基于00Cr12合金的耐腐蚀抽油杆性能研究.pdf

年 第 卷第期第 页石 油 矿 场 机 械O I LF I E L DE Q U I PME N T ,():文章编号:()基于 C r 合金的耐腐蚀抽油杆性能研究王海文,潜凌,秦晓峰,李守钦,白文雄(中国石油大学(华东)石油工程学院,山东 青岛 ;国家采油装备工程技术研究中心,山东 东营 ;中石化胜利油田分公司 东辛采油厂,山东 东营 ;长庆油田分公司 机械制造总厂,西安 )摘要:当前在抽油机井用量最多的是超高强度的H级抽油杆,但其耐腐蚀性能不能适应高含水期油井耐腐蚀要求,抽油杆腐蚀情况较为严重,腐蚀疲劳断裂是主要的损坏形式.为研发耐腐蚀抽油杆,设计了含铬量 的超低碳合金 C r ,通过对采用 C r 合金制作的抽油杆的抗拉强度、耐疲劳性能和耐腐蚀性性能进行测试,结果表明,C r 合金制作的抽油杆力学性能和耐疲劳性能达到了H级抽油杆要求,模拟环境腐蚀试验测试得到的腐蚀速率是普通H级抽油杆的/.C r 合金制作的抽油杆入井应用取得良好的耐腐蚀效果.关键词:抽油杆;抗拉强度;耐疲劳性能;腐蚀速率中图分类号:T E 文献标识码:Ad o i:/j i s s n R e s e a r c ho nt h eP e r f o r m a n c eo f C r A l l o yS u c k e rR o d sWANG H a i w e n,Q I ANL i n g,Q I NX i a o f e n g,L IS h o u q i n,B A IW e n x i o n g(S c h o o l o fP e t r o l e u mE n g i n e e r i n g,C h i n aU n i v e r s i t yo fP e t r o l e u m(E a s t C h i n a),Q i n g d a o ,C h i n a;N a t i o n a lE n g i n e e r i n gR e s e a r c hC e n t e rf o rP r o d u c t i o nE q u i p m e n t,D o n g y i n g ,C h i n a;D o n g x i nO i lP r o d u c t i o nP l a n t,S h e n g l iO i l f i e l dC o m p a n y,S I NO P E C,D o n g y i n g ,C h i n a;M a c h i n e r yM a n uf a c t u r i n gP l a n t,C h a n g q i n gO i l f i e l dC o m p a n y,X ia n ,C h i n a)A b s t r a c t:T h em o s tc o mm o n l yu s e ds u c k e rr o di np u m p i n gw e l l si st h eu l t r a h i g hs t r e n g t h H g r a d es u c k e rr o d,b u t i t sc o r r o s i o nr e s i s t a n c ep e r f o r m a n c ec a n n o tm e e tt h ec o r r o s i o nr e s i s t a n c er e q u i r e m e n t so f o i lw e l l s i nh i g hw a t e r c u tp e r i o d T h es u c k e r r o dc o r r o s i o n i s r e l a t i v e l ys e r i o u s,a n dc o r r o s i o nf a t i g u e f r a c t u r e i s t h em a i n f o r mo f d a m a g e I no r d e r t od e v e l o pc o r r o s i o n r e s i s t a n ts u c k e rr o d s,a nu l t r a l o wc a r b o na l l o y C r w i t ha c h r o m i u mc o n t e n t o f w a sd e s i g n e d B ym e a s u r i n g t h e t e n s i l e s t r e n g t h,f a t i g u e r e s i s t a n c e,a n dc o r r o s i o n r e s i s t a n c eo f s u c k e r r o d sm a d eo f C r a l l o y,T h e r e s u l t s s h o wt h a t t h em e c h a n i c a l p r o p e r t i e s a n d f a t i g u e r e s i s t a n c eo f t h e s u c k e rr o d sm a d eo f C r a l l o ym e e t t h er e q u i r e m e n t so fH g r a d es u c k e rr o d s,a n dt h ec o r r o s i o nr a t eo b t a i n e df r o mt h es i m u l a t e de n v i r o n m e n t a l c o r r o s i o nt e s t i s/o f t h a to f t h eo r d i n a r yH g r a d es u c k e r r o d s T h e s u c k e r r o d sm a d eo f C r a l l o yh a v e a c h i e v e dag o o dc o r r o s i o n r e s i s t a n t e f f e c tw h e na p p l i e dt ow e l l s K e yw o r d s:s u c k e r r o d;t e n s i l es t r e n g t h;f a t i g u er e s i s t a n c e;a n n u a l c o r r o s i o nr a t e抽油杆连接地面抽油机与井下抽油泵,承担着向井下传输能量的重任.随着油田开发进入中后 收稿日期:基金项目:黄河三角洲产业领军人才项目(D Y R C ).作者简介:王海文(),男,山东临沂人,教授,博士,主要从事油气田开发工程的教学与研究工作,w h wu p c e d u c n.期,油井高含水,抽油杆的腐蚀问题显现出来,抽油杆在上下冲程过程中,承受着复杂的交变载荷,腐蚀部位易成为疲劳开裂源,增加了抽油杆疲劳破坏的几率.为了解决抽油杆腐蚀问题,近年来应用了包覆抽油杆、全喷焊抽油杆以及电镀抽油杆,采用耐腐蚀金属或非金属材料,对抽油杆外表进行保护,现场应用取得良好效果,成为目前主要的抽油杆耐腐蚀技术和产品.对抽油杆采用耐腐蚀材料进行表面保护,尚存在着一些技术问题,例如,半包覆、包覆抽油杆采用的是超高分子量聚乙烯材料,存在老化、不耐温的缺点,包覆层一旦损坏,不能继续使用.电镀和全喷焊抽油杆,成本较高,如果存在漏点,成为腐蚀的薄弱点.表面保护抽油杆的这些技术问题,使得业界仍在继续研究更好的防腐技术,尤其是合金本身耐腐蚀抽油杆的研究 更受到关注.为了研制耐腐蚀抽油杆,设计了含铬量 的超低碳合金 C r ,对 C r 合金制作的抽油杆性能进行了测试,其力学性能、耐疲劳性能达到了超高强度H级抽油杆要求,室内模拟工况测试的耐腐蚀速率是 C r M o A合金的/,现场小规模应用取得良好耐腐蚀效果,可为超高强度耐腐蚀抽油杆的相关研究和现场应用提供参考.抽油杆腐蚀疲劳断裂 抽油杆断裂特征抽油杆在井内工作时承受复杂的交变载荷,大量抽油杆断裂实物的断面呈现出典型的疲劳断裂形貌,其特点是断裂面有开裂源、延展区和瞬断区三种特征区域.)开裂源是抽油杆靠近表面一个小的区域,有多种可能因素会造成开裂源:制作抽油杆的圆钢合金原材料缺陷因素;加工、运输、作业过程造成的表面损伤因素;在井中使用过程中因井液腐蚀产生的腐蚀缺陷因素.这些因素造成的薄弱点,叠加上抽油杆承受的交变载荷,超过开裂应力极限,成为开裂源.)延展区平整、平滑,与抽油杆轴向垂直,如果抽油杆的力学性能好,延展区裂纹发育所用时间长,占断裂面的比例较大.)瞬断区是抽油杆不能承受最大载荷时瞬间拉扯断的,断裂面形态具有随机性,瞬断区的面积乘以材料的抗拉强 度与这根抽 油 杆 的 最 大 载 荷 相对应.腐蚀疲劳断裂机理在多个造成开裂源的因素中,腐蚀是投入使用后产生的.在井使用过程中抽油杆表面如果产生腐蚀,破坏了抽油杆表面的连续性,弹性力学的强度理论已不适于含裂纹材料,需要使用含裂纹的断裂判据,应力强度因子KI是线弹性断裂力学的物理参量,表示式为:KIY a()式中:Y为形状系数,为名义应力,a为裂纹尺寸.不论材料的几何形状和载荷,只要其应力强度因子相同,则应力在裂纹附近的分布是相同的,其强度由应力强度因子控制.对于某种型号抽油杆,存在造成开裂源的临界应力强度因子KI S C C,由式()可知,腐蚀坑越深,则裂纹尺寸a越大,其应力强度因子越大,越容易达到临界强度因子,诱发裂纹进入延展区扩展阶段.不同型号合金的组织结构、电化学行为差异很大,由于合金中不同元素微观分布具有不均匀性,可能促进选择性腐蚀,形成不同的腐蚀形貌,不同合金材料的应力腐蚀开裂差异巨大.对于高强度钢来说,强度越高,其应力腐蚀开裂敏感性越高,KI S就越低,应 力 腐 蚀 裂 纹 扩 展 速 度 就 越 快.这 就 是 C r M o A合金制作的超高强度H级抽油杆反而不如强度较低的D级抽油杆对腐蚀性油井适应性好的机理.第 卷第期王海文,等:基于 C r 合金的耐腐蚀抽油杆性能研究 抽油杆腐蚀前后进行的疲劳试验表明,腐蚀前的疲劳极限为 MP a,而进行了 d盐雾试验腐蚀的抽油杆,疲劳极限减小为 MP a,说明腐蚀对抽油杆的耐疲劳性能影响很大.制作抽油杆 C r 合金设计了含铬量 的超低碳合金 C r ,化学成分如表.表 C r 合金化学成分wB/CC rM nN iM oC uS iVN bPSF e 余量 C r 合金的突出特点是含碳量很低,小于 ,基本属于超低碳钢,在设计合金时加入M o和V,使得少量碳优先与合金中的M o、V等强碳化物形成元素结合成金属间化合物,产生细晶、弥散强化.虽然铬C r是碳化物形成元素,以C r C的组织形态存在钢中,由于M o、V等强碳化元素的存在,有效抑制了合金中铬的碳化物形成.C r 合金中含铬量为,比C r 型马氏体不锈钢稍微低些,C r 的设计目标是制造抽油杆的,高强度与耐疲劳性能是必须要保证的,通过对含铬量 的合金耐腐蚀性对比,随着含铬量升高,其耐腐蚀性提高,综合评判,含铬量 时,其机械性能达到抽油杆要求的同时,又具有较优的耐井液腐蚀性,因此把含铬量 的超低碳合金 C r 作为优选品种.铁的熔点为 ,铬的熔点比铁高为 ,由于铬的原子半径(Rc r p m)与铁的原子半径(RF e p m)相近,电负性差异不大,在合金中与铁形成无限置换固溶体,晶格畸变不是很大.合金含 铬,能在钢的表面形成一层致密的、较为完整的铬化物钝化膜,虽然在有氧环境下仍可产生锈蚀,但油井中是无氧环境,C r 合金在无氧的油井环境下具有较好的耐腐蚀能力,且还有高的强韧性、抗蠕变性能、抗疲劳性能.如果增加铬含量至 以上,虽然能继续提升耐腐蚀性能,但其抗疲劳性能大幅下降,不符合制作抽油杆对合金耐疲劳性能要求.性能测试与分析 力学性能抽油杆是大宗石油装备产品,相应的产品技术标准、采购标准比较齐全 ,目前国内主要技术标准为S Y/T 抽油杆,其力学性能按照该标准的表A,对于HL级,其抗拉强度为 MP a,下屈服强度大于 MP a,伸长率大于,断面收缩率大于.按照国家标准G B/T 测试抽油杆的这些力学性能参数.由于抽油杆表面、内部的性能都影响其产品性能,在进行抽油杆力学性能测试时,一般不制作哑铃试样,而是直接从产品中随机抽取抽油杆,截取 m的试样,卡持在材料试验机上进行测试.材料试验机型号:WAW C型微机控制电液伺服万能试验机,最大试验力 k N,试验力示值相对误差示值的.分别取 C r 和 C r M o A合金制作的HL级抽油杆试样进行测试,测试结果如表.表两种抽油杆力学性能测试数据合金材质抗拉强度/MP a断裂时拉力/k N伸长率/(mm,)断面收缩率/C r C r M o A 石 油 矿 场 机 械 年 月 表中的数据是两种合金材质抽油杆的典型测试个例,但大量试样测试表明,两种合金抽油杆测试数据与表数据基本相符.由表的力学性能测试数据可以看出,C r 、C r M o A合金制作的HL级抽油杆的力学技术指标都达到了标准要求,而 C r 抽油杆的抗拉强度、伸长率和断面收缩率都大一些.C r 与 C r M o A试样断裂瞬间对应的拉力为 k N和 k N,试样断裂时的拉力值越小,说明材料越不容易拉断,塑性越好,对应的伸长率和断面收缩率越大,在拉伸过程试样出现缩颈后,直至断裂前试样经历了更长的拉伸过程.这一特性与 耐 疲 劳 性 能 具 有 一 致 性,这 在 C r 与 C r M o A试样疲劳试验中得到验证.抽油杆在油井内承受的是交变载荷,其伸长率和收缩率大一些性能更好.图是表中 C r 合金制作的HL级抽油杆拉伸测试的应力位移曲线,采用位移加载(mm/m i n).由图可以看出,试样在 MP a开始屈服,材料出现强化,直至 MP a达到强度极限,对应的拉力为 k N,之后试样出现肉眼可见缩颈现象,应力位移曲线下降,直至在缩颈处断裂,断裂时对应的强度值 MP a,是由拉力 k N除以试样原始截面积得到的.图抽油杆拉伸测试的应力位移曲线 耐疲劳性能采用S D S k N型电液伺服疲劳试验机进行疲劳试验,依据标准S Y T 抽油杆 的附录L,应力比,正弦波,H级测试参数,mm抽油杆进行疲劳试验的负荷参数如表.试验频率为H z.表试样疲劳试验参数表杆直径/mm最大应力/MP a最小应力/MP a负荷振幅/k N负荷均值/k N S Y T 抽油杆 标准给出了I型和I I型疲劳试验试样,I型试样为短杆,长度约 mm,要求制作工艺和抽油杆相同,两端是杆头螺纹,测试时螺纹接特制接头.I I型试样是在正常生产的抽油杆上截取的杆头,用接箍连接起来,这两种型号的试样在实际疲劳试验中都有一定局限性,I型试样需要专门制作,I I型试样的两个杆头只能各取约 mm,限制了对杆体疲劳性能的测试,且两端夹持部位为杆体,试验过程容易夹断.比较实用的试样制作方法是从正常生产的抽油杆上截取约 mm,杆螺纹旋接专用接头,上扣周向位移为 mm,按这个周向位移旋接接头,在疲劳试验过程中,螺纹、卸荷槽部位一般不会出现断裂现象.试样另一端的杆体直接用疲劳试验机的V型夹块进行夹持,由于受到夹持力和疲劳试验机施加的交变载荷联合作用,夹持部位受力最大也很复杂,容易断裂,采用圆弧夹头可以减少断裂次数.只要断裂部位距离夹块在 倍杆体直径范围内,这个断裂并不反映抽油杆的耐疲劳性能,可以去掉断头,重新夹持杆体,继续进行疲劳试验.对 个 C r 合金抽油杆产品抽检试样进行了H级疲劳试验,全部超过 万次,达到了抽油杆标准对疲劳试验规定的次数.第 卷第期王海文,等:基于 C r 合金的耐腐蚀抽油杆性能研究 耐腐蚀性能 测试试样处理)切割、打磨、测尺寸.从成品抽油杆上线切割出扁平试样,对试样在金相抛光机上用 目、目、目、目和 目的砂纸打磨,最后用抛光绒布抛光,电子游标卡尺测量试样的长宽高.)除油.滤纸擦拭,清洗剂自来水冲洗,并用酒精清洗,吹风机吹干.)称 重.采 用 万 分 之 一 天 平 称 量 试 样 的质量.)腐蚀后处理.对试样表面锈蚀物清理、稀酸快速清洗、蒸馏水清洗、烘干、称重.测试方法及条件)把试样悬挂在高压釜内,注入人工配制的腐蚀溶液,腐蚀溶液占高压釜容积,腐蚀溶液组份如表,表的组份是模拟胜利油田东辛 污水站水质设计的.)油井内是无氧环境,因此模拟工况腐蚀测试在高温高压无氧条件下进行,向高压釜充高纯N对高压釜进行除氧操作,然后把气体释放掉,重复这个过程,使高压釜内O的分压逐步减小.)对高压釜充高纯C O至MP a,再对高压釜充高纯N至总压 MP a.)升温至 ,保温保压静态腐蚀,腐蚀时间为 d(h),保持压力为 MP a.表人工配制腐蚀溶液药剂组份m g/L氯化钠氯化钙六水合氯化镁氯化钾碳酸氢钠硫酸钾总矿化度 测试结果及分析腐蚀速率公式 为X mAt()式中:X为腐蚀速率,mm/a;m为样品质量损失,g;A为试样表面积,c m;为试样密度,g/c m;t为试验时间,h.腐蚀速率如表,由表数据可见,C r 的腐蚀速率仅为 C r M o A的/.本次测试结果与之前进行的测试结果规律一致.表两种材质腐蚀数据材质面积/c m腐蚀前质量/g腐蚀后质量/g腐蚀速率/(mma)C r C r M o A 对腐蚀后的试样进行观察,可以看到,C r 试样 仅 出 现 表 面 颜 色 由 银 亮 到 灰 暗 的 变 化,而 C r M o A试样表面为黑色,表面黑色层可以用刀片刮下 来,腐 蚀 产 物 为,进 而 分 解 为 氧 化 亚 铁(F e O)和二氧化碳,黑色主要由氧化亚铁的颜色呈现.矿场应用 C r 合金抽油杆在胜利油田进行了矿场试验,目前已进行了数百口井的应用.这里例举二口油井 应 用 情 况,说 明 C r 合 金 抽 油 杆 的 应 用效果.石 油 矿 场 机 械 年 月)C 井.C r M o A合金制作的HL级抽油杆断裂,在井使用 d,抽油杆表面有严重腐蚀现象.新设计工艺方案,保持泵径、下泵深度不变,保持油管参数不变,使用 C r 合金抽油杆取代 C r M o A合金抽油杆,以改进抽油杆防腐能力.工艺方案为:下入D 泵 m,D 塑料内衬管,mm的 C r 合金抽油杆杆 根,mm的 C r 合金抽油杆杆 根.按新工艺方案作业投产,至今仍正常生产.)X 井.H级抽油杆腐蚀严重断,在井使用 d.更换为 C r 抽油杆,生产至 ,因检泵作业,取出在井使用 d的 C r 抽油杆观察,表面无腐蚀,擦拭推承台肩外圆,仍光亮如新,此处车削加工痕迹清晰,抽油杆再次下入使用.结论)C r 合金抽油杆的力学性能和耐疲劳性能达到了HL级标准要求,且伸长率、端面收缩率比 C r M o A合金更优.)无氧环境的模拟工况测试 C r 合金的腐蚀 速 率 为 mm/a,为 C r M o A合 金 的/.)矿场应用表明,C r 合金抽油杆耐腐蚀性能良好.实例井一前期应用 C r M o A的抽油杆,在井使用 d发生腐蚀疲劳断裂,改用 C r 合金抽油杆已在井使用 a.实例井二的 C r 合金抽油杆经 d在井使用后,检泵作业时观察表面无腐蚀,再次入井使用.参考文献:刘奕良 P E半包覆防腐抽油杆与HL级抽油杆性能对比J石化技术,():刘奕良,崔东华,孙佳星,等一种耐磨耐腐蚀的喷焊抽油杆:C N BP 胡松阳,毕琳琳,张艳敏,等电镀钨基合金抽油杆耐腐蚀性能试验研究J石油机械,():张彦甫,丁辉,华祺年 K级和K D级防腐抽油杆用钢的开发J河北冶金,():董振东,童志,周洪宇,等抽油杆钢材的发展和抽油杆的服役失效J材料导报,():郦正能,关志东,张纪奎应用断裂力学M北京:北京航空航天大学出版社,刘磊塑料内衬油管中抽油杆的腐蚀疲劳规律研究D青岛:中国石油大学(华东),李永安,高光亮,何力沙,等一种高强度耐腐蚀抽油杆及其制备工艺:C N BP,抽油杆用圆钢:G B/T S 抽油杆:S Y/T S 金属材料 拉伸试验 第部分:室温试验方法:G B/T S 程寓,邵军,胡国栋,等抽油杆疲劳试验夹具设计与有限 元 分 析 J机 械 研 究 与 应 用,():戴巧珍胜利油田 污水站水质提高与腐蚀结垢问题研究D青岛:中国石油大学(华东),水处理剂缓蚀性能的测定旋转挂片法:G B/T S 刘晓磊,王海文,朱宁 C r 抽油杆耐腐蚀性能研究C/国际石油石化技术会议暨新能源及节能技术国际会议论文集,齐光峰,李风,张瑾,等抽油杆材料在含C O高温高压环境中的腐蚀规律研究J全面腐蚀控制,():第 卷第期王海文,等:基于 C r 合金的耐腐蚀抽油杆性能研究