深水油气阀门关键材料模拟腐蚀试验研究*

余朋伟, 贾军辉, 孙艳超, 郭佳美, 闫宇航, 何志强

(1.中油国家油气钻井装备工程技术研究中心有限公司，陕西 宝鸡 721001；2.宝鸡石油机械有限责任公司，陕西 宝鸡 721001)

海水腐蚀和高压环境给深水油气装备材料的选择带来挑战，既合适又经济的材料的选择非常关键。尤其是在水下1 500 m左右的环境中使用的深水阀门，各零部件不仅需要承受来自深水的压力，还将面临海水腐蚀(包括化学腐蚀及微生物腐蚀等)。海水中的氯离子具有极强腐蚀活性，会替换掉氯化层中的氧元素，变成可溶性物质，从而造成严重的腐蚀破坏。在工作过程中，阀门零件金属表面还会与腐蚀液体相互作用，从而加剧元件摩擦副的腐蚀与磨损，导致元件的性能和寿命降低[1-3]。

为了更好地了解材料的腐蚀状况，研究深水阀门耐腐蚀性能，研究人员开发了一种加速腐蚀的试验方法来实况模拟阀门腐蚀[4-5]。

1 试验目的和试验方法

1.1 试验目的

水下作业时，阀门内部介质为属性较为复杂的高压气液相含酸流体，在阀门开启状态下高速流体将对通道产生很强的腐蚀迭代冲刷作用，材料表面由于腐蚀形成锈层，再加上高速流体冲刷，造成各零部件腐蚀损耗。当高速流体中含硫含酸浓度过高时，其破坏作用大大加剧，增加了产品材料的质量损失速率。为降低冲蚀影响，必须寻找高效的耐冲蚀材料,从而提高阀门的周期内可靠性[6-8]。

1.2 试验装置

在参考国内外模拟海洋加速腐蚀试验方法及材料腐蚀模型等有关资料基础上，设计制造一套全浸腐蚀试验装置，进行实况模拟深水阀门腐蚀[9]。

将试验样品放在一个固定的密闭高压舱里，通过增压泵对舱内注入海水，加压至15 MPa，保持压力稳定，以此模拟1 500 m水深的海水压力。整个试验装置各部件均由耐腐蚀材料组成，试验舱内部有特种防腐涂层，加压管线采用特种耐蚀管。试验装置见图1。

图1 模拟腐蚀试验装置

1.3 试验方法

根据美国标准ASTM B117的规定，参考中性盐雾(NSS法)的方法进行试验。试验条件见表1。

表1 试验条件及材料

1.3.1 初始检测

试验前，将试样加工成一定形状的试片，每种材料的样品为3组，共9片，各样品表面粗糙度为0.8，然后用光学显微镜分别对试样样品进行外观检查，保证试验样品表面干净，无油污、无临时性的保护膜。

1.3.2 预处理

试验前试样经220号、400号和600号砂纸逐级打磨，清水冲洗，丙酮除油，称质量并测量工作面尺寸，试验前应尽量避免用手接触试验样品的表面。

1.3.3 试验步骤

(1)试验时将试样样品置于压力舱中，保证试样样品牢固固定在固定架中，试样间距保持在20 mm左右；

(2)试验初始盐雾浸泡量为液体刚刚淹没试样；

(3)试验程序为：常压浸泡(12 h)—带压(15 MPa)浸泡(12 h)—冲刷，由控制台进行整体控制；

(4)按照试验程序连续循环30次，每次循环结束后取出样品进行称质量，每10天取出一组样品进行表面微观检查和称质量。

1.3.4 恢 复

试验结束后，用室温下流动的水轻轻洗去试样表面的沉积物，然后用去离子水漂洗，再在标准的大气条件下恢复2 h，最后进行微观检查。

1.3.5 最后检测

恢复后样品采用精度为0.01 mg的电子分析天平称质量，并进行质量损失分析。用金相显微镜观察形貌和表面腐蚀情况。

2 试验结果与讨论

2.1 合金钢3YC62

3YC62是一种含有碳化钨的合金钢配方材料，经挂片腐蚀试验后，试样的表面形貌见图2。由图2可以看出：挂片表面有轻微锈斑，表面颜色变化轻微，局部无凹坑和无裂纹，放大观察后发现表面冲蚀痕迹不明显。3YC62挂片腐蚀速率数据见表2。3YC62材料在10 d,20 d和30 d平均质量损失速率分别为0.386,0.357和0.348 mg/(cm2·d)。

表2 3YC62实况模拟挂片质量损失数据

图2 3YC62实况模拟挂片腐蚀形貌(试验后) 100×

研究结果表明：按称质量判定法对样品耐腐蚀性能进行评判，该材料耐蚀等级属于优，具有很高的耐蚀性，抗磨损性较好，适合在强腐蚀高流冲刷环境下使用。

2.2 铜合金H65

经实况模拟挂片腐蚀试验后，试样的表面形貌见图3。试样表面颜色变化不明显、局部无凹坑和裂纹，表面冲刷划痕较为明显。铜合金H65腐蚀速率见表3。铜合金H65在10 d,20 d和30 d 平均质量损失速率分别为0.716,0.622和0.594 mg/(cm2·d)。

表3 铜合金H65实况模拟挂片质量损失数据

图3 H65实况模拟挂片腐蚀形貌 100×

结果表明：按称质量判定法对样品耐腐蚀性能进行评判,耐蚀等级属于优，铜合金H65具有高的耐蚀性，抗磨损性一般，适合在强腐蚀环境下使用。

2.3 高强度钢40CrNiMoA

经实况模拟挂片腐蚀试验后，试样的表面形貌见图4。由图4可以看出，试样表面颜色变化比较明显、局部无凹坑和无裂纹。高强度钢40CrNiMoA腐蚀速率见表4。高强度钢40CrNiMoA在10 d,20 d和30 d平均质量损失速率分别为 0.805,0.792和0.777 mg/(cm2·d)。

表4 40CrNiMoA实况模拟挂片质量损失数据

图4 40CrNiMoA实况模拟挂片腐蚀形貌(试验后) 100×

结果表明：40CrNiMoA材料耐蚀性较差，虽然抗磨损性较好，但质量损失速率较大，只能适合在腐蚀较弱环境下使用。

三种材料进行实况模拟腐蚀试验后质量损失数据对比见图5，质量损失速率-时间曲线见图6。

图5 三种材料试验后质量损失速率对比

图6 三种材料质量损失-时间曲线对比

3 结 论

(1)实况模拟腐蚀装置表现出良好的模拟性，有效满足了“应力+腐蚀+冲刷”的复合加载能力，能够有效评价深水阀门材料的防腐性能。

(2)3YC62 和 H65在试验中表面生成了较小量覆盖基体的锈层，但随着多次腐蚀冲刷，3YC62相比H65锈层累积少，根据两者的质量损失速率明显变小的特点，说明锈层对基体起到一定的保护作用，延缓了腐蚀。40CrNiMoA表面虽然抗冲刷能力较强，但锈蚀较为严重，腐蚀速率随时间变化不明显。

(3)通过对3YC62，H65和40CrNiMoA进行腐蚀性能试验，三种材料耐海水腐蚀性能各有所不同。从防腐角度考虑，推荐阀体材料采用H65，阀芯材料采用3YC62，既保证了阀门良好的防腐性能，又保证了深水作业的生产周期内可靠性。