一種測(cè)量金屬材料元素硫應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂敏感性的試驗(yàn)方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)一種測(cè)量金屬材料元素硫應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂敏感性的試驗(yàn)方法，包括以下步驟：(1)試樣制備：加工板裝試樣，并清潔干凈；在清潔干凈的試樣表面涂覆一層多孔硫?qū)樱?2)配制油氣井地層水模擬液；(3)腐蝕試驗(yàn)：將涂覆硫的試樣放入配制的油氣井地層水模擬液中進(jìn)行腐蝕試驗(yàn)；(4)腐蝕試驗(yàn)結(jié)束后，進(jìn)行應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂敏感性檢查。本發(fā)明，可有效克服硫?qū)优c試樣不能緊密接觸的問(wèn)題，進(jìn)而準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)高酸性油氣田采輸管道和裝置材料在元素硫存在條件下的應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂敏感性，試驗(yàn)結(jié)果可靠。
【專利說(shuō)明】
一種測(cè)量金屬材料元素硫應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂敏感性的試驗(yàn)方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于腐蝕與防護(hù)技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種測(cè)量金屬材料元素硫應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂敏感性的試驗(yàn)方法。
【背景技術(shù)】
[0002]高酸性油氣田在開(kāi)采過(guò)程中，儲(chǔ)氣層中的元素硫被高速氣流攜帶出地層，隨著采輸系統(tǒng)溫度和壓力的變化，元素硫顆粒從天然氣中析出并沉淀，造成采輸管道或裝置發(fā)生堵塞和腐蝕穿孔等生產(chǎn)事故，嚴(yán)重影響油氣田的安全生產(chǎn)。
[0003]研究表明:在元素硫存在情況下，元素硫與H2SX、H2S、HS—、H20以及Cl—等共同作用加劇了碳鋼和耐蝕合金的腐蝕，破壞形式以點(diǎn)蝕誘發(fā)的局部腐蝕為主，也可能誘發(fā)材料的應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂(Liane Smith et al，2005NACE CORROS1N ,Paper N0.05646)。
[0004]目前，元素硫腐蝕試驗(yàn)的研究以均勻腐蝕和點(diǎn)蝕為主，元素硫以懸浮和沉積兩種形式存在。專利公開(kāi)號(hào)“CN 104422648 A”、發(fā)明名稱為“一種油井管材料沉積硫腐蝕試驗(yàn)方法及其試驗(yàn)用夾具”的中國(guó)專利申請(qǐng)介紹了一種高合金油井管沉積硫腐蝕試驗(yàn)方法，該方法將單質(zhì)硫粉和模擬地層水溶液混合調(diào)配后填充在夾具中將試樣包圍，將夾具封閉后進(jìn)行高溫高壓試驗(yàn)，再計(jì)算均勻腐蝕速率和局部腐蝕速率。該專利申請(qǐng)以高合金油井管材料為試驗(yàn)對(duì)象，旨在克服硫粉不能與腐蝕溶液充分混合、硫粉流失以及硫粉液化沉淀的問(wèn)題，而研究材料在高溫沉積硫環(huán)境中的均勻腐蝕和點(diǎn)蝕。
[0005]應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂是高酸性油氣田采輸管道和裝置面臨的一種主要破壞形式，其隱蔽性強(qiáng)、危害性大。然而，目前尚沒(méi)有有效地測(cè)量元素硫應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂的試驗(yàn)方法。對(duì)于元素硫環(huán)境中材料應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂試驗(yàn)，存在以下難題:
[0006]I)懸浮或沉積狀態(tài)的硫粉不溶于水，且易漂浮在溶液表面或沉積在溶液底部，難保證硫粉、溶液與試樣的緊密接觸；
[0007]2)預(yù)制應(yīng)力階段難以保證硫?qū)优c試樣保持緊密接觸。
[0008]3)直接涂覆硫?qū)舆^(guò)于致密，影響溶液與試樣的接觸，從而影響腐蝕結(jié)果。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明的目的在于提供一種測(cè)量金屬材料元素硫應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂敏感性的試驗(yàn)方法，能夠有效地評(píng)價(jià)高酸性油氣田采輸管道和裝置材料在元素硫存在條件下的應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂敏感性。
[0010]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
[0011]—種測(cè)量金屬材料元素硫應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂敏感性的試驗(yàn)方法，包括以下步驟:
[0012](I)試樣制備:加工板裝試樣，并清潔干凈;在清潔干凈的試樣表面涂覆一層多孔硫?qū)樱?br>[0013](2)配制油氣井地層水模擬液；
[0014](3)腐蝕試驗(yàn):將涂覆硫的試樣放入配制的油氣井地層水模擬液中進(jìn)行腐蝕試驗(yàn)；
[0015](4)腐蝕試驗(yàn)結(jié)束后，進(jìn)行應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂敏感性檢查。
[0016]進(jìn)一步的，步驟(I)具體包括:
[0017]1.1)加工板狀試樣，用240#-1000#砂紙沿試樣軸向進(jìn)行打磨，再用丙酮和無(wú)水乙醇超聲輔助清洗干凈；
[0018]1.2)測(cè)量試樣尺寸，計(jì)算撓度；
[0019]1.3)通過(guò)彎曲試樣施加應(yīng)力；
[0020]1.4)在試樣表面涂覆含有氣孔的多孔硫?qū)印?br>[0021 ]進(jìn)一步的，在試樣表面涂覆含有氣孔的硫?qū)泳唧w為:
[0022]將分析純級(jí)別的單質(zhì)硫粉用乙醇潤(rùn)濕后涂覆于試樣待檢表面，加熱試樣至115?125°C使得試樣表面的硫處于微熔態(tài)，同時(shí)采用氮?dú)獯祾咭苑乐乖嚇颖砻嫜趸?單質(zhì)硫粉與乙醇的質(zhì)量比為1.5?4.5:1;
[0023]或者，將分析純級(jí)別的單質(zhì)硫粉用有機(jī)分散劑(如正丁醇、異丁醇、丙醇)調(diào)配為粘稠漿狀，涂抹在試樣待檢表面，將試樣加熱至115?125°C使得試樣表面的硫漿呈微熔態(tài)，同時(shí)采用氮?dú)獯祾咭苑乐乖嚇颖砻嫜趸?單質(zhì)硫粉與分散劑的質(zhì)量比為0.2?1.2:1。
[0024]進(jìn)一步的，步驟(2)中油氣井地層水模擬液配制具體包括:
[0025]2.1)配制油氣井地層模擬水，Cl—濃度范圍為O?200g/L;
[0026]2.2)配制好的模擬水放置在密閉容器中，并以100ml/min的速率連續(xù)通入氮?dú)庖匀コ芤褐械娜芙庋酰B續(xù)除氧時(shí)間為每升溶液至少lh。
[0027]進(jìn)一步的，步驟(3)具體包括:
[0028]3.1)將處理好的試樣放置在試驗(yàn)容器內(nèi)；
[0029]3.2)將處理好的油氣井地層水模擬液注入試驗(yàn)容器，并密封；
[0030]3.3)向油氣井地層水模擬液中以lOOml/min的速率通入氮?dú)庠俅稳コ囼?yàn)溶液中的溶解氧，時(shí)間是每升溶液至少0.5h;
[0031 ] 3.4)將油氣井地層水模擬液的溫度升至試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)溫度；
[0032]3.5)向試驗(yàn)容器中通入試驗(yàn)氣體；
[0033]3.6)試驗(yàn)時(shí)間為72011。
[0034]進(jìn)一步的，步驟3.5)中通入的試驗(yàn)氣體為硫化氫氣體和二氧化碳?xì)怏w。
[0035]進(jìn)一步的，試驗(yàn)容器內(nèi)通入硫化氫氣體的壓力為0.1?0.5MPa，通入二氧化碳?xì)怏w的壓力為0.1?0.5MPa，通入氮?dú)庋a(bǔ)充使得試驗(yàn)容器內(nèi)總壓達(dá)到2MPa。
[0036]進(jìn)一步的，步驟(2)中油氣井地層水模擬液中Cl—濃度為107g/L，H⑶3—濃度為0.34g/L，SO42—濃度為0.30g/L，Ca2+濃度為15.02g/L，Na++K+濃度為50.93g/L，Mg2+濃度為0.94g/L0
[0037]進(jìn)一步的，步驟3.4)中目標(biāo)溫度為60°C。
[0038]進(jìn)一步的，步驟1.3)中通過(guò)四點(diǎn)彎曲施加應(yīng)力。
[0039]相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有以下有益效果:本發(fā)明有效克服硫?qū)优c試樣不能緊密接觸的問(wèn)題，進(jìn)而準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)高酸性油氣田采輸管道和裝置材料在元素硫存在條件下的應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂敏感性，試驗(yàn)結(jié)果可靠;單質(zhì)硫與乙醇或分散劑混合，將試樣加熱至115?125°C，乙醇或分散劑進(jìn)行揮發(fā)，在涂覆的硫?qū)又行纬啥嗫捉Y(jié)構(gòu)，冷卻后形成多孔硫?qū)?使得溶液能夠通過(guò)氣孔與試樣的接觸，從而保證腐蝕結(jié)果;有效的克服了直接涂覆硫?qū)舆^(guò)于致密，影響溶液與試樣的接觸，從而影響腐蝕結(jié)果的問(wèn)題。
【具體實(shí)施方式】
[0040]下面通過(guò)實(shí)施例進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明的應(yīng)用及效果。
[0041]一種測(cè)量金屬材料元素硫應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂敏感性的試驗(yàn)方法，應(yīng)力加載方式為四點(diǎn)彎曲，具體包括以下步驟:
[0042](I)試樣制備:
[0043]I)加工板狀試樣，用240#-1000#砂紙沿試樣軸向進(jìn)行打磨，再用丙酮和無(wú)水乙醇超聲輔助清洗。
[0044]2)測(cè)量試樣尺寸，計(jì)算撓度。
[0045]3)通過(guò)彎曲試樣施加應(yīng)力。
[0046]4)試樣表面涂覆硫，形成多孔硫?qū)?
[0047]方法一:將分析純級(jí)別的單質(zhì)硫粉用乙醇潤(rùn)濕后涂覆于試樣待檢表面，加熱試樣至115?125°C使得試樣表面的硫處于微熔態(tài)，同時(shí)采用氮?dú)獯祾咭苑乐乖嚇颖砻嫜趸?單質(zhì)硫粉與乙醇的質(zhì)量比為1.5?4.5:1。
[0048]方法二:將分析純級(jí)別的單質(zhì)硫粉用有機(jī)分散劑(如正丁醇、異丁醇、丙醇)調(diào)配為粘稠漿狀，涂抹在試樣待檢表面，將試樣放置在坩禍皿中加熱至115?125°C使得試樣表面的硫漿呈微熔態(tài)，同時(shí)采用氮?dú)獯祾咭苑乐乖嚇颖砻嫜趸?單質(zhì)硫粉與分散劑的質(zhì)量比為
0.2 ?1.2:1。
[0049](2)油氣井地層水模擬液配制:
[0050]I)配制油氣井地層模擬水，Cl—濃度范圍為O?200g/L。
[0051]2)配制好的模擬水放置在密閉容器中，并連續(xù)通入高純氮?dú)?100ml/min)以去除溶液中的溶解氧，連續(xù)除氧時(shí)間因溶液體積而異，每升溶液至少lh。
[0052](3)腐蝕試驗(yàn):
[0053]I)將處理好的試樣放置在試驗(yàn)容器內(nèi)；
[0054]2)將處理好的試驗(yàn)溶液注入試驗(yàn)容器，并密封；
[0055]3)向試驗(yàn)溶液中通入高純氮?dú)?100ml/min)再次去除試驗(yàn)溶液中的溶解氧，時(shí)間是每升溶液至少0.5h。
[0056]4)將試驗(yàn)溶液溫度升至試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)溫度。
[0057]5)向試驗(yàn)容器中通入試驗(yàn)氣體(如高純硫化氫氣體、高純二氧化碳?xì)怏w等)至相應(yīng)的分壓和總壓。
[0058]6)試驗(yàn)時(shí)間為720h。
[0059](4)應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂敏感性檢查:
[0060]I)檢查試樣是否發(fā)生斷裂。
[0061]2)清除試樣表面沉積硫和腐蝕產(chǎn)物，利用顯微鏡觀察試樣表面是否出現(xiàn)裂紋。
[0062]實(shí)施例1
[0063](I)試樣制備:選用高酸性油氣田集輸用L245M為試驗(yàn)材料，加工成115 X 15 X 4mm的板狀試樣，用240#-1000#砂紙逐級(jí)打磨后，依次用丙酮、無(wú)水乙醇超聲輔助清洗，并測(cè)量試樣尺寸。根據(jù)試驗(yàn)材料強(qiáng)度和尺寸，計(jì)算撓度，并通過(guò)彎曲試樣施加應(yīng)力。將分析純級(jí)別的單質(zhì)硫粉用乙醇(質(zhì)量比為4.5:1)潤(rùn)濕后涂覆于試樣待檢表面，加熱試樣至120°C使得試樣表面的硫處于微熔態(tài)，同時(shí)采用氮?dú)獯祾咭苑乐乖嚇颖砻嫜趸?，直至試樣表面微熔態(tài)硫?qū)幽獭?br>[0064](2)油氣井地層水模擬液配制:根據(jù)某油氣田地層水成分配制模擬溶液，溶液中的Cl—濃度為 107g/L，HC03—濃度為 0.34g/L，S042—濃度為 0.30g/L，Ca2+濃度為 15.02g/L，Na++K+濃度為50.93g/L，Mg2+濃度為0.94g/L。密封除氧4h，備用。
[0065](3)腐蝕試驗(yàn):將處理好的試樣和處理好的試驗(yàn)溶液放置在高溫高壓釜中，立即封蓋，并通入高純氮?dú)獬?h。將試驗(yàn)溶液溫度升至60°C。再向釜內(nèi)先后打入0.5MPa分壓的CO2和0.1MPa分壓的H2S,用高純氮?dú)庋a(bǔ)充使得釜內(nèi)總壓達(dá)到2MPa，進(jìn)行模擬油氣田工況和元素硫存在條件下的腐蝕試驗(yàn)，試驗(yàn)時(shí)間為720h。
[0066](4)應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂敏感性檢查:試驗(yàn)后，檢查試樣是否發(fā)生斷裂，清除試樣表面的硫和腐蝕產(chǎn)物，用顯微鏡觀察試樣表面是否存在裂紋。由此，評(píng)判L245M材料在元素硫存在環(huán)境下的應(yīng)力腐蝕敏感性。
[0067]實(shí)施例2
[0068](I)試樣制備:選用油氣田酸性天然氣處理裝置用316L為試驗(yàn)材料，加工成115 X15乂4111111的板狀試樣，用240#-1000#砂紙逐級(jí)打磨后，依次用丙酮、無(wú)水乙醇超聲輔助清洗，并測(cè)量試樣尺寸。根據(jù)試驗(yàn)材料強(qiáng)度和尺寸，計(jì)算撓度，并通過(guò)彎曲試樣施加應(yīng)力。將分析純級(jí)別的單質(zhì)硫粉用有機(jī)分散劑(如正丁醇，質(zhì)量比為1.2:1)調(diào)配為粘稠漿狀，涂抹在試樣待檢表面，將試樣加熱至125 °C使得試樣表面的硫漿呈微熔態(tài)，高純氮?dú)獯祾咭苑乐乖嚇颖砻嫜趸?。直至試樣表面微熔態(tài)硫?qū)幽獭?br>[0069](2)油氣井地層水模擬液配制:根據(jù)某油氣田地層水成分配制模擬溶液，溶液中的Cl—濃度為 107g/L，HC03—濃度為 0.34g/L，S042—濃度為 0.30g/L，Ca2+濃度為 15.02g/L，Na++K+濃度為50.93g/L，Mg2+濃度為0.94g/L。密封除氧4h，備用。
[0070](3)腐蝕試驗(yàn):將處理好的試樣和處理好的試驗(yàn)溶液放置在高溫高壓釜中，立即封蓋，并通入高純氮?dú)獬?h。將試驗(yàn)溶液溫度升至60°C。再向釜內(nèi)先后打入1.0MPa分壓的CO2和0.5MPa分壓的H2S,用高純氮?dú)庋a(bǔ)充使得釜內(nèi)總壓達(dá)到2MPa，進(jìn)行模擬油氣田工況和元素硫存在條件下的腐蝕試驗(yàn)，試驗(yàn)時(shí)間為720h。
[0071](4)應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂敏感性檢查:試驗(yàn)后，檢查試樣是否發(fā)生斷裂，清除試樣表面的硫和腐蝕產(chǎn)物，用顯微鏡觀察試樣表面是否存在裂紋。由此，評(píng)判316L材料在元素硫存在環(huán)境下的應(yīng)力腐蝕敏感性。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種測(cè)量金屬材料元素硫應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂敏感性的試驗(yàn)方法，其特征在于，包括以下步驟: (1)試樣制備:加工板裝試樣，并清潔干凈;在清潔干凈的試樣表面涂覆一層含有氣孔的硫?qū)樱? (2)配制油氣井地層水模擬液； (3)腐蝕試驗(yàn):將涂覆硫的試樣放入配制的油氣井地層水模擬液中進(jìn)行腐蝕試驗(yàn)； (4)腐蝕試驗(yàn)結(jié)束后，進(jìn)行應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂敏感性檢查。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種測(cè)量金屬材料元素硫應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂敏感性的試驗(yàn)方法，其特征在于，步驟(I)具體包括: 1.1)加工板狀試樣，用240#-1000#砂紙沿試樣軸向進(jìn)行打磨，再用丙酮和無(wú)水乙醇超聲輔助清洗干凈； 1.2)測(cè)量試樣尺寸，計(jì)算撓度； I.3)通過(guò)彎曲試樣施加應(yīng)力； 1.4)在試樣表面涂覆含有氣孔的硫?qū)印?.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種測(cè)量金屬材料元素硫應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂敏感性的試驗(yàn)方法，其特征在于，在試樣表面涂覆含有氣孔的硫?qū)泳唧w為: 將分析純級(jí)別的單質(zhì)硫粉用乙醇潤(rùn)濕后涂覆于試樣待檢表面，加熱試樣至115?125°C使得試樣表面的硫處于微熔態(tài)，同時(shí)采用氮?dú)獯祾咭苑乐乖嚇颖砻嫜趸?單質(zhì)硫粉與乙醇的質(zhì)量比為1.5?4.5:1; 或者，將分析純級(jí)別的單質(zhì)硫粉用分散劑調(diào)配為粘稠漿狀，涂抹在試樣待檢表面，將試樣加熱至115?125°C使得試樣表面的硫漿呈微熔態(tài)，同時(shí)采用氮?dú)獯祾咭苑乐乖嚇颖砻嫜趸?所述分散劑為正丁醇、異丁醇或丙醇;單質(zhì)硫粉與分散劑的質(zhì)量比為0.2?1.2:1。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種測(cè)量金屬材料元素硫應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂敏感性的試驗(yàn)方法，其特征在于，步驟(2)中油氣井地層水模擬液配制具體包括: 2.1)配制油氣井地層模擬水，Cl—濃度范圍為O?200g/L; 2.2)配制好的模擬水放置在密閉容器中，并以100ml/min的速率連續(xù)通入氮?dú)庖匀コ芤褐械娜芙庋?，連續(xù)除氧時(shí)間為每升溶液至少lh。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種測(cè)量金屬材料元素硫應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂敏感性的試驗(yàn)方法，其特征在于，步驟(3)具體包括: 3.1)將處理好的試樣放置在試驗(yàn)容器內(nèi)； 3.2)將處理好的油氣井地層水模擬液注入試驗(yàn)容器，并密封； 3.3)向油氣井地層水模擬液中以lOOml/min的速率通入氮?dú)庠俅稳コ囼?yàn)溶液中的溶解氧，時(shí)間是每升溶液至少0.5h; 3.4)將油氣井地層水模擬液的溫度升至試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)溫度； 3.5)向試驗(yàn)容器中通入試驗(yàn)氣體； 3.6)試驗(yàn)時(shí)間為72011。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種測(cè)量金屬材料元素硫應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂敏感性的試驗(yàn)方法，其特征在于，步驟3.5)中通入的試驗(yàn)氣體為硫化氫氣體和二氧化碳?xì)怏w。7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種測(cè)量金屬材料元素硫應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂敏感性的試驗(yàn)方法，其特征在于，試驗(yàn)容器內(nèi)通入硫化氫氣體的壓力為0.1?0.5MPa，通入二氧化碳?xì)怏w的壓力為0.1?0.5MPa，通入氮?dú)庋a(bǔ)充使得試驗(yàn)容器內(nèi)總壓達(dá)到2MPa。8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種測(cè)量金屬材料元素硫應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂敏感性的試驗(yàn)方法，其特征在于，步驟(2)中油氣井地層水模擬液中Cl—濃度為107g/L，H⑶3—濃度為0.34g/L，SO/—濃度為 0.30g/L，Ca2+濃度為 15.02g/L，Na++K+濃度為 50.93g/L，Mg2+濃度為 0.94g/L。9.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種測(cè)量金屬材料元素硫應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂敏感性的試驗(yàn)方法，其特征在于，步驟3.4)中目標(biāo)溫度為60°C。10.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種測(cè)量金屬材料元素硫應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂敏感性的試驗(yàn)方法，其特征在于，步驟1.3)中通過(guò)四點(diǎn)彎曲施加應(yīng)力。
【文檔編號(hào)】G01N17/00GK105954179SQ201610262771
【公開(kāi)日】2016年9月21日
【申請(qǐng)日】2016年4月25日
【發(fā)明人】袁軍濤, 付安慶, 李磊, 朱麗娟, 宋成立
【申請(qǐng)人】中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司, 中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司管材研究所