AMPP Paper 16849-2021
Скорость коррозии нержавеющей стали и низколегированной стали в суровых и коррозионных условиях при подводном применении
- Стандартный №
- AMPP Paper 16849-2021
- Дата публикации
- 2025
- Разместил
- Association for Materials Protection and Performance (AMPP)
- Последняя версия
- AMPP Paper 16849-2021
- сфера применения
-
Обоснование исследования коррозионных свойств материалов в суровых подводных условиях
Временное оборудование, используемое при подводном заканчивании скважин, такое как гибкие насосно-компрессорные трубы, кабельные линии и системы закачки химикатов, обычно должно работать непрерывно в течение 1–4 недель в определенных скважинных условиях. Во время операций обратного притока смачиваемые металлические компоненты напрямую подвергаются воздействию скважинных флюидов без защиты ингибиторов коррозии, что делает их наиболее подверженными коррозии. В этом исследовании, нацеленном на этот критический сценарий применения, подробно изучается коррозионное поведение четырех широко используемых сплавов в условиях, имитирующих реальные условия эксплуатации.
Экспериментальная разработка и методология
Эксперименты проводились с использованием системы HPHT-автоклава в строгом соответствии со стандартными методами испытаний ASTM G184. Испытательная установка была изготовлена из материала UNS N10276 для обеспечения устойчивости оборудования в коррозионных средах. Скорость коррозии была точно рассчитана методом потери массы (WL) по следующей формуле: Скорость коррозии (mpy) = (W × 3,45 × 10^6) / (A × T × D), где W – потеря массы (г), A – начальная площадь воздействия (см²), T – время воздействия (часы), а D – плотность металла (г/см³). Анализ точечной коррозии проводился с использованием профилометра со следующими параметрами сканирования: частота сканирования 2000 Гц, оптическое перо 300 мкм и область сканирования 2 мм × 2 мм.
Химический состав и механические свойства испытуемых материалов
Параметры производительности UNS K21590(F22) UNS G41400(4140) UNS G86300(8630) UNS S17400(17-4PH) Содержание C(%) 0,14 0,41 0,310 0,026 Содержание Cr(%) 2,41 1,08 0,954 15,72 Содержание Mo (%) 1,04 0,244 0,410 0,09 Предел текучести (МПа) 586 924 605 772 Твердость (HBW/HRc) 237 HBW 297 HBW 223 HBW 32 HRc
Сравнение параметров окружающей среды для трех условий испытаний
Параметры окружающей среды Условие 1 Условие 2 Условие 3 Температура (°C) 150 60 150 Парциальное давление CO2 (psi) 960 1566 1566 Парциальное давление H2S (фунты на кв. дюйм) 0,3 12 12 Напряжение сдвига (Па) 14,46 12,48 12,48 Продолжительность испытания (дней) 3 3 3
Углубленный анализ результатов испытаний на коррозионную стойкость
Экспериментальные результаты показывают, что скорость коррозии всех изученных сплавов увеличивается с увеличением парциального давления кислого газа, но влияние температуры представляет собой сложную зависимость. При условии 1 (150 °C) UNS K21590 демонстрирует самую высокую скорость коррозии (117,2 м/г), в то время как UNS G86300 демонстрирует самую низкую скорость коррозии (39,8 м/г). Этот результат противоречит ожиданиям, основанным на химическом составе, и указывает на то, что помимо легирующих элементов, термическая обработка и микроструктура оказывают значительное влияние на коррозионные характеристики.
При условии 2 (60 °C) скорости коррозии всех низколегированных сталей значительно увеличились, при этом UNS G41400 показала наихудшие результаты (239,1 м/г), в то время как нержавеющая сталь UNS S17400 сохранила отличную коррозионную стойкость (1,2 м/г). При повышении температуры с 60 °C до 150 °C скорости коррозии UNS G41400 и UNS G86300 значительно снизились, но скорость коррозии UNS K21590 фактически увеличилась. Эта аномалия может быть связана с низким содержанием углерода, что приводит к недостаточному образованию защитной пленки FeCO3.
Механизм коррозии и интерпретация поведения материалов
Процесс коррозии CO2 сильно зависит от температуры, которая влияет на процесс коррозии, изменяя свойства, характеристики и морфологию продуктов коррозии. При температурах выше примерно 80 °C растворимость карбоната железа уменьшается, что приводит к пересыщению и способствует осаждению FeCO₃ в качестве защитной пленки. В диапазоне более низких температур (ниже 70-90 °C) скорость коррозии увеличивается с ростом температуры, поскольку при этих температурах и условиях низкого pH осаждение карбоната железа происходит медленно или даже отсутствует.
Присутствие H₂S оказывает двойное воздействие на процесс коррозии: когда соотношение H₂S/CO₂ превышает 1/500, образуется сульфид железа (FeS или FeS₂), что требует рассмотрения условий эксплуатации в кислой среде согласно NACE MR0175. H₂S может как снизить скорость коррозии CO₂, образуя более защитную окалину, так и ускорить анодное растворение, способствуя адсорбции сульфида, тем самым снижая pH и увеличивая скорость коррозии.
Результаты анализа профилометра и оценка локализованной коррозии
Анализ образцов с помощью сканирования профилометра при каждом условии испытаний не выявил существенных признаков локализованной коррозии или точечной коррозии для всех четырех сплавов. Все аномалии поверхности были менее 10 мкм, что указывает на то, что в этих условиях испытаний в основном происходила равномерная коррозия. Это обеспечивает важную основу для расчета допусков на коррозию при проектировании оборудования.
Рекомендации по инженерному применению и руководство по выбору материалов
На основании результатов данного исследования даны следующие рекомендации по выбору материалов для оборудования подводного заканчивания скважин:
1. Высокотемпературные, высококоррозионные среды: UNS G86300 демонстрирует оптимальную коррозионную стойкость при 150 °C и рекомендуется для использования в высокотемпературных, сильнокислотных средах.
2. Низкотемпературные, высококоррозионные среды: UNS K21590 сравнительно хорошо работает при 60 °C, но ее механические свойства следует тщательно учитывать.
3. Экстремальные условия коррозии: Нержавеющая сталь UNS S17400 демонстрирует превосходную коррозионную стойкость во всех условиях испытаний, что делает ее особенно подходящей для критически важных компонентов с чрезвычайно высокими требованиями к коррозии.
4. Проектные соображения: Выбор материала требует всестороннего рассмотрения таких факторов, как коррозионная стойкость, механическая прочность, экономическая эффективность и свариваемость, а также должна быть создана многокритериальная модель оптимизации.
Предпосылки разработки стандартов и тенденции развития технологий
Данное исследование, основанное на системе стандартов AMPP (ранее NACE), отражает постоянное совершенствование методов оценки коррозионных характеристик материалов в нефтегазовой отрасли. По мере расширения глубоководной разработки нефти и газа в более требовательные среды требования к коррозионной стойкости материалов продолжают расти. Будущие тенденции развития технологий включают в себя:
1. Разработка новых микролегированных низколегированных сталей для оптимизации баланса между коррозионной стойкостью и механическими свойствами за счет точного контроля содержания микролегирующих элементов, таких как Ti, V, Mo, Cu и Cr
2. Совершенствование моделей прогнозирования коррозии для всестороннего учета взаимодействия между металлургическими факторами, параметрами окружающей среды и физическими условиями
3. Содействие стандартизации для установления более точной корреляции между методами лабораторных испытаний и эксплуатационными характеристиками в полевых условиях
Это исследование предоставляет важные экспериментальные данные, подтверждающие выбор материалов подводного оборудования, заполняет пробел в данных о коррозионных характеристиках в конкретных скважинных условиях и имеет большое значение для обеспечения безопасной добычи нефти и газа на шельфе.
AMPP Paper 16849-2021 История
- 2025 AMPP Paper 16849-2021 Скорость коррозии нержавеющей стали и низколегированной стали в суровых и коррозионных условиях при подводном применении
