氯離子、硫化氫、二氧化碳是油、氣開(kāi)采井下的介質(zhì)環(huán)境,在這種環(huán)境下服役的材料, 既需要耐此環(huán)境引起的應力腐蝕又要求具有較高的屈服強度(屈服強度水平在 758~1103 MPa),井下部件或裝備(如管件、殼(盒)體和閥門(mén))主要使用固溶強化的鎳基耐蝕合金,其屈服強度通過(guò)冷加工達到所要求的水平。對于需焊接和厚壁部件(如管件、安全閥、管道吊鉤)難于進(jìn)行低成本的均勻冷加工,則采用沉淀強化的鎳基耐蝕合金制造。


表 41.jpg


  氯離子、硫化氫、二氧化碳、硫的腐蝕環(huán)境對固溶強化耐蝕合金的應力腐蝕的影響十分復雜,包括溫度、pH值,各個(gè)成分含量及交互作用等,概括起來(lái)是氯離子、硫化氫、硫等加速了鎳基合金的應力腐蝕,而二氧化碳稍具緩蝕作用;介質(zhì)溫度的提高和酸度增 加(pH值下降)增加了合金對應力腐蝕的敏感性。針對酸性氣井的介質(zhì)環(huán)境,在 20%NaCl + 0. 5% CH3COOH +10atm H2S + 10atm CO2 + Ig/L S8(latm = 1. 01 x 105Pa)中評價(jià)了鎳基耐蝕合金的SCC行為,結果指出,不產(chǎn)生應力腐蝕的Cr、 Mo含量與介質(zhì)溫度相關(guān),在180℃,對62Ni-20Cr的合金需加入大于13% Mo才 能使合金不產(chǎn)生應力腐蝕;在200℃,對于含13% Cr, 15% Cr, 20% Cr的鎳基合金不產(chǎn)生應力腐蝕的Mo量分別是15%、13%和14%,詳見(jiàn)圖2-46,顯然高鉬含量的Ni-Cr合金具有優(yōu)異的耐應力腐蝕性能。在這種酸性氣井環(huán)境中,除應力腐蝕外,尚存在氫脆和因金屬間相析出所構成的負面影響的冶金穩定性問(wèn)題。因此 在確定合金的適宜鉻、鉬含量時(shí)必須兼顧上述三個(gè)因素?;赟CC (230℃, 25%NaCl + IMPa H2S + IMPa CO2 + lg/L S8, 336h,四點(diǎn)彎梁試驗)和氫脆 (25℃, 5% NaCl + 0. 5% CH3COOH + 0. 1 MPa H2S, 720h,應力=Rp0.2,與鐵偶合,四點(diǎn)彎梁試驗)以及利用心」基本原理計算的合金熱穩定性的綜合數據,給出了鎳基合金(55% ~60%Ni)適宜的Cr、Mo含量范圍(圖2-47)。圖中線(xiàn)1、 線(xiàn)2和線(xiàn)3所構成的三角形區域是合金的含Cr量和含Mo+0.5W量的可變動(dòng)范圍,當Mo+0.5W小于12%時(shí)合金不具備耐SCC性能,線(xiàn)2和線(xiàn)3分別是 氫脆和合金冶金穩定性的限制線(xiàn)。按此圖,Hastelloy C-276、Hastelloy C-22、Inconel 686、Hastelloy C-2000 處于三角形所圈定成分之內。事實(shí)上,Hastelloy C-276 已 成功用于酸性氣井井下部件。


圖 47.jpg


  冷加工強化對固溶強化線(xiàn)基合金在氯離子、硫化氫、二氧化碳、硫環(huán)境中耐應力腐蝕的影響取決于介質(zhì)條件腐蝕的嚴苛性,溫度的影響最明顯,對C-276合金的試驗結果見(jiàn)表2-41,在177℃未產(chǎn)生SCC,在232℃卻產(chǎn)生了應力腐蝕。


表 42.jpg


  在含氯離子、硫化氫、CH3COOH 的環(huán)境中,沉淀硬化型鎳基合金的耐應力腐蝕性能與析出相的類(lèi)型密切相關(guān)。 對于沉淀硬化型合金,為獲得所需的強度水平,沉淀硬化處理是必須實(shí)施的工藝手段,這種處理將導致這類(lèi)合金的)γ'、γ”共格相和非共格相σ、η、 碳化物的析出,析出相類(lèi)型和數量受合金成分、熱處理溫度和時(shí)間所制約。通常σ、碳化物的析出有害于合金的耐應力腐蝕性能,γ”的析出未影 響合金的耐應力腐蝕性能,γ” + γ'和 γ'析岀的時(shí)效硬化耐蝕合金的耐應力腐蝕性能較退火態(tài)有較大程度下降。圖2-48為 Incoloy 925 合金的(時(shí)間-溫度-相變)圖和慢速拉伸試驗的SSCC的結果(硫化物誘發(fā)的應力腐蝕破裂),可見(jiàn),730℃時(shí)效硬化處理8h、24h,該合金出現SSCC, 這證實(shí)了碳化物(M7C3-M23C6)、σ相和γ'相的析出有害于合金的耐應力腐蝕 性能,而高溫析岀的σ相和η相未呈現不良作用,多半是由于在高溫利于擴散使貧化區得到修復所致,與 Inconel 600Inconel 690 的脫敏處理原理一致。表 2-42的數據說(shuō)明了γ”和γ'析出對沉淀硬化鎳基合金的硫化物誘發(fā)的應力腐蝕行為的影響,γ”的析出未呈現出不良影響,γ”和γ” +γ'析出的合金耐應力腐蝕性能受損,這一結果表明,在硫化物誘發(fā)應力腐蝕的環(huán)境中使用含鈮合金是適宜的。