普光气田N80套管多元腐蚀行为试验研究

徐剑明，郑璐璐，李亮，董海彬

（中国石化中原油田普光分公司采气厂，四川达州 635000）①

1 试验材料与设备

试验材料为普光气田常用的N80钢级的套管材料，其化学成分和力学性能如表1所示。根据试验设备要求，试样形状如图1所示。

表1 普光气田N80套管钢材料化学成分 wB%

图1 高温高压釜腐蚀试样尺寸

将试样用水砂纸（200＃、400＃、600＃、800＃）打磨至无机械划痕，用蒸馏水冲洗干净，用丙酮除油，放入无水乙醇，滤纸吸干表面酒精，置于干燥箱中干燥、待用。用BP210S（Max 210g；d＝0.1mg）型电子天平称重。利用游标卡尺测量试件尺寸：D、E、F、G、H、I，试件表面积则为

试验设备为带旋转装置的GSHA－3型高温高压反应釜，如图2所示。

图2 GSHA－3型高温高压反应釜

2 试验方法

正交试验设计也称正交设计（orthogonal design），是用来科学地设计多因素试验的一种方法。它利用一套规格化的正交表（orthogonal table）安排试验，得到的试验结果再用数理统计方法进行处理，使之得出科学结论。正交表是试验设计的基本工具，它是根据均衡分布的思想，运用组合数学理论构造的一种数学表格，均衡分布性是正交表的核心［3－5］。

安排的4因素3水平的试验，编上试验号，列成另外一种形式，正交试验表L9（34）如表2。可以由此得到系列正交表（orthogonal table）。

表2 正交试验表L9（34）

A 因素第1个取值方差表示为

式中：y1为A 因素第1个值试验结果，y2为A 因素第2个值试验结果，y3为A因素第3个值试验结果。

彼有私急也，必以公义示而强之。其意有下也，然而不能已，说者因为之饰其美而少其不为也。其心有高也，而实不能及，说者为之举其过而见其恶，而多其不行也。有欲矜以智能，则为之举异事之同类者，多为之地，使之资说于我，而佯不知也，以资其智。欲内相存之言，则必以美名明之，而微见其合于私利也。欲陈危害之事，则显其毁诽，而微见其合于私患也。誉异人与同行者，规异事与同计者，有与同污者，则必以大饰其无伤也。有与同败者，则必以明饰其无失也。彼自多其力，则毋以其难概之也。自勇之断，则毋以其谪怒之。自智其计，则毋以其败穷之。

同理可以得到KA1′、KA2′、KA3′等其他因素的方差。根据方差即可计算极差，极差反应了试验影响的主次顺序。极差最大的那一列，则此因素的水平改变时对试验指标的影响就最大，那个因素就是要考虑的主要因素。

3 基本参数

腐蚀试验介质用化学纯分析试剂和去离子蒸馏水配置，腐蚀介质参数如表3。根据表2配置9组不同的腐蚀试验介质，并注入反应釜中。并将试验的套管钢刮片置于高温高压反应釜中，调节反应釜的参数，升高温度，开始计时，试验时间为72h。试验完毕之后，取出挂片，用蒸馏水冲洗干净，滤纸吸干表面水分。取其中1个进行表面腐蚀形貌和成分分析，其余2个用除膜液清除腐蚀产物膜，除膜20 min，并用橡皮擦擦拭表面，除膜后用蒸馏水冲洗干净，放入饱和NaHCO3溶液中浸泡2min，并放入无水乙醇中脱水3 min，吹干放入干燥箱中24h，称重，得出腐蚀后试样的质量。

腐蚀后用XTL－500型体视显微镜和SEM 观察腐蚀形态和产物膜形貌，用扫面电镜附带的X 射线能谱仪（EDS）进行腐蚀产物膜成分分析。

表3 试验介质参数

4 试验结果与分析

4.1 多元腐蚀试验结果

正交试验结果如表4所示。

表4 正交试验结果

利用式（1）～（2）计算正交试验方差和极差，如表5。

表5 正交试验方差分析结果

4.2 腐蚀产物膜形貌和成分

通过上面分析：可以看出，对套管钢腐蚀速率影响最大因素为NaHCO3的质量浓度，因此对其产物膜进行观察。选择其中最小腐蚀速率组别和最大腐蚀速率组别进行对比分析［6－8］。

由图3可以看出：NaHCO3质量浓度最小影响水平中的最大腐蚀速率所对试验组别试样（如图3a）只是产生了较小的局部腐蚀，腐蚀形态呈现出由一点向外扩展的圆点发展方式，圆点中心比周边腐蚀严重；而NaHCO3质量浓度最大影响水平中的最小腐蚀速率所对组别试样（如图3b）产生了较严重的均匀腐蚀，同时附带局部点蚀形态，点蚀孔均匀地分布于整个试样表面。可以看出，腐蚀严重程度随NaHCO3质量浓度的增加发生骤然增加的趋势。因此，NaHCO3质量浓度对N80套管钢材的腐蚀速率影响最大。

图3 腐蚀产物膜体视显微镜形貌（放大41.5倍）

根据如图4所示的扫描电镜形貌分析结果可以看出，试验1的试样表面只有部分区域存在腐蚀产物膜的覆盖情况，以及少量的产物膜脱落（如图4a），腐蚀较轻微。对未脱落的产物膜，采用扫描电镜所附带的X射线能谱分析仪进行能谱分析，其结果如图4b所示，具体成分百分比如表6。可以看出，第1组试样的产物膜以Fe、O、C 和S元素为主，即产物膜可能含有FeCO3和FexSy，且以FeCO3为主。因此，在试验1腐蚀环境下，套管腐蚀以NaHCO3引起的腐蚀为主。

表6 腐蚀产物膜成分 wB%

图4 腐蚀产物膜扫描电镜形貌和成分分析（试验1）

从图5a可以看出，试验2试样表面出现厚厚的产物膜层，表面被腐蚀产物膜完全覆盖，且产物膜出现鼓泡和裂纹，而裂纹是从鼓泡中心向四周扩散。采用扫描电镜所附带的X 射线能谱分析仪对产物膜进行能谱分析，其结果如图5b所示，具体成分如表7。可以看出，该组试样产物膜中仅含有Fe、C 和S元素，其中S元素含量较第一组明显增加，O 元素含量明显降低，而Fe、C 元素则变化不明显，且以Fe、S含量最高，即产物膜可能含有FexSy及少量FeCO3，以FexSy为主。因此，试验2腐蚀环境下，套管钢材的腐蚀以Na2S腐蚀为主。

表7 腐蚀产物膜分析结果 wB%

图5 腐蚀产物膜扫描电镜形貌和成分分析（试验2）

5 结论

1）试验中各因素对试验指标（腐蚀失重率）的影响按大小顺序是NaHCO3质量浓度、温度、Na2S质量浓度、NaCl质量浓度。

2）N80套管材料在不同腐蚀环境下，腐蚀表面形貌各异，多有蚀坑状，少数试样表面有台阶状。腐蚀形态多为点蚀或坑蚀。

3）N80套管材料腐蚀表面产物各不相同，所有腐蚀产物均包括CaC3、SiO2，部分试样腐蚀产物还包括FeS、KCl，且各腐蚀产物所占质量均不相同。

4）根据扫描电镜的扫描分析可以得出：碳酸氢根离子浓度对套管材料的腐蚀影响最大，Fe的消耗最多，高浓度的碳酸氢根离子引起材料的全面腐蚀，且蚀斑较多较大；氯离子是引起套管材料的点蚀；硫离子和套管材料发生反应生成黑色的FeS。

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