封隔器用两种铬钼钢在服役条件下的腐蚀行为

韩新德，王洪兵，王建宁，谢唯一，王少波，胡松青

（1.华北油田公司采油工程研究院，任丘062552；2.中国石油大学（华东）理学院，青岛266580）

封隔器用两种铬钼钢在服役条件下的腐蚀行为

韩新德1，王洪兵2，王建宁1，谢唯一1，王少波1，胡松青2

（1.华北油田公司采油工程研究院，任丘062552；2.中国石油大学（华东）理学院，青岛266580）

研究了封隔器常用的两种铬钼钢35Cr Mo和42Cr Mo在不同温度和压力条件下的腐蚀行为，并考察了腐蚀前后两种材料力学性能的变化。通过失重法得出了两种材料在不同条件下的腐蚀速率。结果表明：在相同的温度、压力条件下，42Cr Mo试样的腐蚀速率比35Cr Mo试样的大；两种材料的腐蚀速率均随温度的升高先增加后下降，随压力的升高而增加；腐蚀前42Cr Mo试样的抗拉强度和抗弯曲强度都比35Cr Mo试样的大，表明42Cr Mo钢的力学性能要优于35Cr Mo钢的，但腐蚀后42Cr Mo试样力学性能的降低程度要比35Cr Mo试样的多，这表明腐蚀越严重，材料的力学性能损失越大。

铬钼钢；腐蚀；力学性能；温度；压力

封隔器是油田钻采工艺中重要的井下工具之一［1］。作为重要的密封工具，封隔器及其部件不能轻易发生变形，但是它在作业过程中要承受多种载荷的联合作用，这就要求封隔器所使用的材料具有良好的力学性能。封隔器中的一些重要部件如中心管的承拉部件及卡瓦部件对金属材料的力学性能要求更高［2］，一般采用高强度钢35Cr Mo以上的材料。随着石油勘探开发的不断进行，钻井深度增加，井下的工况条件也日益复杂。尤其是在高温高压的环境中，封隔器的腐蚀日益严重，其材料遭到破坏，力学性能降低［3］，进而导致其使用寿命的缩短。因此，封隔器的材料不仅要具有良好的力学性能，还应具有较好的耐蚀性，这对封隔器的选材提出了更高的要求。本工作利用高温高压动态反应釜模拟封隔器服役工况，对封隔器常用的铬钼钢35Cr Mo和42Cr Mo两种材料的腐蚀行为进行了考察，并利用万能试验机对腐蚀试验前后试样的力学性能进行了测试，以探索不同材料的腐蚀损伤和力学性能损失之间的关系，旨在为封隔器选材提供指导，延长封隔器的有效寿命。

1 试验

1.1 试样及溶液

试验材料为35Cr Mo和42Cr Mo两种铬钼钢，根据GB／T 228.1－2010标准制作成哑铃型试样，试样标准段的尺寸为58 mm×4 mm×2 mm，化学成分见表1。试验溶液模拟华北油田地层水，经水质分析得到，其化学成分见表2。

表1 35Cr Mo和42Cr Mo试样中的化学成分（质量分数）Tab.1 Chemical compositions of 35Cr Mo and 42Cr Mo（mass）％

表2 华北油田地层水中各离子含量Tab.2 Contents of ions of the formation water of Huabei Oilfield mg／L

1.2 试验方法

1.2.1 腐蚀试验

腐蚀试验在大连科茂实验设备有限公司生产的C-276型磁力驱动高温高压反应釜中进行。取制作好的标准试样，经丙酮除油、无水乙醇脱水、干燥后称量。每种材料取三个平行试样放入含有1 500 mL模拟华北油田地质水的反应釜中，设定好温度（100，120，135，150℃）和压力（5，10，15 MPa）后，进行72 h腐蚀试验。根据GB／T 16545－1996《金属和合金的腐蚀试样上腐蚀产物的清除》标准清除腐蚀后试样表面的腐蚀产物，然后采用的实验室配制的酸洗液进一步清洗试样［4］，再经丙酮除油、无水乙醇脱水、干燥后称量。其中酸洗液由20 mL盐酸+180 mL去离子水+0.7 g六次甲基四胺配制而成。根据试样腐蚀前后的质量损失及表面积计算腐蚀速率并取平均值作为最终结果。

1.2.2 力学性能测试

根据GB／T 228.1－2010《金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》标准，利用电子万能试验机测试腐蚀前后试样的断后伸长率（A）、屈服强度（Rp0.2）和抗拉强度（Rm）等参量，评价试样抗拉伸的能力。拉伸时卡具位移速率为2 mm／min。最大载荷为50 k N，数据采集频率为40 Hz。根据GB／T 232－2010《金属材料弯曲试验方法》标准，利用电子万能试验机测试腐蚀前后金属试样的极限载荷等参量，以评价腐蚀试验前后金属试样承受弯曲塑性变形的能力。弯曲试验速率为2 mm／min。

2 结果与讨论

2.1 腐蚀失重

由图1可见，在相同的温度和压力条件下，42Cr Mo试样的腐蚀速率大于35Cr Mo试样的；在同一压力条件下，两种试样的腐蚀速率均随温度的升高呈现出先增大后减小的趋势，且腐蚀速率在120℃时达到最大；而在同一温度条件下，两种试样的腐蚀速率均随着压力的升高而增加。以上结果表明，试样化学成分以及外界的环境因素都会对材料的腐蚀行为产生较大影响。

观察在100℃、5，10，15 MPa压力下，35Cr Mo和42Cr Mo试样在模拟东北油田地层水中浸泡72 h后的表面形貌，可以发现，随着压力的上升，试样腐蚀加剧。在15 MPa压力下，35Cr Mo试样腐蚀较轻，试样表面形成腐蚀斑，42Cr Mo试样腐蚀严重，试样表面形成了较重腐蚀坑，见图2。这表明，压力越大，腐蚀越严重，这与腐蚀失重试验得到的结果是一致的。

2.2 力学性能

2.2.1 拉伸性能

由图3可见，腐蚀前35Cr Mo和42Cr Mo试样的抗拉强度分别为1 020 MPa和1 090 MPa；腐蚀后两种试样的抗拉强度分别为975 MPa和985 MPa；腐蚀前42Cr Mo试样的抗拉伸性能优于35Cr Mo试样的，但是腐蚀后两种试样的拉伸性能差别不大。利用腐蚀后试样抗拉强度的损失比上腐蚀前试样的抗拉强度求出腐蚀后35Cr Mo和42Cr Mo试样的抗拉强度损失率分别为4.41％和9.63％，即腐蚀后42Cr Mo试样的抗拉强度损失率较大，这可能是由于42Cr Mo试样的腐蚀速率较大造成的。

2.2.2 弯曲性能

由图4可见，腐蚀前42Cr Mo和35Cr Mo试样的抗弯曲强度分别为128 MPa和119 MPa，42Cr Mo试样的抗弯强度高于35Cr Mo试样的。腐蚀后42Cr Mo和35Cr Mo两种试样的抗弯曲强度分别为115 MPa和112 MPa，抗弯曲强度的损失率分别为9.46％和6.28％，即42Cr Mo试样的抗弯曲强度的损失率大于35Cr Mo试样的。这可能也是由于42Cr Mo试样的腐蚀速率较大造成的。

两种试样腐蚀前后的力学性能测试结果表明，腐蚀损伤会导致材料力学性能的下降，并且腐蚀速率越大，材料的力学性能损失越大。

2.3 分析讨论

2.3.1 元素含量对铬钼钢腐蚀的影响

金属材料中各元素含量会极大地影响金属的腐蚀行为。由表1可见，42Cr Mo试样中的C和Cr含量略高于35Cr Mo试样的，其他元素含量基本相同。一般来说碳含量越高，材料的耐蚀性越差。这是因为钢中碳含量的增加使渗碳体数量增加，渗碳体与基体形成的微电池增多，导致腐蚀加剧。Cr可以改善钢的钝化能力，提高材料的耐蚀性。但是由于材料中的C与Cr会生成碳化物，使碳化物周围贫Cr，导致金属材料在腐蚀溶液中浸泡时容易发生晶间腐蚀而使其力学性能急剧下降；另一方面，由于Cr与C形成碳化物导致固溶铬含量减少，发生腐蚀后在基体表面形成的保护性Cr2O3减少，当Cr元素的含量较低（＜5％）时［5］，C含量对腐蚀的影响比铬含量影响大。这就导致42Cr Mo试样的腐蚀速率比35Cr Mo试样的大。

2.3.2 温度对铬钼钢腐蚀的影响

温度对钢的腐蚀影响主要有两方面。一方面，升高温度会加速介质中腐蚀离子的扩散，导致材料自腐蚀电位降低、蚀坑加速生长，抑制钝化发生［6］，从而增大腐蚀速率；另一方面，温度的变化会导致腐蚀产物膜的形貌和结构发生很大的变化［7］。一般来说，温度越高，腐蚀产物膜越致密，其对腐蚀离子在材料表面吸附起到的阻碍作用越大，能够在一定程度上减缓腐蚀。由图1可见：随着温度的升高，35Cr Mo和42Cr Mo试样的腐蚀速率均呈现出先增大后减小的趋势。这是因为在温度较低（＜120℃）时，腐蚀速率主要取决于腐蚀离子的扩散过程。温度越高离子扩散越快，并且此时形成的腐蚀产物膜致密度小，对腐蚀离子的扩散速率影响较小，因此腐蚀速率随着温度的升高而增加。当温度大于135℃时，腐蚀产物膜的致密度增加，从而起到阻止腐蚀离子的吸附作用，因此随着温度的升高腐蚀速率反而减小。

2.3.3 压力对铬钼钢腐蚀的影响

根据压力对腐蚀的影响机制，可以将低合金高强度钢的腐蚀分为三个阶段［8］：腐蚀初期，压力使Cl－在金属表面吸附量增加，导致腐蚀活性点增多，从而加速金属试样的腐蚀；腐蚀中期，在这一阶段由于形成了具有一定保护作用的腐蚀产物膜，腐蚀速率降低，压力对腐蚀的影响较小；腐蚀后期，静水压力加速腐蚀性离子的扩散，导致腐蚀加速。通过观察腐蚀后试样的宏观腐蚀形貌可以看出，试样表面形成了腐蚀产物膜，但腐蚀产物膜并没有全部覆盖试样表面。因此可以判断试样处于腐蚀阶段的前中期，在此阶段，金属的腐蚀主要受腐蚀离子含量的影响。因此，压力越大，Cl－在金属表面的吸附量越大，腐蚀速率也就越大。

3 结论

（1）当温度为100～150℃，且压力为5～15 MPa时，42Cr Mo试样的腐蚀速率较大，其耐蚀性比35Cr Mo试样的差。

（2）两种试样的腐蚀速率都随压力的增大而升高，随温度的升高先增加后降低，在120℃左右腐蚀速率最大。

（3）42Cr Mo试样的抗拉伸性能和抗弯曲性能都优于35Cr Mo试样的，但是腐蚀后42Cr Mo试样的力学性能损失高于35Cr Mo试样的，这可能是由于腐蚀造成的。

［1］ 张立新，沈泽俊，李益良，等.我国封隔器技术的发展与应用［J］.石油机械，2007，35（8）：58-60.

［2］ 刘占广.卡瓦式封隔器在井下的受力分析［J］.石油钻采工艺，1994，16（5）：53-59.

［3］ APOSTOLOPOULOSC A，DEMISS，PAPADAKIS V G.Chloride-induced corrosion of steel reinforcementmechanical performance and pit depth analysis［J］.Construction and Building Materials，2013，38：139-146.

［4］ WANG X X，GAO Y M，LI K，et al.Effect of yttrium on the corrosion behavior of 09CrCuSb alloy in concentrated sulphuric acid［J］.Corros Sci，2013，69（1）：369.

［5］ 毛红艳，蔡庆伍，武会宾，等.合金元素和碳含量对E36船板钢腐蚀行为的影响［J］.腐蚀与防护，2013，34（6）：499-502.

［6］ PARK J O，MATSCH S，BÖHNI H.Effects of temperature and chloride concentration on pit initiation and early pit growth of stainless steel［J］.Journal of the Electrochemical Society，2002，149（2）：B34-B39.

［7］ LIN G F，BAI Z Q，ZHAO X W.Effect of temperature and pressure on profile of CO2corrosion scales on oil well steels［J］.China Petroleum Machinery，2005，33（2）：1-4.

［8］ 孙海静，李瑛，王福会.静水压力对一种低合金高强度钢腐蚀行为的影响［C］／／2010年全国腐蚀电化学及测试方法学术会议.杭州：［出版者不详］，2010：1-7.

Corrosion Behavior of Two Cr-Mo Steels Used for Packers in Service Conditions

HAN Xin-de1，WANG Hong-bing2，WANG Jian-ning1，XIE Wei-yi1，WANG Shao-bo1，HU Song-qing2
（1.Petroleum Production Engineering Research Institute，Huabei Oilfield Company，Renqiu 062552，China；2.College of Science，China University of Petroleum，Qingdao 266580，China）

The corrosion behavior and mechanical performance of the two types of Cr-Mo steel 35Cr Mo and 42Cr Mo under different working conditions were studied.The results showed that the corrosion rate of the two metals increased at first and then decreased with the increase of the temperature，and increased with the increase of the pressure.In the same conditions of temperature and pressure，the corrosion rate of 42Cr Mo steel was larger than that of 35Cr Mo steel.And the tensile strength and bending strength of 42Cr Mo steel were larger than those of 35Cr Mo steel，however，the loss of tensile strength and bending strength of 42Cr Mo steel was more than that of 35Cr Mo steel due steel to the larger corrosion rate of 42Cr Mo steel.

Cr-Mo steel；corrosion；mechanical property；temperature；pressure

TG172

：A

：1005-748X（2016）11-0904-04

10.11973／fsyfh-201611010

2015-07-23

中国石油天然气股份有限公司重大科技项目（2014E-35）；中国石油大学（华东）校科研启动基金（2014010574）

胡松青（1967－），教授，博士，从事石油工业材料的腐蚀与防护研究，86-532-86983170，ccupc＠163.com