封隔器用金属应力腐蚀研究.docx

1、封隔器用金属材质应力腐蚀实验研究摘 要封隔器作为油田分层采油的主要工具，在采油工程中广泛运用。封隔器长期处于高温高压、高矿化度及高负荷环境中，容易发生腐蚀穿孔及断裂现象，直接影响油田生产安全。因此，本论文以45#、N80、35CrMo和42CrMo四种金属材质为研究对象，利用高温高压反应釜模拟油田实际环境，对各材质的耐蚀性能及力学性能进行评价，并针对不同环境选出合适材质。结果表明：四种材质的腐蚀速率均随温度的升高呈现出先增加后减小的趋势；相对于35CrMo和42CrMo两种材质，45#和N80具有较好的耐蚀性，但35CrMo和42CrMo的强度要高于45#和N80；针对钢套及接头等耐蚀性要求较

2、高部位选用N80，而锁环等力学性能要求较高部位选用42CrMo。关键词：封隔器；应力腐蚀；失重法；力学性能Experimental study on stress corrosion of metallic material used for packersAbstractAs hierarchical extraction of oil, the main tool packer is widely used in process of oil extraction. Packer has been at high temperature, a high pressure, high sal

3、inity and high load environment. It is prone to initiate corrosion perforation and fracture phenomenon and directly affect oil field production safety. Therefore, this thesis with 45#, N80, 35CrMo, and 42CrMo of metal material as the research object, simulating oil field actual environment in high t

4、emperature high pressure reactor, and evaluating the corrosion resistance and mechanical properties of material. Finally according to different environment to select the suitable materials. The results show that the corrosion rate of material with the rise of temperature showed a trend of decrease a

5、fter the first increases; comparing 35CrMo.and 42CrMo with 45# and N80, both of 45# and N80 have good corrosive resistance, but the intensity of 35CrMo and 42CrMo are better than 45# and N80. In steel bushing and connectors should select N80, which has high corrosion resistance. But in lock ring sho

6、uld choose 42CrMo, which has high mechanical properties.Keyword: Packer; Stress Corrosion; Weight Loss; Mechanical Properties目 录第1章 前言11.1 金属封隔器的简介11.2 金属的应力腐蚀21.2.1 应力腐蚀产生的条件21.2.2 应力腐蚀的基本特征21.2.3 应力腐蚀机理31.2.4 防止应力腐蚀的措施41.3 应力腐蚀试验方法51.3.1 电化学方法51.3.2 慢应变速率实验法51.3.3 物理研究方法61.4 应力腐蚀研究现状61.5 本文的主要研究内容

7、6第2章 试验方法82.1 试验方法的选择82.2 评价方法82.2.1 失重试验法82.2.2 XRD分析82.2.3 力学性能测试92.3 试验材料及仪器92.3.1 试验材料92.3.2 试验仪器102.4 试验溶液配制112.5 试验装置及试验步骤112.6 小结13第3章 不同材质耐蚀性及力学性能研究143.1 耐蚀性能研究143.1.1 腐蚀速率与温度的关系曲线143.1.2 腐蚀形貌分析163.1.3 腐蚀产物成分分析163.2 力学性能测试183.2.1 抗拉强度测试183.2.2 拉伸强度损失率测试203.3 金属材质使用评价223.4 讨论223.4.1 元素含量对金属材料

8、的影响223.4.2 温度对金属材料的影响233.4.3 压力对金属材料的影响23第4章 结论25致 谢26参考文献27第1章 前言第1章 前言金属腐蚀存在于各个行业，已经造成了巨大的经济损失和严重的生态问题。金属腐蚀越来越受到重视并且金属腐蚀防护方法也在不断发展完善。金属材料在环境介质中由于发生电化学或化学反应使得材料性能降低，损坏变质的现象称为金属的腐蚀。材料腐蚀之后其使用性能严重降低，更严重的是整个金属结构发生破坏，造成了不可估量的损失。据估计，全世界每年由于腐蚀造成的金属损失占金属年产量的1/41/3 鲜宁, 刘道新. 典型管线钢应力腐蚀行为评定及控制方法研究D. 西安: 西北工业大学

9、, 2007.，由腐蚀造成的年经济损失高达每年国民经济总产值的1%3%。这些数字已大大超过由地震、水灾及火灾等自然灾害所造成的损失。腐蚀在石油行业中的腐蚀尤为严重。由中国腐蚀协会、中国化工协会等公布的资料显示，石油石化行业中，由于腐蚀构成的损失破坏达到本行业总产值的6%左右。油气田发生的大多数严重事故都是由于腐蚀造成的，每次事故的发生都造成了很大的经济损失以及严重的环境污染。根据国外权威研究机构预测，假如平时可以采用有效的防腐技术，就能够挽回腐蚀损失的30%40% 拓宏兵, 苏碧云. 榆林气田天然气处理厂重点设备腐蚀机理和防腐对策研究D. 西安: 西安石油大学, 2013.。然而封隔器作为油田

10、分层采油的主要工具，其腐蚀情况也相当严重。因此，研究封隔器的腐蚀有着十分深远的意义和重要性。1.1 金属封隔器的简介封隔器是指一种拥有弹性的密封元件，能够利用其来封隔各种各样的管柱空间，从而达到隔绝产层及控制注（产）液的目的。油田广泛使用的封隔器是使用橡胶为密封材料制成的。这是由于橡胶密封器填充性好，易密封，能够适用于复杂的井筒情况。但是随着油田勘探的不断深入，油层温度和压力不断升高，橡胶密封件容易老化，严重影响了封隔器的使用性能与寿命。一般来说，传统的封隔器只适应地层温度小于120、工作压力小于50MPa。因此寻找新的封隔器成为了一种趋势，经研究发现金属封隔器具有耐高温、耐磨性强、通径大和使

11、用寿命长等优点。目前来说金属封隔器主要是由超弹性金属和易熔金属构成的。金属封隔器相对于传统封隔器来说，其优点相当明显，但是金属封隔器也有其缺点。金属腐蚀问题一直是一个亟待解决的问题，封隔器用金属材料的腐蚀问题是个很值得研究的课题。11.2 金属的应力腐蚀封隔器作为油田分层采油的主要工具，经研究发现金属封隔器主要发生应力腐蚀。一般来说金属材料在存在外加应力的腐蚀环境中，由于腐蚀环境及施加应力的协同作用从而导致材料发生了脆性断裂。应力腐蚀是导致金属材料开裂或断裂的原因之一，这种原因导致的现象是十分普遍的。应力腐蚀是工程结构失效的常见腐蚀破坏形式之一。金属的应力腐蚀发生之前，金属一般不会发生明显的变

12、形或其它著的宏观征兆。因此，金属的应力腐蚀经常被忽视而不注重防护，从而时不时发生严重的破坏事故。1.2.1 应力腐蚀产生的条件 应力腐蚀的产生必须同时满足三个条件：(1)敏感的金属材料；(2)特定的介质；(3)足够大的拉伸应力。即对于特定的金属材料，当只存在拉伸应力时，材料不会发生应力腐蚀；当只存在腐蚀介质时，材料也不会发生应力腐蚀。敏感的材料是指化学成分和组织结构的一定的金属，在某些特定的环境中对应力腐蚀具有很强的敏感性。纯金属从理论上讲是不会发生应力腐蚀的，但是在相同条件下只要金属材料中含有少量的杂质元素时，就会发生应力腐蚀现象。例如纯度为99.99%的Cu元素在含氨的介质中是不会发生应力

13、腐蚀的，但是当金属中含有0.04%的P和0.01%的Sb时就会发生应力腐蚀断裂 王维龙, 刘敏. 高压螺纹锁紧环热器管束腐蚀原因分析及对策J. 石油化工应用. 2011(02).。特定的介质是指不同的合金材料的应力腐蚀的发生必须是在特定的腐蚀环境中，即只有将合金放到其敏感的环境介质中时才会发生应力腐蚀。比如说，常见的不锈钢在海水、氯化物环境等环境中才会发生应力腐蚀；镁合金则需要硝酸、氢氧化物、蒸馏水中才会发生应力腐蚀。在结合以上三个条件，可以发现只有当敏感的金属材料处在特定的介质中，同时又被施加了一定的应力时，才可能发生应力腐蚀现象。1.2.2 应力腐蚀的基本特征(1) 应力腐蚀是典型的滞后破

14、坏金属材料在一定应力和腐蚀环境的共同作用下，材料的应力腐蚀才会发生 董力佳. 浅析压力容器应力腐蚀及其控制措施J. 城市建设理论研. 2013(35).。一般来说材料断裂要经过一短时间的来使裂纹形核以及裂纹亚临界扩展，最后才能达到裂纹的临界尺寸，从而发生断裂。材料的整个断裂时间与材料自身的组成结构、腐蚀介质、应力都有关。材料断裂的时间不定，有的只需要几分钟，而有的则需要若干年等等。对于大多数腐蚀体系来说，大体上都存在一个临界应力th。2一般来讲，金属在临界值以下是不发生应力腐蚀的。(2) 裂纹存在不同形态应力腐蚀裂纹有晶间型、穿晶型和混合型三种分类。宏观上来说应力腐蚀破裂属于脆性断裂，即使高塑

15、性金属也会发生这种现象。从微观上来说裂面也会有塑性流变的痕迹。通过微观观察可以发现，断口形貌可以呈现出多种形状条纹，比如说羽毛状、波浪纹等等。裂纹的产生与介质和材料有关，即同一材料在不同的介质中裂纹是不同的。应力腐蚀裂纹的特点：裂纹源于表面；裂纹一般呈线性，这是因为裂纹的长宽相差几个数量级；裂纹的扩展方向通常与主拉伸应力的方向垂直；裂纹一般呈树枝状。(3) 应力腐蚀裂纹的扩展应力腐蚀裂纹扩展速度跟均匀腐蚀速度相比，两者相差几个数量级。应力腐蚀速率为10-6-10-3mm/min，要比均匀腐蚀快大约106倍左右。但是对于纯机械断裂速度来说应力腐蚀的速率又是非常的小，仅为纯机械断裂速率的10-10。(4) 应力腐蚀开裂是一种低应力的脆性断裂材料在断裂之前不会发生明显的宏观塑性变形，大多数情况下都是脆性断口。考虑到受腐蚀的作用，金属材料断口表面颜色暗淡，可以看见腐蚀坑和二次裂纹。1.2.3 应力腐蚀机理由于能够引起钢材料发生应力腐蚀的因素各种各样，研究理论涉及多个学科方向。电化学、断裂力学、冶金学等学科都有涉及金属材料应力腐蚀的理论研究。因此