal table)。
表2 正交試驗(yàn)表L9(34)
A 因素第1個(gè)取值方差表示為
式中:y1為A 因素第1個(gè)值試驗(yàn)結(jié)果,y2為A 因素第2個(gè)值試驗(yàn)結(jié)果,y3為A因素第3個(gè)值試驗(yàn)結(jié)果。
彼有私急也,必以公義示而強(qiáng)之。其意有下也,然而不能已,說者因?yàn)橹椘涿蓝倨洳粸橐?。其心有高也,而?shí)不能及,說者為之舉其過而見其惡,而多其不行也。有欲矜以智能,則為之舉異事之同類者,多為之地,使之資說于我,而佯不知也,以資其智。欲內(nèi)相存之言,則必以美名明之,而微見其合于私利也。欲陳危害之事,則顯其毀誹,而微見其合于私患也。譽(yù)異人與同行者,規(guī)異事與同計(jì)者,有與同污者,則必以大飾其無傷也。有與同敗者,則必以明飾其無失也。彼自多其力,則毋以其難概之也。自勇之?dāng)?,則毋以其謫怒之。自智其計(jì),則毋以其敗窮之。
同理可以得到KA1′、KA2′、KA3′等其他因素的方差。根據(jù)方差即可計(jì)算極差,極差反應(yīng)了試驗(yàn)影響的主次順序。極差最大的那一列,則此因素的水平改變時(shí)對試驗(yàn)指標(biāo)的影響就最大,那個(gè)因素就是要考慮的主要因素。
腐蝕試驗(yàn)介質(zhì)用化學(xué)純分析試劑和去離子蒸餾水配置,腐蝕介質(zhì)參數(shù)如表3。根據(jù)表2配置9組不同的腐蝕試驗(yàn)介質(zhì),并注入反應(yīng)釜中。并將試驗(yàn)的套管鋼刮片置于高溫高壓反應(yīng)釜中,調(diào)節(jié)反應(yīng)釜的參數(shù),升高溫度,開始計(jì)時(shí),試驗(yàn)時(shí)間為72h。試驗(yàn)完畢之后,取出掛片,用蒸餾水沖洗干凈,濾紙吸干表面水分。取其中1個(gè)進(jìn)行表面腐蝕形貌和成分分析,其余2個(gè)用除膜液清除腐蝕產(chǎn)物膜,除膜20 min,并用橡皮擦擦拭表面,除膜后用蒸餾水沖洗干凈,放入飽和NaHCO3溶液中浸泡2min,并放入無水乙醇中脫水3 min,吹干放入干燥箱中24h,稱重,得出腐蝕后試樣的質(zhì)量。
腐蝕后用XTL-500型體視顯微鏡和SEM 觀察腐蝕形態(tài)和產(chǎn)物膜形貌,用掃面電鏡附帶的X 射線能譜儀(EDS)進(jìn)行腐蝕產(chǎn)物膜成分分析。
表3 試驗(yàn)介質(zhì)參數(shù)
正交試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。
表4 正交試驗(yàn)結(jié)果
利用式(1)~(2)計(jì)算正交試驗(yàn)方差和極差,如表5。
表5 正交試驗(yàn)方差分析結(jié)果
通過上面分析:可以看出,對套管鋼腐蝕速率影響最大因素為NaHCO3的質(zhì)量濃度,因此對其產(chǎn)物膜進(jìn)行觀察。選擇其中最小腐蝕速率組別和最大腐蝕速率組別進(jìn)行對比分析[6-8]。
由圖3可以看出:NaHCO3質(zhì)量濃度最小影響水平中的最大腐蝕速率所對試驗(yàn)組別試樣(如圖3a)只是產(chǎn)生了較小的局部腐蝕,腐蝕形態(tài)呈現(xiàn)出由一點(diǎn)向外擴(kuò)展的圓點(diǎn)發(fā)展方式,圓點(diǎn)中心比周邊腐蝕嚴(yán)重;而NaHCO3質(zhì)量濃度最大影響水平中的最小腐蝕速率所對組別試樣(如圖3b)產(chǎn)生了較嚴(yán)重的均勻腐蝕,同時(shí)附帶局部點(diǎn)蝕形態(tài),點(diǎn)蝕孔均勻地分布于整個(gè)試樣表面。可以看出,腐蝕嚴(yán)重程度隨NaHCO3質(zhì)量濃度的增加發(fā)生驟然增加的趨勢。因此,NaHCO3質(zhì)量濃度對N80套管鋼材的腐蝕速率影響最大。
圖3 腐蝕產(chǎn)物膜體視顯微鏡形貌(放大41.5倍)
根據(jù)如圖4所示的掃描電鏡形貌分析結(jié)果可以看出,試驗(yàn)1的試樣表面只有部分區(qū)域存在腐蝕產(chǎn)物膜的覆蓋情況,以及少量的產(chǎn)物膜脫落(如圖4a),腐蝕較輕微。對未脫落的產(chǎn)物膜,采用掃描電鏡所附帶的X射線能譜分析儀進(jìn)行能譜分析,其結(jié)果如圖4b所示,具體成分百分比如表6??梢钥闯?,第1組試樣的產(chǎn)物膜以Fe、O、C 和S元素為主,即產(chǎn)物膜可能含有FeCO3和FexSy,且以FeCO3為主。因此,在試驗(yàn)1腐蝕環(huán)境下,套管腐蝕以NaHCO3引起的腐蝕為主。
表6 腐蝕產(chǎn)物膜成分 wB%
圖4 腐蝕產(chǎn)物膜掃描電鏡形貌和成分分析(試驗(yàn)1)
從圖5a可以看出,試驗(yàn)2試樣表面出現(xiàn)厚厚的產(chǎn)物膜層,表面被腐蝕產(chǎn)物膜完全覆蓋,且產(chǎn)物膜出現(xiàn)鼓泡和裂紋,而裂紋是從鼓泡中心向四周擴(kuò)散。采用掃描電鏡所附帶的X 射線能譜分析儀對產(chǎn)物膜進(jìn)行能譜分析,其結(jié)果如圖5b所示,具體成分如表7??梢钥闯?,該組試樣產(chǎn)物膜中僅含有Fe、C 和S元素,其中S元素含量較第一組明顯增加,O 元素含量明顯降低,而Fe、C 元素則變化不明顯,且以Fe、S含量最高,即產(chǎn)物膜可能含有FexSy及少量FeCO3,以FexSy為主。因此,試驗(yàn)2腐蝕環(huán)境下,套管鋼材的腐蝕以Na2S腐蝕為主。
表7 腐蝕產(chǎn)物膜分析結(jié)果 wB%
圖5 腐蝕產(chǎn)物膜掃描電鏡形貌和成分分析(試驗(yàn)2)
1)試驗(yàn)中各因素對試驗(yàn)指標(biāo)(腐蝕失重率)的影響按大小順序是NaHCO3質(zhì)量濃度、溫度、Na2S質(zhì)量濃度、NaCl質(zhì)量濃度。
2)N80套管材料在不同腐蝕環(huán)境下,腐蝕表面形貌各異,多有蝕坑狀,少數(shù)試樣表面有臺階狀。腐蝕形態(tài)多為點(diǎn)蝕或坑蝕。
3)N80套管材料腐蝕表面產(chǎn)物各不相同,所有腐蝕產(chǎn)物均包括CaC3、SiO2,部分試樣腐蝕產(chǎn)物還包括FeS、KCl,且各腐蝕產(chǎn)物所占質(zhì)量均不相同。
4)根據(jù)掃描電鏡的掃描分析可以得出:碳酸氫根離子濃度對套管材料的腐蝕影響最大,F(xiàn)e的消耗最多,高濃度的碳酸氫根離子引起材料的全面腐蝕,且蝕斑較多較大;氯離子是引起套管材料的點(diǎn)蝕;硫離子和套管材料發(fā)生反應(yīng)生成黑色的FeS。
[1]李鶴林,白真權(quán),劉道新,等.模擬油田CO2/H2S環(huán)境中N80鋼的腐蝕及影響因素研究[J].材料保護(hù),2003,36(4):32-34.
[2]周計(jì)明.油管鋼在含CO2/H2S高溫高壓水介質(zhì)中的腐蝕行為及防護(hù)技術(shù)的作用[D].西安:西北工業(yè)大學(xué),2002.
[3]姜同川.正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)[M].濟(jì)南:山東科學(xué)技術(shù)出版社,1985:1-9
[4]《正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)法》編寫組.正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)法——多因素的試驗(yàn)方法[M].上海:上??茖W(xué)技術(shù)出版社,1979:173-184.
[5]朱世東,魏建鋒,周根數(shù),等.基于正交試驗(yàn)的P110腐蝕行為的研究[J].熱處理技術(shù)與裝備,2010,31(1):4-9.
[6]黃本生,江仲英.G105鉆桿材料多元腐蝕行為研究[J].功能材料,2012,19(43):2624-2429.
[7]孔學(xué)云,劉金山,馬認(rèn)琦,等.鉆桿接頭斷裂失效原因分析與預(yù)防[J].石油礦場機(jī)械,2012,41(8):40-43.
[8]薛明晉,陳海林,王篤雄,等.60Si2Mn彈簧表面脫炭仿真與試驗(yàn)研究[J].石油礦場機(jī)械,2012,41(8):47-50.