L245管線鋼在飽和二氧化碳含砂流體中的沖蝕行為研究

謝 明，胡紅祥，鄧 希，牛 聰，鄭玉貴

(1.中國石油西南油氣田分公司天然氣研究院，四川成都 610213 2.中國科學院金屬研究所，遼寧沈陽 110016)

0 前言

在氣田氣體采集初期，采出氣中常攜帶有大量的采出水和返排砂，在高壓驅(qū)動下會對集輸管線造成嚴重的沖蝕損傷，許多管線經(jīng)常在數(shù)月內(nèi)就出現(xiàn)泄漏、穿孔的現(xiàn)象，嚴重影響了氣田的正常運行。集輸管線的服役環(huán)境復雜，既存在高速液固兩相流的力學沖擊磨損，還存在CO2水溶液的腐蝕損傷，同時兩種損傷的復合作用可能會因流速流態(tài)的改變而變化，這為集輸管線的檢測和維護造成了很大的困難。

朱明[1]和李俊誼[2]等人研究了溫度對L245鋼在油氣田集輸環(huán)境中腐蝕的影響規(guī)律，指出溫度對材料的二氧化碳腐蝕有明顯影響，且當溫度較低時，材料的腐蝕速度受溫度的影響更加明顯。袁曦[3]等人研究了L245鋼在氣田模擬溶液中的氫滲透行為，結果顯示飽和硫化氫氣田模擬液中，充氫電流對原子氫在鋼中的擴散系數(shù)影響很小，但與可擴散氫濃度呈線性關系。高繼峰[4]等人研究了L245鋼在酸性氣體中的腐蝕行為，結果指出在NaCl溶液腐蝕氣體氣氛(1 MPa 的H2S和2 MPa 的CO2)中，L245碳鋼的腐蝕產(chǎn)物中主要為鐵的硫化物、碳化物和碳氧合物，腐蝕產(chǎn)物呈疏松的膜層結構。這種腐蝕產(chǎn)物膜能夠阻擋腐蝕介質(zhì)接觸碳鋼表面，但是對腐蝕速率的整體阻礙作用不大。曹卜元[5]等人分析了模擬油氣田采出水中乙酸和碳酸氫根含量對L245鋼腐蝕行為的影響，研究指出乙酸對腐蝕的陰極反應有促進作用，對陽極反應有一定的抑制作用。魏思達[6]等人采用電化學方法對比分析了L458、L360和L245 3種管線鋼的二氧化碳腐蝕行為，分析結果顯示管線鋼的二氧化碳腐蝕行為分為3個階段：“裸金屬”期(腐蝕電流密度隨時間增加)、“膜覆蓋期”(腐蝕電流密度隨時間幾乎不增加)、“反應”期(腐蝕電流密度隨時間繼續(xù)增加)。胡建國[7]等人分析評價了20#鋼和L245NS鋼的二氧化碳腐蝕規(guī)律，結果顯示兩種材料的腐蝕性能十分相近，隨著溫度、壓力和流速升高，腐蝕速率均單調(diào)遞增。綜上所述，目前研究主要集中在L245鋼在不同環(huán)境條件下的腐蝕行為，而針對力學沖刷作用下材料的腐蝕行為研究較少。高速泥漿的沖蝕作用除對腐蝕反應過程中離子傳輸有直接影響外，力學沖擊磨損作用還會與電化學腐蝕作用形成交互作用，其損傷規(guī)律和機制與靜態(tài)腐蝕存在很大差別。在這種復雜工況下，管線的選材就變得尤為重要。正確的選材能有效地緩解沖刷腐蝕對管線的侵害，顯著延長管道使用壽命，極大地降低維護成本，對油氣田的安全長效運行具有重要的工程價值。

L245M和L245N作為兩種常用管線鋼，在二氧化碳環(huán)境中的沖刷腐蝕行為規(guī)律目前尚不清楚。鑒于此，本文以L245M和L245N為研究對象，在實驗室內(nèi)模擬管線服役的典型工況環(huán)境，研究材料沖刷腐蝕損傷隨含砂濃度、攻角和流速的變化規(guī)律，對L245M和L245N兩種材料在抗沖刷腐蝕性能進行對比研究，為集輸管線材料的選擇提供有力的數(shù)據(jù)支撐。

1 材料和實驗方法

為了表征兩種材料的組織結構，采用10%硝酸酒精分別對L245M和L235N表面機械拋光后進行蝕刻，然后在掃描電鏡下進行觀察。圖1展示了L245M和L245N材料表面蝕刻后的金相圖。由圖1可知，兩種材料組織均為鐵素體(白色)+珠光體(黑色)，組織均勻，無超尺寸夾雜物。通過對比可知，L245M的晶粒比L245N的細小，珠光體含量比L245N的略少。

圖1 L245M和L245N表面蝕刻后SEM形貌

采用X射線熒光光譜法分別對L245M和L245N進行成分分析，結果如表 1所示。試驗用L245M和L245N材料元素成分均符合GB/T 9711—2011《石油天然氣工業(yè)管線輸送系統(tǒng)用鋼管》標準要求。兩種材料之間的差別主要在含碳量上，L245N的含碳量遠高于L245M，因此，L245N的珠光體含量也遠高于L245M。

表1 L245M和L245N鋼的化學成分分析對比 %

抗沖蝕性能測試實驗主體在自制噴射式液固兩相流沖刷腐蝕試驗機上進行，設備示意如圖2所示。為了盡可能地保證溶液飽和二氧化碳的狀態(tài)與現(xiàn)場工況條件一致，試驗之前先往溶液中通入CO2氣體約2 h，使溶液達到飽和CO2的狀態(tài)。試驗過程中也一直向密閉的料漿罐通入CO2氣體，保證系統(tǒng)內(nèi)部的正壓，避免外界氧氣滲入的同時保持溶液中CO2的飽和性。此外，在噴射腔內(nèi)通N2進行氣氛保護，以保證沖蝕部位的無氧環(huán)境。避免裝卸試樣過程中噴射腔室開門曝氧干擾腐蝕過程。

噴嘴直徑選擇3 mm，噴嘴出口與試樣表面距離5 mm，射流沖擊速度根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境的波動范圍設置為3種不同的沖擊強度：5，10，15 m/s；水溶液根據(jù)現(xiàn)場水樣的分析結果配置，成分組成為NaHCO30.483 g/L，NaCl 48.96 g/L，CaCl23.535 g/L，MgCl20.783 8 g/L。所含固相砂粒選擇石英砂(75～150目)，與現(xiàn)場所含固相顆粒相同。濃度(質(zhì)量分數(shù))根據(jù)實際環(huán)境變化需求設定了3種：1%，4%，7%。泥漿沖擊材料表面的攻角選取了兩個代表性的值：小攻角30°，正攻角90°。實驗參數(shù)條件配置如表 2所示。由表2可知，在分別研究攻角、含砂量和流速影響時，其他兩個參數(shù)均為實驗所選參數(shù)的最大值，目的是分析在最苛刻條件下，該因素的影響規(guī)律。

所有試驗溫度均為25±1 ℃，壓力為0.101 325 MPa。試驗前，試樣表面采用金剛石水磨砂紙依次打磨到800#，酒精超聲清洗，吹干后備用。試樣質(zhì)量采用精度為0.1 mg的分析天平稱量，每個條件的試驗至少重復3次，以保證試驗數(shù)據(jù)的可靠性和可重復性。

圖2 噴射沖蝕系統(tǒng)示意

表2 實驗條件組成

2 實驗結果和討論

2.1 失重

2.1.1含砂量的影響

首先要保證拌和樓的生產(chǎn)能力與工程規(guī)模相匹配，拌和樓必須具備全過程自動控制。選好拌和機后，再選優(yōu)質(zhì)瀝青加熱設備、外加劑添加設備及裝載機等附屬設備，從它們的性能和供需能力上確保與拌和機配套，以滿足拌和機生產(chǎn)要求為準。

圖3為L245M和L245N兩種材料的沖蝕累積失重隨沖蝕時間的變化曲線。由圖3可知，兩種材料在所有含砂量條件下的沖蝕失重均隨試驗時間近似呈線性增長，但增長速率不同。高含砂量條件下的失重增長速率普遍高于低含砂量，這是因為高濃度泥漿沖蝕條件下單位面積內(nèi)沖擊到材料表面的砂粒數(shù)量增多，損傷增大。

圖3 兩種材料在流速15 m/s、攻角30°條件下，不同含砂量條件時的沖蝕失重隨時間的變化曲線

圖4展示了溶液中含砂量對L245M和L245N兩種材料沖蝕損傷的影響規(guī)律(15 m/s流速、30°攻角)?？梢钥闯?，L245M和L245N兩種材料在15 m/s流速、30°攻角條件下的沖蝕累積失重隨含砂量的變化趨勢相同。240 min的沖蝕累積失重均隨時間的延長而近似呈線性增長，這表明隨著含砂量的增加，溶液沖蝕損傷的苛刻程度在提高，材料的沖蝕損傷在加大。以L245M材料為例，含砂量為7%時的累積失重約是含砂量為1%時的4.5倍。

圖4 流速15 m/s、攻角30°條件時，材料累積失重隨含砂量的變化曲線

此外，在每個含砂量條件下，L245M的沖蝕累積失重始終小于L245N。在含砂量為1%,4%,7%時，L245M在240 min內(nèi)的累積失重分別是L245N的42%,73%,74%。L245M在3種含砂濃度下的抗沖蝕性能分別是L245N的2.4倍,1.4倍,1.4倍，顯示了比較優(yōu)越的抗沖刷腐蝕性能。

2.1.2攻角的影響

圖5為L245M和L245N兩種材料的沖蝕累積失重在不同攻角時隨沖蝕時間的變化曲線。由圖5可知，兩種材料在30°攻角和90°攻角時的沖蝕失重均隨試驗時間近似呈線性增長，且在30°攻角條件下的失重增長速率明顯高于90°攻角沖蝕失重率。對比兩種材料的變化規(guī)律可知，在相同攻角條件下，L245M的失重在各個時刻均小于L245N的失重，顯示出良好的抗沖蝕性能。

圖5 流速15 m/s、含砂量7%時，材料累積失重隨沖蝕時間的變化曲線

圖6展示了流速15 m/s、含砂量7%的泥漿在30°攻角和90°攻角時沖蝕240 min后的累積失重對比圖?？梢悦黠@看出，兩種材料在30°攻角時的沖蝕損傷均大于90°攻角。這一研究結果與文獻中報道的規(guī)律一致[8]，眾多學者研究指出，對于延展性材料而言，沖蝕最嚴重的攻角在20～45°之間[9]。此外，通過對比可知，L245M的沖蝕累積失重在兩個攻角條件下均明顯低于L245N。攻角為30°時，L245M的沖蝕累積失重為23.6 mg，約是L245N累積失重(31.8 mg)的74%。在30°和90°攻角下，L245M的抗沖蝕性能分別約是L245N的1.3倍，1.2倍。

2.1.3流速的影響

圖 7為L245M和L245N兩種材料的沖蝕累積失重隨沖蝕時間的變化曲線(攻角30°、含砂量7%)。由圖7可知，兩種材料在5，10，15 m/s沖蝕條件下的沖蝕失重均隨試驗時間近似呈線性增長。流速較低時(5，10 m/s)，兩種材料的沖蝕變化率基本相當，都很低。對兩種材料而言，流速為15 m/s時的沖蝕失重增長率均明顯高于其它兩個流速。對比兩種材料，L245M的沖蝕失重在各個時刻均小于L245N，尤其是在高流速沖擊時，顯示出良好的抗沖蝕性能。

此外，L245M的失重增長速度始終小于L245N的增長速度，且兩者之間的差距隨流速的增加而加大。含流速為5 m/s時，L245M沖蝕240 min后的累積失重約是L245N的83%，兩者相差不大。但當流速增加到15 m/s時，L245M的累積失重約是L245N的74%。預計隨著時間的延長，流速的提高，兩者之間的差距會更加明顯。這說明，流速越高，L245M相對于L245N的抗沖蝕性能優(yōu)越性就越明顯。在含砂量7%、攻角30°、流速15 m/s的最苛刻試驗條件下，L245M的抗沖蝕性能約是L245N的1.3倍。

圖7 攻角30°、含砂量 7%時，材料沖蝕累積失重隨時間的變化曲線

圖8 攻角30°、含砂量 7%時，材料累積失重隨沖擊速度的變化曲線

2.2 微觀形貌

2.2.1含砂濃度對沖蝕形貌的影響

L245M和L245N兩種材料在15 m/s流速、30°攻角沖刷腐蝕條件下，1%，4%，7%含砂量沖蝕240 min后的表面SEM形貌對比如圖 9所示。兩種材料表面均可見明顯的密集犁溝型沖蝕痕跡，犁溝具有明顯的方向性，與沖蝕的方向一致。這說明材料的損傷以沖蝕力學損傷為主。對比兩種材料的損傷可見，在所有含砂量條件下，L245M的表面比L245N的略顯光滑，后者沖蝕表面除了犁溝型沖蝕痕跡外，還有潰瘍狀腐蝕的痕跡。這說明，L245M的沖蝕程度比L245N的輕微，顯示了較好的抗沖蝕性能。此外，隨著含砂量的增大，兩種材料表面的犁溝深度均明顯變淺，表面光滑度增加。這是因為含砂量增大，砂粒對材料表面的撞擊頻率提高，犁溝邊緣的材料堆積與剪切唇很容易就被密集地撞擊去除掉，材料以層狀剝離的形式離開表面。因此，高含砂量條件下材料表面反而更光滑，但材料損失更嚴重，這一點由沖蝕失重可以看出(圖 4)。

2.2.2攻角對沖蝕形貌的影響

在30°和90°兩種攻角條件下，流速15 m/s、含砂量7%的泥漿沖蝕L245M和L245N兩種材料240 min后的表面形貌SEM如圖 10所示。在30°攻角時，兩種材料表面均可見明顯的具有一定方向性的沖蝕痕跡，沖蝕磨損的方向與泥漿的流動方向一致(圖 10a和b)。局部可見材料支離破碎并剝落的痕跡，這說明是含砂泥漿在一定角度下的撞擊磨損所致。在攻角為90°時，兩種材料表面均顯示出均勻的損傷形貌，主要以壓痕性凹坑為主，是典型的正攻角條件下的壓痕型損傷形貌(圖 10c和d)。

當攻角變?yōu)?0°時，沖蝕240 min后兩種材料的表面損傷形貌與其在30°攻角時的明顯不同。L245M表面只有雜亂無章的壓痕型損傷形貌，同樣在L245N材料表面也有類似的損傷特點。這與文獻中的研究規(guī)律一致，即在正攻角條件下，材料的損傷以壓痕狀損傷為主，損傷痕跡無明顯的方向性。從形貌上對比兩種材料的抗沖蝕性能優(yōu)劣，兩者之間并無明顯的差異。這是因為隨著攻角的增大，L245M和L245N材料的損傷程度均有所降低，兩者之間在抗沖蝕性能方面的差異不再像小角度沖擊時那樣明顯。

2.2.3沖擊速度對損傷形貌的影響

不同流速條件下，材料表面的沖蝕形貌也各有特點。圖 11為5，10，15 m/s(攻角30°、含砂量7%)沖蝕240 min后的SEM形貌對比。在5 m/s低流速條件下，兩種材料的損傷特征差別不大，形式比較類似(圖 11a和b)。雖然是在30°小攻角沖蝕環(huán)境下，但表面均無明顯的具有明顯方向性的沖刷痕跡，只顯示出支離破碎的特點。這說明，低流速下沖蝕的力學作用減弱，電化學腐蝕作用增強。在沖刷介質(zhì)中，珠光體中的滲碳體電位高于鐵素體電位，可作為電化學反應的陰極加速了其周圍鐵素體的優(yōu)先溶解[10]，從而造成鐵素體“孤島”狀形貌。仔細對比兩種材料的損傷形貌特征可知，L245M表面選擇性溶解導致的“孤島”尺寸比L245N的大，這說明材料殘留面積較大，損傷程度較小，這與失重測試的結果一致(圖 8)。

當流速提高到10 m/s時，兩種材料沖刷腐蝕的方向性開始凸顯，這說明力學沖擊損傷作用的分量逐漸變大(圖 11c和d)。同時，表面仍有可見局部腐蝕的痕跡，這表明，隨著流速提高，沖蝕力學作用增大，腐蝕作用由于傳質(zhì)的加速也有所提高。但L245M表面仍可見原始表面的殘留(圖 11c)，而L245N表面整體則以均勻損傷為主(圖 11d)。當流速進一步提高到15 m/s時，L245M表面損傷仍以沖蝕和腐蝕共同作用為主(圖 11e)，在L245N表面也發(fā)現(xiàn)了類似的損傷形貌特征(圖 11f)。高流速下的沖蝕均對兩種材料表面造成了嚴重的損傷，減小了兩者之間的差異性。因此，單從形貌對比很難看出兩種材料在抗沖刷腐蝕性能上的差異。

3 結論

a) 流速15 m/s、攻角30°時，在含砂濃度為1%，4%，7%泥漿沖蝕條件下，L245M和L245N兩種材料沖刷腐蝕累積失重均隨含砂濃度的提高而增大。L245M的抗沖蝕性能在含砂濃度為1%，4%，7%時分別約是L245N的2.4倍，1.4倍，1.4倍。

b) 流速15 m/s、含砂量7%條件下，L245M和L245N兩種材料在30°攻角時的累積失重均大于90°攻角時的失重，L245M的抗沖蝕性能在30°和90°攻角下分別是L245N的1.3倍和1.2倍。

c) 攻角30°、含砂量7%時，在沖蝕速度為5～15 m/s范圍內(nèi)，L245M和L245N兩種材料的沖蝕累積失重均隨流速的增加而增加，L245M在15 m/s流速時的累積失重約是10 m/s時的10.8倍，5 m/s時的24.9倍。當流速為15 m/s時，L245M與L245N的抗沖蝕性能差別最大，L245M約是L245N的1.3倍。

結果表明，L245M管線鋼的抗沖蝕性能在各個條件下均優(yōu)于L245N。