不同腐蚀条件下L360钢慢应变速率拉伸性能分析

侯 铎,曾 钟,唐孝华,唐 佳,张志东

(1. 西南石油大学 油气藏地质及开发工程国家重点实验室 四川 成都 610500;2.中石油川庆钻探工程公司安全环保质量监督检测研究院 四川 广汉 618300)



不同腐蚀条件下L360钢慢应变速率拉伸性能分析

侯 铎1,曾 钟2,唐孝华2,唐 佳1,张志东2

(1. 西南石油大学 油气藏地质及开发工程国家重点实验室 四川 成都 610500;2.中石油川庆钻探工程公司安全环保质量监督检测研究院 四川 广汉 618300)

利用慢应变速率拉伸法研究了L360钢在NACE 0177—2005标准A溶液、模拟地层水两种腐蚀环境中的慢应变速率拉伸性能，运用扫描电镜SEM分析L360钢在两种腐蚀介质中的裂纹扩展规律及其断口形貌特征。综合分析A溶液、模拟地层水与空气中的慢应变拉伸实验结果发现，L360钢抗拉强度在A溶液和模拟地层水中分别衰减3.1%和12.1%，断后延伸率分别降低48.3%和69.2%，慢应变速率拉伸过程中发生形变、开裂直至断裂破坏所吸收的应变能分别降低47.5%和75.9%，说明L360钢在两种腐蚀介质中抵抗环境腐蚀和载荷冲击的能力均明显下降，在模拟地层水中具有较高的SCC敏感性。

石油管 慢应变速率拉伸 力学性能 应力腐蚀敏感性 裂纹扩展

石油管现场服役工况复杂，管道钢在各种腐蚀介质中服役时存在应力腐蚀开裂(SCC)风险，造成管材使用寿命大大降低、甚至发生开裂、失效等重大安全事故[1-3]。目前，对石油管L360钢在服役环境中应力腐蚀开裂性能进行了大量研究，李挺等[2]15利用静态挂片质量损失法研究含H2S/CO2模拟油田水溶液中温度及Cl-质量浓度对L360管线钢点蚀的影响，发现在40～70 ℃，Cl-质量浓度为10 g/L时，L360钢点蚀程度随温度增高而增大。蒋秀等[4]通过模拟实验研究L360抗硫钢在S沉积环境且NaCl质量分数为3.5%时的腐蚀行为，研究表明:S的沉积导致L360钢发生均匀腐蚀和小孔腐蚀，且使均匀腐蚀速率增加约50倍。该文通过研究各种工况条件下L360钢使用性能的损伤特性，测试L360钢在A溶液和模拟地层水两种腐蚀环境中的慢应变速率拉伸(SSRT)性能，实验确

定L360钢在这两种腐蚀介质中力学性能的损伤情况，运用显微分析观察其裂纹扩展规律及断口形貌特性，对L360钢的SCC敏感性进行综合评判。

1 实验材料及方法

实验选用L360管线钢，使用LF-100-201-V-304含硫高温高压慢应变速率拉伸试验机，拉伸速率为3.5×10-4mm/s，实验腐蚀介质：标准A溶液(NACE 0177—2005，1L溶液的配制方法为50 g 氯化钠、5 g冰乙酸溶于945 g去离子水，pH值2.6～2.8)和某气田模拟地层水，具体离子含量及配制方法见表1和表2。实验前腐蚀介质进行不少于1 h的除氧操作，试样安装在慢拉伸试验机后继续除氧30 min，当温度、压力达到实验条件后，开始实验。试样断裂后，立即用扫描电子显微镜(SEM)观察断口形貌特征。

表1 某气田模拟地层水离子质量浓度 g/L

表2 模拟地层水配制方法

2 结果与讨论

2.1 SSRT实验结果

L360钢在两种腐蚀介质中的慢拉伸实验结果见表3，应力-应变曲线见图1。由表3可知，L360钢在A溶液和模拟地层水中均存在应力腐蚀敏感性，抗拉强度和屈服强度均有所降低；塑性性能明显降低，体现为延伸率和断面收缩率急剧减小。其中抗拉强度在A溶液时降幅为3.1%，在模拟地层水中降幅为12.1%，远大于在A溶液中的降低幅度。A溶液中延伸率降低48.3%，模拟地层水中延伸率降低69.2%，同样远大于在A溶液中的降低幅度，表明L360钢在模拟地层水中的SCC敏感性较高。利用式(1)计算L 360钢在两种腐蚀环境中的应变能密度：

(1)

式中：Vε为应变能密度，J/m3；σ为应力，MPa；ε为应变，%；D为应力-应变曲线与坐标轴围成的面积，m2。

应力-应变积分的物理意义为外力在拉伸过程中对试样所做的功，也是试样在发生形变和断裂过程中吸收的能量，此能量的消耗一部分用在以滑移或孪生为主的形变功上，并以热量的形式传递到环境中，另一部分储存在材料内部高密度位错中[5]。该能量的大小可以直观的用应力-应变曲线与坐标轴围成的面积表示。当试样发生SCC时，在腐蚀介质中的应力-应变曲线与坐标轴围成的面积远小于试样在标准拉伸下曲线与坐标轴围成的面积[6]，根据石油管L360钢应力-应变曲线下方面积的变化特征及式(1)，计算得出应变能密度。

计算结果表明：在A溶液中，L360钢应变能密度为80.23×106J/m3，降低幅度为47.5%；在模拟地层水中，L360钢应变能密度为36.79×106J/m3，降低幅度为75.9%，其降低幅度远远大于A溶液，表明L360钢在模拟地层水中断裂所需能量小于在A溶液中吸收的能量，进一步说明L360钢在模拟地层水中抵抗应力腐蚀开裂的能力远低于在A溶液中的能力。

表3 L360钢SSRT实验数据计算结果

图1 不同腐蚀介质下的应力-应变曲线

2.2 敏感性分析

由表3和图1可知，L360钢在A溶液和模拟地层水这两种腐蚀介质中存在SCC敏感性。其敏感性的高低可用试样在腐蚀环境中性能的测试结果与在惰性环境(空气中)测试结果的比值来评定，即

(2)

比值较1偏离的越远，SCC敏感性越高。

表4是敏感性计算结果，由表4可知，L360钢在模拟地层水中每个参数的比值都比A溶液中的比值较1偏离的更远，其中应变能和延伸率这两个参数的比值体现最为明显。在A溶液中，应变能比值为0.52，模拟地层水中应变能比值为0.24，在模拟地层水中的偏离幅度远远大于在A溶液中的偏离幅度，敏感性越高；对于延伸率，在A溶液中比值为0.52，在模拟地层水中比值为0.31，其偏离幅度也远远大于在A溶液中的偏离幅度。说明L360钢在模拟地层水中的SCC敏感性最高，远远大于L360钢在A溶液中的SCC敏感性。

表4 敏感性计算结果

注：表中所有的比值由公式(2)计算获得。

2.3 断口及裂纹形貌观察

根据L360在空气中断口显微形貌(见图2)，断口附近出现明显的颈缩现象，微观断口形貌呈现明显的等轴韧窝，局部韧窝壁上有蛇形滑移特征，呈现典型的韧性断裂特征。表明L360钢在空气环境下的SSRT实验中伴随着大量的塑性变形，当应力超过材料的屈服强度后，材料开始发生塑性变形，在材料内部夹杂物、析出相、晶界或亚晶界等地方发生位错塞积，产生应力集中，进而形成显微孔洞，且随着形变增加，显微孔洞增大且相互吞并，最后发生颈缩和断裂[7-8]。

图2 在空气中断口显微形貌(颈缩+韧性断口)

图3是L360钢在A溶液中的SSRT断口形貌，由图3可见，当试样在A溶液中拉伸时，宏观断口附近无颈缩现象，断口比较平齐，断口微观形貌出现准解理特征，同时局部伴有少量微孔，呈现出脆性断裂特征，应力集中在微裂纹处，并沿特定的晶面扩展、劈开，造成解理断裂。表明塑韧性较好的L360钢在A溶液SSRT中显现出脆性断裂特征，其塑韧性较标准拉伸时的塑韧性低；试样发生脆性断裂时，承受的工程应力不超过试样的屈服强度，可见在A溶液中L360钢的强度有一定程度的降低。由此可见，L360钢在A溶液中力学性能下降、塑性性能降低，具有一定的SCC敏感性。

图3 在A溶液中的SSRT断口形貌

图4是L360钢在模拟地层水中的SSRT断口形貌，由图4可见，当试样在模拟地层水中拉伸时，宏观断口齐平，微观断口出现河流花样的形貌特征，表现为脆性断裂。L360钢在模拟地层水中发生脆性断裂，其力学性能和塑性性能降低，且降幅大于在A溶液中的降幅，表明L360钢在模拟地层水中的SCC敏感性更高。

综上可知，L360钢在A溶液(低压酸性工况)和模拟地层水(高压地层工况)均具有SCC敏感性，且在模拟地层水中的SCC敏感性高于在A溶液中的敏感性。

图4 L360钢在模拟地层水中的SSRT断口形貌

3 结 论

(1)L360钢在A溶液和模拟地层水这两种腐蚀介质中均存在应力腐蚀开裂敏感性，且在模拟地层水中强度、塑性性能降幅较大，SCC敏感因子较高；

(2)根据SEM断口形貌分析，L360钢在A溶

液中断口呈解理断裂，在模拟地层水中为脆性断裂；

(3)L360钢在A溶液、模拟地层水两种腐蚀介质中，断裂方式由韧性断裂转变为脆性断裂，发生断裂时的应力远低于其自身屈服强度，断裂时所需吸收的能量较低。说明材料在腐蚀环境中，由于腐蚀损伤，造成管材自身抵抗环境断裂的能力减弱。

[1] 崔之健, 史秀敏, 李又绿. 油气储运设施腐蚀与防护 [M].北京: 石油工业出版社, 2009.

[2] 李挺, 刘德绪, 垄金海，等. H2S/CO2环境中L360钢点蚀行为研究 [J]. 腐蚀科学与防护技术, 2012, 24(1): 15.

[3] Fang H T. Low Temperature and High Salt Concentration Effects on General CO2Corrosion for Carbon Steel [D]. Athens: Ohio University, 2006.

[4] 蒋秀, 张艳玲, 屈定荣，等. 3.5%NaCl溶液中L360钢在S沉积条件下的腐蚀行为研究[J]. 腐蚀科学与防护技术, 2014, 26(4): 312.

[5] 汪兵. 管线钢在近中性pH值溶液中的应力腐蚀开裂[J]. 腐蚀科学与防护技术, 2002,13(2):123-125.

[6] 李娟. 管线钢应力腐蚀慢应变速率拉伸试验研究 [D]. 北京：中国石油大学, 2007.

[7] 刘智勇, 王长朋, 杜翠薇. 外加电位对X80管线钢在鹰潭土壤模拟溶液中应力腐蚀行为的影响 [J]. 金属学报, 2011, 47(11): 1434-1439.

[8] 刘智勇, 翟国丽, 杜翠薇. X70钢在酸性土壤模拟溶液中的应力腐蚀行为 [J]. 金属学报,2008, 44(2):209-214.

(编辑 王维宗)

Analysis of SSRT Performance of L360 Steel Under Different Corrosive Conditions

HouDuo1,ZengZhong2,TangXiaohua2,TangJia1,ZhangZhidong2

(1.StateKeyLaboratoryofOilandGasReservoirGeologyandExploitation,SouthwestPetroleumUniversity,Chengdu610500，China;2.CNPCHSESupervisionandTestingInstitute,Guanghan618300,China)

The slow strain race test (SSRT) is applied to study the slow strain rate tensile properties of L360 steel in Solution A in NACE 0177-2005 standard and simulate the formation water under two different corrosive environments. The crack propagation law and fracture morphology of L360 steel in different corrosive environments are analyzed by scanning electron microscope (SEM). The analysis of solution A and simulation of SSRT of formation water have found that L360 steel’s tensile strength is reduced by 3.1% and 12.1% respectively in simulation solution A and formation water and the break elongation is reduced by 48.3% and 69.2%. The strain absorbed by formation change, cracking and fracture in the process of SSRT is lowered by 47.5%, and 75.9% respectively, which indicates that both the corrosion resistance and anti-impact performances of L360 steel in two corrosive media are obviously reduced, and has a higher SCC sensitivity in the simulated formation water.

oil pipeline, slow strain rate tensile (SSRT), mechanical properties, SCC sensitivity, crack propagation

2016-01-06；修改稿收到日期：2016-02-08。

侯铎(1984-)，博士，长期从事石油管具设备安全评价及油气田材料腐蚀防护研究工作。E-mail：dragon-duo@hotmail.com