抗CO2和H2S腐蝕雙相不銹鋼油套管的開發(fā)
時(shí)間：2019-06-13
作者：無錫不銹鋼板
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雙相不銹鋼的發(fā)展與應(yīng)用經(jīng)歷了第一、第二和第三代雙相不銹鋼的發(fā)展歷程。7針對酸性油氣井用油井管及管線管的要求，瑞典開發(fā)了SAF2205第二代2205雙相不銹鋼。它在中性氯化物溶液和H2S中的耐應(yīng)力腐蝕性能優(yōu)于304L、306L奧氏體不銹鋼。此外，由于含氮，耐孔腐性能也很好，還具有良好的強(qiáng)度和韌性，可進(jìn)行冷、熱加工，焊接性良好，因此是所有雙相不銹鋼中應(yīng)用最多的一個(gè)鋼種。繼SAF2205之后，瑞典又開發(fā)了SAF2507第三代超級2507雙相不銹鋼，用于含氯化物的苛刻介質(zhì)。該鋼種的PREN(抗點(diǎn)蝕當(dāng)量數(shù))=43，鐵素體與奧氏體相各占50％，鋼中的高銘、高鋁和高氮的平衡成分設(shè)計(jì)，使鋼具有很高的耐應(yīng)力腐蝕開裂、耐孔蝕和縫隙腐蝕的性能。該鋼種曾用于北海的海底輸送管道。
奧氏體和鐵素體雙相不銹鋼在一定程度上兼有奧氏體不銹鋼和鐵素體不銹鋼的特點(diǎn)，雙相不銹鋼的理想組織是鐵素體和奧氏體各占50％。通過正確控制化學(xué)成分和熱處理工藝，可將奧氏體不銹鋼的優(yōu)良韌性和焊接性與鐵素體不銹鋼的較高強(qiáng)度和耐氯化物應(yīng)力腐蝕性能結(jié)合在一起。
雙相不銹鋼鐵素體／奧氏體的最佳比例問題是其耐蝕性的關(guān)鍵。由于Cr、Mo在鐵素體中的固溶度高，而M和N傾向于在奧氏體中固溶，因此相對于鐵素體／奧氏體的最佳比例，雙相不銹鋼中奧氏體相的增加將減少Cr、Mo、Ni等合金元素的整體固溶含量，降低不銹鋼的耐蝕性；另外，鐵素體中的Cr、Mo含量增加還容易析出σ相和χ相，材料韌性降低，應(yīng)
力腐蝕敏感性增加。增加鐵素體的比例相當(dāng)于降低了鐵素體中Cr、Mo的含量，同樣會(huì)降低耐蝕性能；同時(shí)奧氏體相減少一方面會(huì)降低雙相不銹鋼的沖擊韌性，另一方面還會(huì)使氮化物析出。因此，雙相不銹鋼的組織不僅與成分有關(guān)，而且還與熱加工和處理工藝有關(guān)，控制不好就容易使材料的機(jī)械性能和耐蝕性能受到損害，也在一定程度上影響了雙相不銹鋼的使用。
雙相不銹鋼應(yīng)力腐蝕最主要的影響因素為Cl離子濃度、溫度、H2S分壓、pH值和應(yīng)力水平。其機(jī)理是破壞鈍化膜，最終影響裂紋行為。從材料角度，影響因素包括奧氏體／鐵素體的比例、成分等級以及冷變形。鐵素體相比奧氏體具有較高的橫向裂紋敏感性，脆性的σ相將顯著增大雙相不銹鋼的脆性；大晶粒裂紋敏感性高于小品粒。H2S一方面會(huì)顯著增加雙相鋼對氫原子的吸收，另一方面會(huì)增加鐵素體在活性區(qū)的溶解以及奧氏體的活化／鈍化轉(zhuǎn)變。一旦鐵素體表面的鈍化膜遭到破壞，將很難修復(fù)，最終導(dǎo)致局部腐蝕和裂紋。當(dāng)然，這其中有Cl－的催化作用，當(dāng)溶液中沒有Cl－時(shí)，不會(huì)產(chǎn)生局部腐蝕或裂紋。
美國NACE MR0175／IS015156－3標(biāo)準(zhǔn)中對雙相不銹鋼的使用環(huán)境限制較為嚴(yán)格：H2S分壓≤20kPa，溫度、pH值任意組合。目前這一規(guī)定爭議較大。很多試驗(yàn)證明：在一定溫度、礦化度以及Cl－濃度范圍內(nèi)，雙相不銹鋼在0．1MPa H2S環(huán)境下也不開裂。還有報(bào)道證實(shí)雙相不銹鋼可用于lMPa的H2S環(huán)境。
雙相不銹鋼的熱塑性較差，原因在于熱加工時(shí)奧氏體相和鐵素體相的變形行為不同。由于兩相的軟化過程不同，熱加工時(shí)在兩相中產(chǎn)生不均勻的應(yīng)力和應(yīng)變分布，從而導(dǎo)致相界裂紋成核和擴(kuò)展。因此，傳統(tǒng)的雙相不銹鋼熱加工一般采用熱擠壓工藝。川崎制鐵公司采用曼內(nèi)斯曼穿孔方式成功生產(chǎn)了KLC—22Cr(SAF2205)雙相不銹鋼。通過降低鋼中S含量，提高了鋼的變形能力；通過添加Ca，將同溶于鋼中的S固定，從而進(jìn)一步提高了鋼的變形能力。同時(shí)，根據(jù)雙相不銹鋼在連軋管機(jī)和自動(dòng)軋管機(jī)軋制時(shí)孔型輥縫處管子壁厚容易拉薄甚至穿孔的問題，制訂了適宜的軋制規(guī)程。