浅论油气田开发中硫化氢对钢材的腐蚀及对策

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1、浅论油气田开发中硫化氢对钢材的腐蚀及对策吕文奇王木乐陈书庆陈兴武石俊生孟令祥(中原油田分公司采油工程技术研究院河南濮阳457001)摘要本文从材料因素和使用环境因素分析了油气田开发中硫化氢对钢材的腐蚀问题，提出了在实践中钢材从选择材料及其热处理方法、合理选择工艺及设计思路和其它方法防止预防硫化氢腐蚀的对策。关键词钢材硫化氢防腐蚀对策油气田生产中起腐蚀作用的主要是盐水、硫化氢、二氧化碳和有机酸。在各种腐蚀介质中硫化氢的腐蚀最为严重，它是造成材料快速破裂的主要原因之一。本文试从钢材硫化氢腐蚀的因素进行分析并对预防对策进行探讨，以期对油气田生产、

2、科研中对钢材的选择有所参考。l钢材硫化氢腐蚀的因素分析1．1材料因素在油气田开发、使用过程中发生的腐蚀类型里面，以硫化氢腐蚀时材料因素的影响较大，材料因素主要有材料的显微组织、机械性能指标及合金元素等。¨．1材料的机械性能指标一般认为，强度越高的钢材对腐蚀的敏感性越大。在含硫化物的介质中，屈服点高于630MPa的钢管由介质引起的性质改变会突然发生破裂，随着拉伸性能的增加，即使硫化氢含量减少到极小的数量，也会引起突然破坏。在很大的应力作用下，只需有低达千万分之一的硫化氢就足以使抗拉强度为1050MPa的钢管产生脆性破坏。同样，在没有一点硫化氢

3、存在的情况下，当二氧化碳的分压力为0．21kg／mm2时，也可以引起脆性状态而使钢材破坏，因此材料强度的提高对硫化物应力腐蚀的敏感性越高，材料的断裂大都出现在硬度大于HRC22(当于HB200)的情况下，因此通常HRC22可作为判定钻柱材料是否适合于含硫油气井钻探的标准。1．1．2材料的显微组织材料的性能是由它内部的组织和相结构决定的。有些科研人员认为，钢的组织比成分对在硫化物中应力腐蚀开裂的稳定性的影响要大。组织为马氏体或铁素体的钢在高应力及高的含氢条件下对硫化物中的腐蚀开裂是高度敏感的，尤其是马氏体对硫化氢应力腐蚀开裂(以下简称SSCC

4、)和氢致开裂非常敏感，但在其含量较少时，敏感性相对较小，随着含量的增多，敏感性增大，严重时即使加上百分之几屈服强度的应力也可发生断裂。回火后得到的回火马氏体敏感性则要小些。1．1．3材料中的合金元素大量试验研究表明，钢中的合金元素对硫化氢的腐蚀会有影响，例如镍、锰、锡、铜、硫、磷、碳这些元素会降低钢材在含硫化氢环境中对应力腐蚀开裂的抗力，铬和铝对钢材耐硫化氢腐蚀有效，钛、作者简介：吕文奇，男，生于1965年，1988年西北工业大学材料工程系金相专业毕业，高级工程师，多年从事金属材料教学工作，现从事井况防治技术研究工作，thinkcwc@12

5、6．com。油井管技术及标准化国际研讨会论文集67钒和硅少有影响或无影响，这方面的典型例子是铜基合金，决不能用于含硫的气体系统中，铝合金对H2S有相当的抗性，但却因其相当低的强度，使其使用受限，对于要求不太严格的一些应用场合如仪表外壳及箱体可以使用铝钻杆(用钢接头)，它在酸性地层中的钻井获得了成功的应用。1．1．4材料的冷加工经冷轧、冷锻或其他制造工艺及机械咬伤等产生的冷变形，不仅使冷变形区硬度增大，而且产生的残余应力，导致材料对SSCC敏感，～般来说钢材随冷加工量的增加，硬度增加，SSCC的敏感性增加。1．1．5材料的焊接国内外石油工业的

6、研究表明，由于焊接中存在的高的残余应力，在硬度超过HB225(HRC20)时，钢材对SSCC是敏感的。如果焊缝中有微观硬度区，当焊缝的硬度在HBl94～HB214之间时，焊缝有时也会开裂。然而当硬度为HBl91或更低时，在严格的实验条件下，焊缝具有抗SSCC能力。】．2材料使用的环境因素(1)温度在一定温度范围内，温度升高，硫化物应力腐蚀破裂倾向减小。试验表明，在22。C左右，硫化物应力腐蚀敏感性最大，温度大于22℃后，温度升高硫化物应力腐蚀的敏感性明显降低。(2)硫化氢浓度试验表明：水溶液中H2S浓度低于20mg／L，钢材一一般不发生硫化

7、氢应力腐蚀开裂，但是对于高强度钢，即使硫化氢浓度很低(体积分数为1×10。3ml／L)情况下仍能引起破坏。一般认为，硫化氢体积分数小于5×10五ml／L时对碳钢的破坏时间较长。(3)pH值一般认为，pH<、6时，硫化物应力腐蚀严重，在69时就会很少发生硫化物应力腐蚀破坏。2实践中钢材预防硫化氢腐蚀对策2．1合理选择材料及其热处理工艺预防硫化氢腐蚀在可能遭受硫化氨腐蚀条件下，钢材应科学合理选用抗硫化氢材料即对硫化氢不敏感材料。否则，一旦出现硫化氢应力腐蚀断裂，将蒙受

8、巨大损失，在酸性凝析油、气井中使用J．55级油管和套管时所遇到的氢脆现象少，当使用N一80或更高强度的钢材时，氢脆的敏感性显著增加。N．80级钢管往往是经过常化和回火的合金钢材制