韓新德，王洪兵，王建寧，謝唯一，王少波，胡松青

（1.華北油田公司采油工程研究院，任丘062552；2.中國石油大學（華東）理學院，青島266580）

封隔器用兩種鉻鉬鋼在服役條件下的腐蝕行為

韓新德1，王洪兵2，王建寧1，謝唯一1，王少波1，胡松青2

（1.華北油田公司采油工程研究院，任丘062552；2.中國石油大學（華東）理學院，青島266580）

研究了封隔器常用的兩種鉻鉬鋼35Cr Mo和42Cr Mo在不同溫度和壓力條件下的腐蝕行為，并考察了腐蝕前后兩種材料力學性能的變化。通過失重法得出了兩種材料在不同條件下的腐蝕速率。結(jié)果表明：在相同的溫度、壓力條件下，42Cr Mo試樣的腐蝕速率比35Cr Mo試樣的大；兩種材料的腐蝕速率均隨溫度的升高先增加后下降，隨壓力的升高而增加；腐蝕前42Cr Mo試樣的抗拉強度和抗彎曲強度都比35Cr Mo試樣的大，表明42Cr Mo鋼的力學性能要優(yōu)于35Cr Mo鋼的，但腐蝕后42Cr Mo試樣力學性能的降低程度要比35Cr Mo試樣的多，這表明腐蝕越嚴重，材料的力學性能損失越大。

鉻鉬鋼；腐蝕；力學性能；溫度；壓力

封隔器是油田鉆采工藝中重要的井下工具之一［1］。作為重要的密封工具，封隔器及其部件不能輕易發(fā)生變形，但是它在作業(yè)過程中要承受多種載荷的聯(lián)合作用，這就要求封隔器所使用的材料具有良好的力學性能。封隔器中的一些重要部件如中心管的承拉部件及卡瓦部件對金屬材料的力學性能要求更高［2］，一般采用高強度鋼35Cr Mo以上的材料。隨著石油勘探開發(fā)的不斷進行，鉆井深度增加，井下的工況條件也日益復雜。尤其是在高溫高壓的環(huán)境中，封隔器的腐蝕日益嚴重，其材料遭到破壞，力學性能降低［3］，進而導致其使用壽命的縮短。因此，封隔器的材料不僅要具有良好的力學性能，還應具有較好的耐蝕性，這對封隔器的選材提出了更高的要求。本工作利用高溫高壓動態(tài)反應釜模擬封隔器服役工況，對封隔器常用的鉻鉬鋼35Cr Mo和42Cr Mo兩種材料的腐蝕行為進行了考察，并利用萬能試驗機對腐蝕試驗前后試樣的力學性能進行了測試，以探索不同材料的腐蝕損傷和力學性能損失之間的關(guān)系，旨在為封隔器選材提供指導，延長封隔器的有效壽命。

1 試驗

1.1 試樣及溶液

試驗材料為35Cr Mo和42Cr Mo兩種鉻鉬鋼，根據(jù)GB／T 228.1－2010標準制作成啞鈴型試樣，試樣標準段的尺寸為58 mm×4 mm×2 mm，化學成分見表1。試驗溶液模擬華北油田地層水，經(jīng)水質(zhì)分析得到，其化學成分見表2。

表1 35Cr Mo和42Cr Mo試樣中的化學成分（質(zhì)量分數(shù)）Tab.1 Chemical compositions of 35Cr Mo and 42Cr Mo（mass）％

表2 華北油田地層水中各離子含量Tab.2 Contents of ions of the formation water of Huabei Oilfield mg／L

1.2 試驗方法

1.2.1 腐蝕試驗

腐蝕試驗在大連科茂實驗設(shè)備有限公司生產(chǎn)的C-276型磁力驅(qū)動高溫高壓反應釜中進行。取制作好的標準試樣，經(jīng)丙酮除油、無水乙醇脫水、干燥后稱量。每種材料取三個平行試樣放入含有1 500 mL模擬華北油田地質(zhì)水的反應釜中，設(shè)定好溫度（100，120，135，150℃）和壓力（5，10，15 MPa）后，進行72 h腐蝕試驗。根據(jù)GB／T 16545－1996《金屬和合金的腐蝕試樣上腐蝕產(chǎn)物的清除》標準清除腐蝕后試樣表面的腐蝕產(chǎn)物，然后采用的實驗室配制的酸洗液進一步清洗試樣［4］，再經(jīng)丙酮除油、無水乙醇脫水、干燥后稱量。其中酸洗液由20 mL鹽酸+180 mL去離子水+0.7 g六次甲基四胺配制而成。根據(jù)試樣腐蝕前后的質(zhì)量損失及表面積計算腐蝕速率并取平均值作為最終結(jié)果。

1.2.2 力學性能測試

根據(jù)GB／T 228.1－2010《金屬材料拉伸試驗第1部分：室溫試驗方法》標準，利用電子萬能試驗機測試腐蝕前后試樣的斷后伸長率（A）、屈服強度（Rp0.2）和抗拉強度（Rm）等參量，評價試樣抗拉伸的能力。拉伸時卡具位移速率為2 mm／min。最大載荷為50 k N，數(shù)據(jù)采集頻率為40 Hz。根據(jù)GB／T 232－2010《金屬材料彎曲試驗方法》標準，利用電子萬能試驗機測試腐蝕前后金屬試樣的極限載荷等參量，以評價腐蝕試驗前后金屬試樣承受彎曲塑性變形的能力。彎曲試驗速率為2 mm／min。

2 結(jié)果與討論

2.1 腐蝕失重

由圖1可見，在相同的溫度和壓力條件下，42Cr Mo試樣的腐蝕速率大于35Cr Mo試樣的；在同一壓力條件下，兩種試樣的腐蝕速率均隨溫度的升高呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，且腐蝕速率在120℃時達到最大；而在同一溫度條件下，兩種試樣的腐蝕速率均隨著壓力的升高而增加。以上結(jié)果表明，試樣化學成分以及外界的環(huán)境因素都會對材料的腐蝕行為產(chǎn)生較大影響。

觀察在100℃、5，10，15 MPa壓力下，35Cr Mo和42Cr Mo試樣在模擬東北油田地層水中浸泡72 h后的表面形貌，可以發(fā)現(xiàn)，隨著壓力的上升，試樣腐蝕加劇。在15 MPa壓力下，35Cr Mo試樣腐蝕較輕，試樣表面形成腐蝕斑，42Cr Mo試樣腐蝕嚴重，試樣表面形成了較重腐蝕坑，見圖2。這表明，壓力越大，腐蝕越嚴重，這與腐蝕失重試驗得到的結(jié)果是一致的。

2.2 力學性能

2.2.1 拉伸性能

由圖3可見，腐蝕前35Cr Mo和42Cr Mo試樣的抗拉強度分別為1 020 MPa和1 090 MPa；腐蝕后兩種試樣的抗拉強度分別為975 MPa和985 MPa；腐蝕前42Cr Mo試樣的抗拉伸性能優(yōu)于35Cr Mo試樣的，但是腐蝕后兩種試樣的拉伸性能差別不大。利用腐蝕后試樣抗拉強度的損失比上腐蝕前試樣的抗拉強度求出腐蝕后35Cr Mo和42Cr Mo試樣的抗拉強度損失率分別為4.41％和9.63％，即腐蝕后42Cr Mo試樣的抗拉強度損失率較大，這可能是由于42Cr Mo試樣的腐蝕速率較大造成的。

2.2.2 彎曲性能

由圖4可見，腐蝕前42Cr Mo和35Cr Mo試樣的抗彎曲強度分別為128 MPa和119 MPa，42Cr Mo試樣的抗彎強度高于35Cr Mo試樣的。腐蝕后42Cr Mo和35Cr Mo兩種試樣的抗彎曲強度分別為115 MPa和112 MPa，抗彎曲強度的損失率分別為9.46％和6.28％，即42Cr Mo試樣的抗彎曲強度的損失率大于35Cr Mo試樣的。這可能也是由于42Cr Mo試樣的腐蝕速率較大造成的。

兩種試樣腐蝕前后的力學性能測試結(jié)果表明，腐蝕損傷會導致材料力學性能的下降，并且腐蝕速率越大，材料的力學性能損失越大。

2.3 分析討論

2.3.1 元素含量對鉻鉬鋼腐蝕的影響

金屬材料中各元素含量會極大地影響金屬的腐蝕行為。由表1可見，42Cr Mo試樣中的C和Cr含量略高于35Cr Mo試樣的，其他元素含量基本相同。一般來說碳含量越高，材料的耐蝕性越差。這是因為鋼中碳含量的增加使?jié)B碳體數(shù)量增加，滲碳體與基體形成的微電池增多，導致腐蝕加劇。Cr可以改善鋼的鈍化能力，提高材料的耐蝕性。但是由于材料中的C與Cr會生成碳化物，使碳化物周圍貧Cr，導致金屬材料在腐蝕溶液中浸泡時容易發(fā)生晶間腐蝕而使其力學性能急劇下降；另一方面，由于Cr與C形成碳化物導致固溶鉻含量減少，發(fā)生腐蝕后在基體表面形成的保護性Cr2O3減少，當Cr元素的含量較低（＜5％）時［5］，C含量對腐蝕的影響比鉻含量影響大。這就導致42Cr Mo試樣的腐蝕速率比35Cr Mo試樣的大。

2.3.2 溫度對鉻鉬鋼腐蝕的影響

溫度對鋼的腐蝕影響主要有兩方面。一方面，升高溫度會加速介質(zhì)中腐蝕離子的擴散，導致材料自腐蝕電位降低、蝕坑加速生長，抑制鈍化發(fā)生［6］，從而增大腐蝕速率；另一方面，溫度的變化會導致腐蝕產(chǎn)物膜的形貌和結(jié)構(gòu)發(fā)生很大的變化［7］。一般來說，溫度越高，腐蝕產(chǎn)物膜越致密，其對腐蝕離子在材料表面吸附起到的阻礙作用越大，能夠在一定程度上減緩腐蝕。由圖1可見：隨著溫度的升高，35Cr Mo和42Cr Mo試樣的腐蝕速率均呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢。這是因為在溫度較低（＜120℃）時，腐蝕速率主要取決于腐蝕離子的擴散過程。溫度越高離子擴散越快，并且此時形成的腐蝕產(chǎn)物膜致密度小，對腐蝕離子的擴散速率影響較小，因此腐蝕速率隨著溫度的升高而增加。當溫度大于135℃時，腐蝕產(chǎn)物膜的致密度增加，從而起到阻止腐蝕離子的吸附作用，因此隨著溫度的升高腐蝕速率反而減小。

2.3.3 壓力對鉻鉬鋼腐蝕的影響

根據(jù)壓力對腐蝕的影響機制，可以將低合金高強度鋼的腐蝕分為三個階段［8］：腐蝕初期，壓力使Cl－在金屬表面吸附量增加，導致腐蝕活性點增多，從而加速金屬試樣的腐蝕；腐蝕中期，在這一階段由于形成了具有一定保護作用的腐蝕產(chǎn)物膜，腐蝕速率降低，壓力對腐蝕的影響較??；腐蝕后期，靜水壓力加速腐蝕性離子的擴散，導致腐蝕加速。通過觀察腐蝕后試樣的宏觀腐蝕形貌可以看出，試樣表面形成了腐蝕產(chǎn)物膜，但腐蝕產(chǎn)物膜并沒有全部覆蓋試樣表面。因此可以判斷試樣處于腐蝕階段的前中期，在此階段，金屬的腐蝕主要受腐蝕離子含量的影響。因此，壓力越大，Cl－在金屬表面的吸附量越大，腐蝕速率也就越大。

3 結(jié)論

（1）當溫度為100～150℃，且壓力為5～15 MPa時，42Cr Mo試樣的腐蝕速率較大，其耐蝕性比35Cr Mo試樣的差。

（2）兩種試樣的腐蝕速率都隨壓力的增大而升高，隨溫度的升高先增加后降低，在120℃左右腐蝕速率最大。

（3）42Cr Mo試樣的抗拉伸性能和抗彎曲性能都優(yōu)于35Cr Mo試樣的，但是腐蝕后42Cr Mo試樣的力學性能損失高于35Cr Mo試樣的，這可能是由于腐蝕造成的。

［1］ 張立新，沈澤俊，李益良，等.我國封隔器技術(shù)的發(fā)展與應用［J］.石油機械，2007，35（8）：58-60.

［2］ 劉占廣.卡瓦式封隔器在井下的受力分析［J］.石油鉆采工藝，1994，16（5）：53-59.

［3］ APOSTOLOPOULOSC A，DEMISS，PAPADAKIS V G.Chloride-induced corrosion of steel reinforcementmechanical performance and pit depth analysis［J］.Construction and Building Materials，2013，38：139-146.

［4］ WANG X X，GAO Y M，LI K，et al.Effect of yttrium on the corrosion behavior of 09CrCuSb alloy in concentrated sulphuric acid［J］.Corros Sci，2013，69（1）：369.

［5］ 毛紅艷，蔡慶伍，武會賓，等.合金元素和碳含量對E36船板鋼腐蝕行為的影響［J］.腐蝕與防護，2013，34（6）：499-502.

［6］ PARK J O，MATSCH S，B?HNI H.Effects of temperature and chloride concentration on pit initiation and early pit growth of stainless steel［J］.Journal of the Electrochemical Society，2002，149（2）：B34-B39.

［7］ LIN G F，BAI Z Q，ZHAO X W.Effect of temperature and pressure on profile of CO2corrosion scales on oil well steels［J］.China Petroleum Machinery，2005，33（2）：1-4.

［8］ 孫海靜，李瑛，王福會.靜水壓力對一種低合金高強度鋼腐蝕行為的影響［C］／／2010年全國腐蝕電化學及測試方法學術(shù)會議.杭州：［出版者不詳］，2010：1-7.

Corrosion Behavior of Two Cr-Mo Steels Used for Packers in Service Conditions

HAN Xin-de1，WANG Hong-bing2，WANG Jian-ning1，XIE Wei-yi1，WANG Shao-bo1，HU Song-qing2
（1.Petroleum Production Engineering Research Institute，Huabei Oilfield Company，Renqiu 062552，China；2.College of Science，China University of Petroleum，Qingdao 266580，China）

The corrosion behavior and mechanical performance of the two types of Cr-Mo steel 35Cr Mo and 42Cr Mo under different working conditions were studied.The results showed that the corrosion rate of the two metals increased at first and then decreased with the increase of the temperature，and increased with the increase of the pressure.In the same conditions of temperature and pressure，the corrosion rate of 42Cr Mo steel was larger than that of 35Cr Mo steel.And the tensile strength and bending strength of 42Cr Mo steel were larger than those of 35Cr Mo steel，however，the loss of tensile strength and bending strength of 42Cr Mo steel was more than that of 35Cr Mo steel due steel to the larger corrosion rate of 42Cr Mo steel.

Cr-Mo steel；corrosion；mechanical property；temperature；pressure

TG172

：A

：1005-748X（2016）11-0904-04

10.11973／fsyfh-201611010

2015-07-23

中國石油天然氣股份有限公司重大科技項目（2014E-35）；中國石油大學（華東）校科研啟動基金（2014010574）

胡松青（1967－），教授，博士，從事石油工業(yè)材料的腐蝕與防護研究，86-532-86983170，ccupc＠163.com