QPQ處理的N80油田鋼管的抗腐蝕性能

　QPQ處理的N80油田鋼管的抗腐蝕性能

　目前，國內外應用較成功的w2腐蝕環境下的防腐技術主要有使用耐蝕合金鋼管材、使用镀層油管、注入緩蝕劑和陰極保護，但各有缺點。使用耐蝕合金鋼管成本很高;使用镀油管由于镀層容易受到鋼絲繩的破壞而失去抗蝕作用;注入緩蝕劑工藝複雜，對生產影響較大;陰極保護工藝複雜，作業成本高!‘]。近幾年來，滲氮油管在油田的現場使用中出現了油管斷裂，實際抗蝕效果不佳等問題。因此，尋求新的成本不太高的抗蝕處理技術仍然迫在眉睫。在此基礎上，對N 80鋼試樣進行QPQ (Quench Polish Quench)處理，研究了其在COz腐蝕環境下的抗蝕性。

　　QPQ技術的實質是低溫鹽浴滲氮};m浴氧化或低溫鹽浴氮碳共滲};m浴氧化!zi，它是一種金屬零件表面改性技術，具有高抗蝕、高耐磨、微變形的優點。QPQ處理的工件表面Fe30、氧化膜，其抗蝕性遠高于镀铬、镀镍等表面防護技術!3]，中碳鋼經QPQ處理後在很多領可以代替不鏽鋼。同時，QPQ工藝可以代替發黑、磷化和镀镍等傳統防腐蝕工藝!4]。目前，Q技術所具有的高抗蝕性引起了有關行業，尤其是石油、化工等腐蝕問題較爲嚴重的行業的極大關注，這對Q叩技術的發展和研究注入了新的活力在石油行業中，油管的處理更是要求高抗蝕高耐磨微畸變三種優點的結合，而這正是QPQ技術的優點，從而使QPQ技術在石油行業中的應用擁有巨大的潛力。本文針對油田含二氧化碳腐蝕環境中的情況，對N 80鋼制成的試樣進行滲氮處理和QPQ處理，並進行了腐蝕試驗，初步探討了QPQ技術在石油管道防腐中的利弊。

　　1試驗材料及方法

　　本試驗材料采用N 80鋼，其化學成分(質量分數，%)爲0.37C, 1 .S1Mn, 0.25Sb 0.0075, 0.014P,0 . O 1 C r, 0 . O 1N b 0 . 14Cu, 0 . O 1M a 0 . 12V,切削加工成30mmX15mmX4~的矩形試樣。

　　(1)處理工藝將加工好的試樣分別進行兩種方式的表面處理。①滲氮工藝:將工件清洗後在空氣爐中加熱到350，保溫30 m城然後在570的鹽浴滲氮爐中滲氮2坑取出後直接進80℃熱水中清洗。② Q PQ工藝:將工件清洗後在空氣爐中加熱到350，保溫30 m城然後在570℃的鹽浴滲氮爐中滲氮2 h;從滲氮爐中取出試樣，直接放入350℃的鹽浴氧化爐中氧化30 m城取出後直接進80℃熱水中清洗。鹽浴滲氮和鹽浴氧化用鹽均爲成都工具研究所Q PQ技術專用鹽。試驗時氰酸根含量(質量分數)爲36. 20 o。本文中未處理試樣指切削加工後未經處理的N 80鋼試樣，滲氮試樣指經滲氮工藝處理的試樣，Q PQ試樣指經Q PQ工藝處理的試樣。

　　(2)過氧化氫加速腐蝕試驗取未處理試樣、滲氮試樣和QPQ處理的試樣各3個，浸泡在溫度爲40℃的100 o N aC 1}0. 30 o HzOz蒸餾水溶液中，用精度爲10-4 g的電子天平稱量試樣浸泡前後的質量，計算腐蝕質量損失。以每個工藝的3個試樣腐蝕質量損失的平均值作爲該工藝的腐蝕質量損失。然後根據腐蝕質量損失、試樣腐蝕表面積和鋼鐵密度(以7. 8 g /an3計算)計算腐蝕速率。

　　(3)高壓釜試驗將未處理試樣、滲氮試樣和QPQ試樣各3個作爲一組，取兩組試樣分別放置在溫度爲60 }C,壓力爲1 MPa的COz蒸餾水和模擬油田水溶液中進行腐蝕試驗。其中蒸餾水溶液試驗時，高壓釜總壓始終保持1 MPa的COz。而模擬油田水溶液試驗時，先通入1 MPa的COZ，然後通入高純氮氣(純度爲99. 9990 o )，增壓到20 MP }溶液放在高壓釜中，放入試樣後，先通氮氣2h除氧，然後升壓。數據處理方法同上述過氧化氫加速腐蝕試驗。模擬油田水的成見表1

　　(4) x射線分析及金相分析使用x射線衍射儀和光學金相顯微鏡分析滲氮試樣以及QPQ其試樣腐蝕後的物相和金相組織。

　　2試驗結果及分析

　　2.1過氧化氫加速腐蝕試驗浸泡試驗結果表明，在1叱N aC 1}0. 30 o HzOz蒸餾水溶液中，未處理、滲氮處理及QPQ處理試樣的腐蝕速率分別爲30. 82 mm /a 17. 68 mm /a和10. 15 mm /}滲氮試樣的腐蝕速率只有未處理試樣的腐蝕速率的590 o; QPQ處理試樣的腐蝕速率只有未處理試樣的330 o，只有滲氮試樣腐蝕速率的570 o。在上述溶液中，腐蝕的陰極反應爲吸氧反應，腐蝕受吸氧動力學所控制，Q叩處理的試樣在這種情況下，抗蝕性較好。在空氣中的防腐試驗和鹽霧試驗也證明，QPQ處理的試樣比未處理試樣和滲氮試樣的抗蝕性高得多，可以常年放置在空氣中而不會變色和生鏽。

　　在油田上，很多油管在下井前已經鏽迹斑斑，甚至一些經真空滲氮的油管也是如此。由于QPQ處理的油管在下井前放在空氣中這段時間的抗蝕性遠高于未處理的原材料試樣和滲氮處理的試樣，因此可以利用Q叩處理來降低油管下井前的腐蝕缺陷。對于井下含氧的腐蝕介質，QPQ處理的試樣的抗蝕性將大大高于滲氮試樣。

　　2. 2高壓釜試驗

　　(1)含COz蒸餾水溶液浸泡試驗在I}度爲60 }C,壓力爲1 MPa的COZ蒸餾水溶液中進行腐蝕試驗，中間稱重時取出的試樣用清水清洗吹幹，稱重後再繼續放入高壓釜中進行腐蝕試驗，試驗結果見表2.由表2可知，在COZ蒸餾水溶液中，隨着腐蝕時間的延長，無論是未處理試樣，還是滲氮處理試樣或QPQ處理試樣，腐蝕速率都變得越來越低。同時，發現QPQ處理試樣的腐蝕速率在腐蝕初期腐蝕速率高于滲氮試樣，但隨着腐蝕時間的延長，QPQ處理的試樣和滲氮試樣的腐蝕速率基本一致，明顯低于未經處理的原材料試樣。試樣腐蝕後，未處理試樣表面有明顯的分層的腐蝕膜，並且表面高低不平，有的腐蝕膜已經脫落。而鹽浴滲氮的試樣和QPQ處理的試樣的表面腐蝕膜與試樣完全結合在一起。

　　爲更深入地了解這三種試樣的腐蝕情況,對經腐蝕試驗後的試樣截面和表面分別進行了形貌觀察和X射線衍射分析,腐蝕後的截面形貌和X射線衍射物相分析圖譜分別見圖1和圖2。

　　由圖1和圖2分析表明,腐蝕試驗後的未處理試樣表面覆盖着一層FeCO3膜,但X射線衍射圖譜中出現了鐵,說明FeCO3膜並不致密;滲氮試樣和QPQ試樣的外表面在X射線衍射深度範圍(大約距表面5μm)內,含有Fe、FeCO3、Fe2O3和Fe3N。未腐蝕的QPQ試樣經X射線檢測,表面只含有Fe3N和Fe3O4,這表明FeCO3和Fe2O3都是在腐蝕過程中形成的,Fe的出現表明表面保護層已遭到破壞或厚度已減少。三種試樣的初始腐蝕速率的差異是由于試樣的表面組成不同。隨着腐蝕時間的延長,因爲QPQ處理試樣表面氧化膜中的氧參加陰極反應被消耗掉後,表面組成和滲氮試樣基本一致,所以滲氮試樣和QPQ處理的試樣的腐蝕速率變得基本一致。對比圖1的截面形貌可以發現,滲氮試樣和QPQ處理的試樣表面既產生了均勻腐蝕又有局部腐蝕,原有的Fe3N層被局部腐蝕破壞,呈不連續狀,導致在X射線衍射試樣中出現了鐵的衍射峰。

　　(2)試樣在含CO2油田模擬水溶液中的腐蝕　X射線檢測發現,經腐蝕試驗後的滲氮處理試樣和QPQ處理的試樣不含鐵,這表明腐蝕還沒造成滲氮層的完全破壞,從圖3的截面形貌可以得到證實。表3爲各試樣在CO2分壓爲1MPa、總壓20MPa的油田模擬水溶液中的高壓釜腐蝕試驗結果。由表3可知,未處理試樣在初期是質量損失,然後質量增加,質量損失。腐蝕質量損失是由于鐵原子活性溶解形成的亞鐵離子離開試樣進入溶液造成。質量增加則是由于鐵原子在CO2溶液中形成了碳酸亞鐵造成。

　　3　結論

　　(1)在10%NaCl+0.3%H2O2蒸餾水溶液中,滲氮試樣的腐蝕速率只有未處理試樣的59%,QPQ處理的試樣只有未處理試樣的腐蝕速率的33%。在這種腐蝕由吸氧動力學所控制的含氧環境中,QPQ處理試樣的抗蝕性能較好。

　　(2)通過含CO2蒸餾水和油田模擬水溶液中的高壓釜腐蝕試驗,發現在腐蝕由析氫動力學所控制的無氧溶液中,QPQ處理的試樣腐蝕速率遠低于未處理試樣,和滲氮試樣的腐蝕速率基本一致,適合應用于油井中不含氧的腐蝕環境。考慮到QPQ處理後試樣的畸變小,耐磨性更高,QPQ處理試樣擁有比滲氮試樣更好的綜合性能。

　　(3)通過含CO2蒸餾水和油田模擬水溶液中的高壓釜腐蝕試驗,發現無論是滲氮試樣還是QPQ處理的試樣,雖然腐蝕質量損失低于未處理試樣,但化合物層依然存在局部腐蝕。這需要在下一步的研究中改善滲層的組成以及後續工藝研究,盡量降低局部腐蝕。綜合考慮,QPQ處理試樣在油田中的應用效果大大好于滲氮試樣和未處理試樣。QPQ技術應用于油田的前景非常光明,必將爲我國石油產業做出較大貢獻。