双相钢和镍基合金腐蚀试验对比分析

王文明（1975-），男，博士，高级工程师，从事耐腐 蚀油井管的研究工作。
井管用耐蚀合金产品，同时也是用量最大、应用最 广的不锈钢产品系列之一。但是，在国内的油井管 应用领域，特别是像四川的川东北、塔里木亚哈、 和田等地含有 H2S、CO2、Cl-同时存在的高温、高 压天然气田，选用油井管大多考虑的是马氏体不锈 钢（超级 13Cr）或镍基合金（G-3），而双相钢（22Cr、 25Cr）或铁-镍基合金（028）油井管考虑使用的很少。 究其原因，固然与日本 JFE、NKK、住友金属以及 欧洲 V&M 公司等油井管生产企业提出的选材推荐 指南有关，但同时也与大家对双相钢的认识，即针 对各种服役条件双相钢与其他耐蚀合金的腐蚀性能
式中 vcorr — —— 均匀腐蚀速率，mm/a； Δg — —— 试样失重，g；
γ — —— 材料密度，g/cm3；
（1）
2 试验结果及分析
根据表 1 的试验方案，不同试验条件下各种耐 蚀合金的腐蚀评价结果列于表 2。为了便于对比分 析，将表 2 的试验结果重新整理后列于表 3。从表 3 不难看出，H2S、CO2、Cl-、温度、液体搅拌等 多重因素对各种耐蚀合金高温高压腐蚀寿命均有影 响，其中 Cl-的影响最大。随着介质中 Cl-质量浓度 增多，对 22Cr、25Cr 双相不锈钢加速腐蚀起到了 非常大的推动作用。当 Cl-质量浓度≤70 g/L 时， 双相钢只发生很小的均匀腐蚀，不发生局部腐蚀及
STEEL PIPE Apr． 2012，Vol． 41，No． 2
钢 管 2012 年 4 月 第 41 卷第 2 期
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试验与研究
差异的了解不够有关［ 。 1-4］ 2009 年，无锡西姆莱斯石油专用管制造有限
公司在对伊朗等海湾国家石油公司油井管使用情况 进行调研时发现，双相钢（22Cr、25Cr）和铁-镍基 合金（028）油井管在该地区有着广泛的应用，说明 该类产品在我国各油气田没有得到良好的应用，的 确还存在着认识上的问题［ 5-8］。为此，选择几种有 代表性的双相钢与铁-镍基合金、镍基合金进行对 比试验分析，力求找出不同服役环境条件下耐腐蚀 性能的差异以及合理的选用范围。
2205、 2507、 168 028、G-3
试验所用试样取自 2205、2507 双相不锈钢油 管以及 028 铁-镍基合金、G-3 镍基合金油管，试 样为 Φ72 mm×3 mm 的 1/6 圆环样。试验前，先将 试样分别用 400 号、600 号、1000 号砂纸逐级打 磨以消除机加工的刀痕，将试样清洗、除油、冷风 吹干后测量尺寸并称重。然后，将试样相互绝缘安 装在特制的试验架上，放入高压釜内的腐蚀介质中 （试验条件见表 1）。试验装置选用 TFCZ2.3-9/180 型磁力驱动反应釜，如图 1 所示。
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双相钢和镍基合金腐蚀试验对比分析
王文明，张 毅
（无锡西姆莱斯石油专用管制造有限公司，江苏 无锡 214028 ）
摘 要：针对 H2S、CO2、Cl-同时存在的高温、高压腐蚀环境，选择 22Cr、25Cr 双相不锈钢和 028 铁-镍基 合金、G-3 镍基合金进行对比试验，分析 Cl-质量浓度、温度、液体流动等因素对各种耐蚀合金管材发生均匀腐 蚀与点蚀的腐蚀速率影响。结果表明：在 Cl-质量浓度小于 120 g/L 时，双相钢具有较好的耐腐蚀性能，可作为油 管和油层套管广泛使用；当 Cl-质量浓度大于 120 g/L 时，铁-镍基合金与镍基合金具有良好的耐腐蚀性能，此时 双相钢仅可作为油管进行有限寿命设计使用。
Key words： Dual phase steel； Ferronickel-base alloy； Nickel-base alloy； Anti-corrosion alloy； Oil well pipe；Corrosion test；Comparative analysis
针对苛刻的酸性油气田环境，根据环境中的 H2S 分压、CO2 分压、Cl-质量浓度、温度、压力和 液体流动情况，可选用的耐蚀合金材质有马氏体 不锈钢（13Cr、超级 13Cr 等）、双相不锈钢（UNS S32205，简称 2205 或 22Cr；UNS S32750，简称 2507 或 25Cr；等）、铁-镍基合金（028 等）和镍基 合金（825、G-3 等）。铁素体-奥氏体双相不锈钢是 介于马氏体不锈钢和奥氏体镍基合金之间的一种油
（2）
1 — 热电偶 2 — 加热器 3 — 电动机 4 — 气体出口 5 — 溶液循环系统 6 — 氮气 7 — CO2 气体
8 — 压力计 9 — 温度控制器 10 — 高温高压釜
图 1 试验用高温高压釜工作原理示意
均匀腐蚀速率的计算方法［5，7］为：
vcorr=
3
65 000·Δg γ·t·S
点蚀，且 25Cr 的均匀腐蚀速率仅为 0.007 8 mm/a， 明显小于 22Cr 的 0.022 3 mm/a，二者相差 3 倍之 多。即便是 22Cr 的 0.022 3 mm/a 腐蚀速率，也能 保持油管 30 年以上的腐蚀寿命，所以在工程应用 上可作为无限寿命设计。
编号 1
2
3 4 5
表 2 不同试验条件下各种耐蚀合金的腐蚀评价结果
4.13 Cl-：120 000
20
3
3.5
模拟川东北龙岗腐蚀 5 试验条件（高温动态） 4.60
4.40 Cl-：120 000
155
3
3.5
试验时间 /h
试 材料
720 028、G-3
168 2205、2507
2205、 2507、 168 028、G-3
2205、 2507、 168 028、G-3
关键词：双相钢；铁-镍基合金；镍基合金；耐蚀合金；油井管；腐蚀试验；对比分析 中图分类号：TE931+.2；TG174.3 %%文献标志码：B %文章编号：1001-2311（2012）02-0025-05
Comparative Analysis on Results from Corrosion Tests of Dual Phase Steel and Nickel-base Alloy
模拟腐蚀试验条件
2205
2507
028
G-3
模 拟 塔 里 木 油 田 静态均匀腐蚀速率为
静态均匀腐蚀速率为
腐蚀试验条件（高 0.022 3 mm/a，无局
0.007 8 mm/a，无局
-
-
温静态）
部腐蚀发生
部腐蚀发生
模拟土库曼斯坦 腐蚀试验条件（高 温静态）
模拟土库曼斯坦 腐蚀试验条件（高 温动态）
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t —— — 试验时间，d；
S — —— 试样表面积，mm2。
局部腐蚀速率的计算方法［9-10］为：
v′corr=vcorr+
365·Δ t
h
式中 v′corr —— 局部腐蚀速率，mm/a； Δh — —— 腐蚀坑深度，mm。
1 试验方案
由于双相钢、铁-镍基合金、镍基合金等均具 有抗 H2S 应力腐蚀开裂的能力（3 类耐蚀合金管材 均能够通过 NACE TM0177—2005《硫化氢环境中
硫化物应力腐蚀开裂和应力腐蚀开裂实验室试验方 法》标准规定的 A 法 A 溶液 720 h 不开裂的 H2S 应 力腐蚀试验），因此不同材质的耐腐蚀对比试验主 要是利用高温高压釜，进行 H2S、CO2、Cl-同时存 在的高温、高压腐蚀试验，以及均匀腐蚀和局部腐 蚀的腐蚀速率评价。其中在选择试验参数时，先后 模拟了塔里木亚哈气田腐蚀环境（高温静态）、土库 曼斯坦腐蚀环境之一（高温静态）、土库曼斯坦腐蚀 环境之二（高温动态）、土库曼斯坦腐蚀环境之三 （常温动态）以及川东北龙岗地区腐蚀环境（高温动 态）等。由于 H2S常温饱和蒸汽压的影响，在 20 ℃ 时所能施加的 H2S 压力最高为 1.83 MPa，继续加 压将导致 H2S 液化，因此具体试验温度分常温 20 ℃和高温（155±5）℃两种。各种方案的试验条件及 参数见表 1。
150 静态
-
SO42-：784.36
HCO3-：540.09
模拟土库曼斯坦腐蚀 2 试验条件（高温静态） 2.66
4.13 Cl-：120 000
160
静态
3.5
模拟土库曼斯坦腐蚀 3 试验条件（高温动态） 2.66
4.13 Cl-：120 000
160
3
3.5
模拟土库曼斯坦腐蚀 4 试验条件（常温动态） 1.83
Wang Wenming，Zhang Yi （Wuxi Seamless Oil Pipe Co.，Ltd.，Wuxi 214028，China ）
Abstract： Addressing the hi-temperature and high-pressure corrosive service conditions involving the coexistence of H2S，CO2 and Cl-，comparative tests are conducted to the 22Cr and 25Cr dual phase stainless steels， and the 028 ferronickel-base alloy and G-3 nickel-base alloy. The elements like Cl- concentration，temperature and liquid mobility etc. which influence the velocity of general or spot corrosion of different anti-corrosion alloy tubular products are analyzed. The test results demonstrate that when Cl- mass concentration is less than 120 g/L， the dual phase steel possesses rather fine corrosion resistance，and can be widely used as the material to produce the tubing or the oil string casing，and when Cl- mass concentration is higher than 120 g/L，the ferronickel-base alloy or the nickel-base alloy possesses satisfactory corrosion resistance，whereas the dual phase steel can be only used to produce tubings with a limited service span as designed.