油氣設(she)施用碳鋼(gang)和(he)低合金鋼(gang)

碳鋼和低合金鋼材(cai)料主要適(shi)用于(yu)含CO2腐(fu)(fu)(fu)蝕(shi)(shi)環境(jing)。而CO2腐(fu)(fu)(fu)蝕(shi)(shi)已成(cheng)(cheng)為國內外(wai)油氣(qi)田開(kai)采(cai)面臨(lin)的(de)主要腐(fu)(fu)(fu)蝕(shi)(shi)問(wen)題(ti)之一，特別是油氣(qi)田開(kai)采(cai)進入中(zhong)后期及深層(ceng)高壓(ya)CO2油氣(qi)田的(de)開(kai)發(fa)(fa)，溫(wen)度和CO2分(fen)壓(ya)上升(sheng)，油氣(qi)田井下(xia)管材(cai)面臨(lin)的(de)腐(fu)(fu)(fu)蝕(shi)(shi)環境(jing)更趨(qu)苛刻，CO2腐(fu)(fu)(fu)蝕(shi)(shi)問(wen)題(ti)更趨(qu)嚴(yan)(yan)重(zhong)。CO2腐(fu)(fu)(fu)蝕(shi)(shi)往(wang)往(wang)表現(xian)為高的(de)腐(fu)(fu)(fu)蝕(shi)(shi)速率(lv)、嚴(yan)(yan)重(zhong)的(de)局部(bu)腐(fu)(fu)(fu)蝕(shi)(shi)甚(shen)至穿孔，使(shi)得油氣(qi)田井下(xia)管材(cai)發(fa)(fa)生(sheng)腐(fu)(fu)(fu)蝕(shi)(shi)失(shi)效，造成(cheng)(cheng)巨大的(de)經濟損失(shi)，包(bao)括(kuo)災(zai)難性事故和生(sheng)態環境(jing)的(de)污染。

碳鋼和低(di)(di)合金鋼在(zai)CO2環境中的(de)(de)腐(fu)蝕(shi)(shi)，主要通過材料(liao)表面形成(cheng)的(de)(de)腐(fu)蝕(shi)(shi)產(chan)(chan)物膜(mo)來影(ying)響其腐(fu)蝕(shi)(shi)速率(lv)。低(di)(di)溫(wen)范圍內（T<60℃），由于(yu)(yu)(yu)FeCO3溶(rong)解(jie)度(du)(du)較大(da)，鋼表面無(wu)保護(hu)性(xing)膜(mo)層(ceng)生成(cheng)，因此，全面腐(fu)蝕(shi)(shi)占主導地位(wei)。溫(wen)度(du)(du)大(da)于(yu)(yu)(yu)等(deng)于(yu)(yu)(yu)80℃時，FeCO3溶(rong)解(jie)度(du)(du)大(da)大(da)降低(di)(di)，又(you)由于(yu)(yu)(yu)其高的(de)(de)過飽和度(du)(du)，導致(zhi)FeCO3沉積，生成(cheng)致(zhi)密(mi)的(de)(de)保護(hu)性(xing)FeCO3膜(mo)層(ceng)。討論FeCO3膜(mo)層(ceng)的(de)(de)保護(hu)性(xing)時，應考慮(lv)到FeCO3產(chan)(chan)物沉積動(dong)力(li)學。在(zai)產(chan)(chan)物膜(mo)層(ceng)不均勻或者局部(bu)受(shou)損部(bu)位(wei)，局部(bu)腐(fu)蝕(shi)(shi)易發生。

影響全(quan)面腐(fu)蝕和局部(bu)腐(fu)蝕的因(yin)素主要分為以下幾個：

①與界面(mian)相關(guan)的參數(shu)，主要有溫度、流速、冷凝以及(ji)腐(fu)蝕產物膜等；

②與材料(liao)相關的(de)參數，主要有(you)合金成分、微觀結構和(he)熱處理等；

③與介質(zhi)相關參數，主(zhu)要有(you)pH值、CO2分(fen)壓(ya)、溶(rong)液成分(fen)以(yi)及溶(rong)解(jie)氧等。所有(you)參數相互(hu)依(yi)存，以(yi)不同的方式共(gong)同影響(xiang)CO2腐蝕。

油氣(qi)設施用不(bu)銹鋼

油氣(qi)設施用不(bu)(bu)(bu)銹(xiu)鋼(gang)(gang)主(zhu)要(yao)適用于高(gao)溫(wen)高(gao)壓CO2環境以及含有(you)一定量H2S的(de)CO2環境。不(bu)(bu)(bu)銹(xiu)鋼(gang)(gang)由于能(neng)夠(gou)在(zai)(zai)表面形成(cheng)保護性(xing)(xing)的(de)鈍(dun)化(hua)膜而具(ju)有(you)相對優越的(de)耐(nai)蝕(shi)性(xing)(xing)能(neng)，不(bu)(bu)(bu)銹(xiu)鋼(gang)(gang)的(de)主(zhu)要(yao)腐蝕(shi)失效(xiao)風險為(wei)點(dian)蝕(shi)和(he)開裂。但(dan)是，不(bu)(bu)(bu)同類別的(de)不(bu)(bu)(bu)銹(xiu)鋼(gang)(gang)在(zai)(zai)不(bu)(bu)(bu)同的(de)服役工況下的(de)腐蝕(shi)失效(xiao)敏感性(xing)(xing)具(ju)有(you)明顯差異。例如(ru)，馬(ma)氏體(ti)不(bu)(bu)(bu)銹(xiu)鋼(gang)(gang)作為(wei)油氣(qi)田井下管材最主(zhu)要(yao)的(de)失效(xiao)形式是高(gao)溫(wen)時的(de)均勻腐蝕(shi)、中溫(wen)時的(de)點(dian)蝕(shi)和(he)低溫(wen)時的(de)硫化(hua)物應力腐蝕(shi)開裂。奧氏體(ti)不(bu)(bu)(bu)銹(xiu)鋼(gang)(gang)在(zai)(zai)高(gao)含Cl-環境下具(ju)有(you)較高(gao)的(de)點(dian)蝕(shi)風險。而雙相不(bu)(bu)(bu)銹(xiu)鋼(gang)(gang)則(ze)表現出更(geng)高(gao)的(de)開裂敏感性(xing)(xing)。

油氣設施用不(bu)銹(xiu)鋼發生腐(fu)(fu)蝕失效的(de)影響因素主要(yao)包括環境和合金元素兩方面。影響不(bu)銹(xiu)鋼腐(fu)(fu)蝕行為的(de)環境因素主要(yao)有CO2分(fen)(fen)壓(ya)、H2S分(fen)(fen)壓(ya)、溫度、Cl-濃度、流速、載荷(he)狀態等(deng)。

CO2分壓(ya)可(ke)(ke)以通過影(ying)響pH以及陰極和陽(yang)極反應來影(ying)響不(bu)銹(xiu)鋼(gang)(gang)(gang)的(de)(de)(de)腐(fu)蝕(shi)速(su)(su)(su)率，一般(ban)來講(jiang)，CO2分壓(ya)的(de)(de)(de)升高(gao)(gao)可(ke)(ke)以導致不(bu)銹(xiu)鋼(gang)(gang)(gang)腐(fu)蝕(shi)速(su)(su)(su)率的(de)(de)(de)提高(gao)(gao)；不(bu)銹(xiu)鋼(gang)(gang)(gang)在(zai)(zai)高(gao)(gao)溫高(gao)(gao)壓(ya)CO2環(huan)境(jing)中的(de)(de)(de)腐(fu)蝕(shi)速(su)(su)(su)率隨(sui)溫度(du)的(de)(de)(de)升高(gao)(gao)而(er)增加，尤其是當溫度(du)高(gao)(gao)于150℃后(hou)，其腐(fu)蝕(shi)速(su)(su)(su)率快速(su)(su)(su)升高(gao)(gao)；Cl-對(dui)不(bu)銹(xiu)鋼(gang)(gang)(gang)在(zai)(zai)高(gao)(gao)溫高(gao)(gao)壓(ya)CO2環(huan)境(jing)中的(de)(de)(de)腐(fu)蝕(shi)行為(wei)的(de)(de)(de)影(ying)響具有兩面性，一方(fang)面，Cl-可(ke)(ke)以加速(su)(su)(su)鈍(dun)化膜的(de)(de)(de)破壞，從而(er)促進(jin)局部腐(fu)蝕(shi)的(de)(de)(de)發生，另一方(fang)面，Cl-使得CO2在(zai)(zai)水溶液中的(de)(de)(de)溶解度(du)降低，又可(ke)(ke)以抑制材料的(de)(de)(de)腐(fu)蝕(shi)；流速(su)(su)(su)對(dui)不(bu)銹(xiu)鋼(gang)(gang)(gang)腐(fu)蝕(shi)速(su)(su)(su)率影(ying)響的(de)(de)(de)研(yan)究則相對(dui)較少。

在含CO2/H2S環境中，少量(liang)H2S的(de)加入能(neng)夠(gou)抑制(zhi)13Cr不(bu)銹(xiu)鋼(gang)的(de)腐(fu)蝕(shi)，增(zeng)(zeng)(zeng)強13Cr不(bu)銹(xiu)鋼(gang)的(de)耐點蝕(shi)性能(neng)，隨(sui)(sui)著(zhu)H2S含量(liang)的(de)進(jin)一步(bu)增(zeng)(zeng)(zeng)加，13Cr不(bu)銹(xiu)鋼(gang)的(de)H2S腐(fu)蝕(shi)轉換(huan)為主控(kong)機制(zhi)，材(cai)料的(de)點蝕(shi)敏(min)感性增(zeng)(zeng)(zeng)加。13Cr不(bu)銹(xiu)鋼(gang)的(de)電化(hua)(hua)學(xue)反應主要由(you)陽極控(kong)制(zhi)，溫度或(huo)(huo)Cl-濃(nong)度的(de)升高(gao)均能(neng)夠(gou)使(shi)(shi)材(cai)料的(de)點蝕(shi)敏(min)感性隨(sui)(sui)之(zhi)增(zeng)(zeng)(zeng)加。H2S和Cl-對(dui)于(yu)促進(jin)鈍化(hua)(hua)膜的(de)破裂及(ji)點蝕(shi)的(de)發展(zhan)具有協同作用，H2S能(neng)夠(gou)使(shi)(shi)鈍化(hua)(hua)膜產生硫化(hua)(hua)，硫化(hua)(hua)后的(de)鈍化(hua)(hua)膜易于(yu)吸附(fu)Cl-等陰離子(zi)，Cl-能(neng)夠(gou)進(jin)入鈍化(hua)(hua)膜中導致載流(liu)子(zi)密度增(zeng)(zeng)(zeng)大，導致局部鈍化(hua)(hua)膜的(de)完全(quan)溶(rong)解或(huo)(huo)破裂，從(cong)而(er)促使(shi)(shi)點蝕(shi)的(de)發生與發展(zhan)。

應力和(he)電化(hua)(hua)學腐(fu)(fu)蝕(shi)之間(jian)存在(zai)(zai)力學-化(hua)(hua)學交互(hu)作(zuo)用(yong)。一方面，應力的存在(zai)(zai)可以在(zai)(zai)一定程度上(shang)促進陽(yang)極(ji)的活性(xing)(xing)溶解，在(zai)(zai)滑移(yi)面等缺陷處容易(yi)發生局部腐(fu)(fu)蝕(shi)；另一方面，由于陽(yang)極(ji)溶解發生，導致位(wei)錯(cuo)移(yi)動時局部塑性(xing)(xing)變(bian)形增強，并且形成位(wei)錯(cuo)塞積群，使局部應力增強，從而提(ti)高力學化(hua)(hua)學效應。

合金(jin)元(yuan)(yuan)素能(neng)夠影響(xiang)不銹鋼鈍(dun)(dun)化(hua)(hua)膜(mo)的(de)(de)性(xing)(xing)能(neng)，進而影響(xiang)其在服(fu)役工況下的(de)(de)耐蝕性(xing)(xing)能(neng)。與Ni和(he)Fe相比，Cr和(he)Mo對(dui)于(yu)鈍(dun)(dun)化(hua)(hua)膜(mo)的(de)(de)貢獻更大(da)。Ni不會直接對(dui)鈍(dun)(dun)化(hua)(hua)膜(mo)貢獻，鈍(dun)(dun)化(hua)(hua)膜(mo)中Ni的(de)(de)氧化(hua)(hua)物含量(liang)非常少。在鈍(dun)(dun)化(hua)(hua)膜(mo)的(de)(de)內(nei)外層(ceng)中，Cr（Ⅲ）的(de)(de)氧化(hua)(hua)物含量(liang)都(dou)很(hen)高，Cr是最主要的(de)(de)鈍(dun)(dun)化(hua)(hua)元(yuan)(yuan)素。Mo鹽離(li)(li)子能(neng)夠沉積在鈍(dun)(dun)化(hua)(hua)膜(mo)外層(ceng)，具有陽離(li)(li)子選(xuan)擇(ze)性(xing)(xing)，與具有陰(yin)離(li)(li)子選(xuan)擇(ze)性(xing)(xing)的(de)(de)Cr2O3能(neng)夠組成保護性(xing)(xing)很(hen)好的(de)(de)雙層(ceng)膜(mo)，外層(ceng)膜(mo)阻礙侵(qin)蝕性(xing)(xing)陰(yin)離(li)(li)子的(de)(de)侵(qin)入，內(nei)層(ceng)膜(mo)限制(zhi)金(jin)屬離(li)(li)子的(de)(de)外出。

油氣(qi)設施用鎳基耐蝕合金

鎳基耐(nai)蝕(shi)合(he)金主(zhu)要適用(yong)于高含硫酸(suan)性油(you)氣田(tian)的(de)(de)(de)(de)高溫(wen)高壓(ya)環(huan)境中(zhong)，其主(zhu)要的(de)(de)(de)(de)失效形式是點蝕(shi)和硫化物應力腐(fu)(fu)蝕(shi)開裂。這些合(he)金必須保證(zheng)在這樣的(de)(de)(de)(de)環(huan)境下安全服役(yi)多年，并且表(biao)面(mian)經(jing)受各種液(ye)態流動和氣相腐(fu)(fu)蝕(shi)的(de)(de)(de)(de)影響(xiang)。此外，它(ta)們的(de)(de)(de)(de)環(huan)形表(biao)面(mian)也要抵抗來自完井、油(you)井的(de)(de)(de)(de)維修以(yi)及灌漿液(ye)帶入的(de)(de)(de)(de)鹽水造(zao)成的(de)(de)(de)(de)腐(fu)(fu)蝕(shi)，不能因鹽水的(de)(de)(de)(de)出現造(zao)成的(de)(de)(de)(de)污染(ran)而破壞(huai)鹽水與耐(nai)蝕(shi)合(he)金之(zhi)間的(de)(de)(de)(de)匹配性。

典型的(de)破壞作用主要(yao)來(lai)自表面氧化層和由(you)于(yu)相通或(huo)泄漏(lou)從下表層流入(ru)的(de)酸性氣體（如CO2和H2S）。偶(ou)然流入(ru)采油封(feng)隔器的(de)氣體是造成鎳(nie)基耐蝕合(he)金井下管(guan)材失效的(de)一大原因，因此完井液環境中的(de)環境敏感斷(duan)裂(lie)也(ye)是耐蝕合(he)金應用過程(cheng)中應當注意的(de)問(wen)題(ti)。

隨著(zhu)H2S/CO2分壓增(zeng)高(gao)、腐(fu)(fu)蝕(shi)(shi)(shi)溫度升(sheng)高(gao)、S元素的(de)沉(chen)積及高(gao)鹽環(huan)境Cl-侵(qin)蝕(shi)(shi)(shi)等，鎳(nie)基(ji)合(he)金(jin)表面鈍化膜(mo)的(de)完整性(xing)將被破壞，導致鎳(nie)基(ji)合(he)金(jin)管材(cai)發生(sheng)(sheng)腐(fu)(fu)蝕(shi)(shi)(shi)失效。鎳(nie)基(ji)耐蝕(shi)(shi)(shi)合(he)金(jin)在(zai)高(gao)溫高(gao)壓酸性(xing)含Cl-環(huan)境中(zhong)會先發生(sheng)(sheng)點(dian)(dian)蝕(shi)(shi)(shi)，而點(dian)(dian)蝕(shi)(shi)(shi)坑(keng)又為其(qi)發生(sheng)(sheng)陽極溶解型的(de)應(ying)(ying)(ying)力腐(fu)(fu)蝕(shi)(shi)(shi)開裂(lie)提供了應(ying)(ying)(ying)力集中(zhong)源，因此，點(dian)(dian)蝕(shi)(shi)(shi)坑(keng)的(de)形成與發展對于(yu)鎳(nie)基(ji)耐蝕(shi)(shi)(shi)合(he)金(jin)在(zai)酸性(xing)環(huan)境中(zhong)的(de)應(ying)(ying)(ying)力腐(fu)(fu)蝕(shi)(shi)(shi)開裂(lie)起著(zhu)重要作(zuo)用。目前對于(yu)鎳(nie)基(ji)耐蝕(shi)(shi)(shi)合(he)金(jin)在(zai)酸性(xing)油(you)氣(qi)田環(huan)境中(zhong)的(de)腐(fu)(fu)蝕(shi)(shi)(shi)行為已經有一定的(de)研究成果。

耐蝕(shi)(shi)合金(jin)在高溫高壓(ya)高酸性(xing)環境(jing)，在腐蝕(shi)(shi)初(chu)期，耐蝕(shi)(shi)合金(jin)表(biao)面(mian)形成的(de)(de)鈍(dun)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)膜表(biao)面(mian)具(ju)有雙極性(xing)半(ban)導體特性(xing)，能夠(gou)很(hen)好地阻(zu)礙(ai)陰離子(zi)向(xiang)鈍(dun)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)膜內(nei)(nei)層(ceng)(ceng)擴(kuo)散(san)以及陽離子(zi)向(xiang)鈍(dun)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)膜外層(ceng)(ceng)擴(kuo)散(san)，對合金(jin)基體保(bao)護性(xing)良好。隨著腐蝕(shi)(shi)的(de)(de)進行，S2-可以吸附于(yu)部分氧空(kong)(kong)位，并且逐漸在鈍(dun)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)膜表(biao)層(ceng)(ceng)形成金(jin)屬(shu)硫化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)物。同時(shi)，鈍(dun)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)膜中的(de)(de)S2-可以借(jie)助(zhu)空(kong)(kong)位遷(qian)(qian)移(yi)擴(kuo)散(san)到(dao)(dao)鈍(dun)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)膜內(nei)(nei)層(ceng)(ceng)。鈍(dun)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)膜的(de)(de)轉變與膜中空(kong)(kong)位遷(qian)(qian)移(yi)速率(lv)有關(guan)，當鈍(dun)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)膜表(biao)層(ceng)(ceng)的(de)(de)金(jin)屬(shu)硫化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)物中S2-空(kong)(kong)位遷(qian)(qian)移(yi)速率(lv)大(da)于(yu)氧空(kong)(kong)位遷(qian)(qian)移(yi)速率(lv)時(shi)，S2-容易借(jie)助(zhu)空(kong)(kong)位向(xiang)鈍(dun)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)膜內(nei)(nei)部擴(kuo)散(san)，最終金(jin)屬(shu)氧化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)物完(wan)整性(xing)遭到(dao)(dao)破(po)壞，并最終形成穩定的(de)(de)點(dian)蝕(shi)(shi)坑。

另(ling)一(yi)方面，在(zai)(zai)酸(suan)性(xing)環(huan)境中(zhong)(zhong)使(shi)(shi)用的(de)鎳基(ji)合(he)金(jin)都(dou)屬(shu)于固(gu)溶(rong)(rong)強化(hua)(hua)(hua)型冷加工(gong)態耐(nai)蝕(shi)合(he)金(jin)，其(qi)(qi)在(zai)(zai)冷加工(gong)生產過(guo)程中(zhong)(zhong)會形(xing)成一(yi)定(ding)的(de)殘余(yu)應(ying)力(li)，需要進行一(yi)系列(lie)的(de)熱(re)(re)處理(li)，以消除殘余(yu)應(ying)力(li)和(he)組織(zhi)缺陷。然而在(zai)(zai)熱(re)(re)處理(li)過(guo)程中(zhong)(zhong)，鎳基(ji)合(he)金(jin)容(rong)易(yi)析(xi)(xi)出損害其(qi)(qi)耐(nai)蝕(shi)性(xing)的(de)金(jin)屬(shu)間化(hua)(hua)(hua)合(he)物和(he)碳化(hua)(hua)(hua)物。在(zai)(zai)實際(ji)工(gong)況下，腐(fu)蝕(shi)性(xing)介(jie)質使(shi)(shi)具有(you)敏化(hua)(hua)(hua)析(xi)(xi)出組織(zhi)的(de)工(gong)件產生嚴重局部(bu)腐(fu)蝕(shi)的(de)案例很多，而點(dian)蝕(shi)是破壞性(xing)和(he)隱(yin)患性(xing)最(zui)大(da)的(de)腐(fu)蝕(shi)形(xing)態之一(yi)。熱(re)(re)處理(li)溫度能夠通過(guo)影響(xiang)元素(su)的(de)擴(kuo)散速(su)度以及(ji)沉淀相(xiang)的(de)析(xi)(xi)出與溶(rong)(rong)解，析(xi)(xi)出相(xiang)的(de)大(da)量生成使(shi)(shi)得耐(nai)蝕(shi)合(he)金(jin)組織(zhi)不(bu)均勻(yun)性(xing)增加，同(tong)時造成貧Mo區域鈍(dun)化(hua)(hua)(hua)膜穩定(ding)性(xing)變差，容(rong)易(yi)發生局部(bu)活化(hua)(hua)(hua)溶(rong)(rong)解，點(dian)蝕(shi)敏感性(xing)明顯增加。