高温高压下Cl~-对42CrMo钻具用钢及其双铬镀层腐蚀影响研究

发布时间：2020-09-15 19:12

　　在油气钻井过程中,随着盐水钻井液的广泛应用和地层水矿化度的增加,油气田井下工况中的Cl~-浓度不断增加,从而导致钻具材料出现了越来越多的氯离子腐蚀问题。因此,有必要研究钻具材料在高温高压高浓度Cl~-特定工况条件下的腐蚀行为和防护措施,为存在类似工况条件下的材料腐蚀速度预测和防护镀层的研究奠定一定基础。本论文通过高压釜模拟油气田高温高压工况条件,采用挂片失重法和电化学方法研究了42CrMo在高温高压高浓度Cl~-溶液中的腐蚀速度、电化学特性,并结合SEM、XRD等表面分析技术研究了42CrMo及其双铬镀层表面腐蚀产物膜的显微形貌、成分及相结构等特征,最后讨论了高温高压下高浓度Cl~-对42CrMo及其双铬镀层的腐蚀影响,并评价了双铬镀层在高温高压环境下的防护性能。具体研究结果如下:(1)42CrMo在不同温度和不同Cl~-浓度溶液中浸泡72h后分析表明:当Cl~-浓度为100g/L、温度为180℃时,试样的平均腐蚀速度最大;SEM、XRD研究表明,42CrMo表面均发生了不同程度的局部点蚀,且表层沉积物主要为CaCO_3腐蚀垢,并夹杂着少量Fe_3O_4腐蚀产物。(2)42CrMo在120℃下不同Cl~-浓度溶液中的电化学分析表明:随着Cl~-浓度的不断增加,阻抗谱等效电路拟合所得的极化电阻呈现出先降低后增加的变化趋势,且在Cl~-浓度为100g/L时值最小,而腐蚀电流密度呈现出先增加后降低的抛物线趋势,并在Cl~-浓度为100g/L时值最大,说明侵蚀性Cl~-在溶液中具有双重作用。(3)单硬铬镀层和双铬镀层在温度为180℃、Cl~-浓度为100g/L(本试验中42CrMo钢腐蚀最为严重的工况)条件下浸泡不同时间后分析表明:当浸泡时间增加到168h时,单硬铬镀层的防护性能大大削弱,其基体发生了严重的局部腐蚀,但双铬镀层对42CrMo基体仍具有较好的保护作用。这主要由于在双铬镀层中具有较低孔隙率和较高致密性的乳白铬底层进一步阻挡了外界腐蚀溶液通过表层硬铬镀层中的微裂纹扩散至镀层/基体界面结合处,从而更好的保护了42CrMo基体不受腐蚀。(4)双铬镀层在常温常压下Cl~-浓度为100g/L溶液中的电化学分析表明,双铬镀层相对于单硬铬镀层具有较正的开路电位、更低的自腐蚀电流密度和较高的极化电阻,表明双铬镀层在高浓度Cl~-溶液中具有较高的耐蚀性。
【学位单位】：重庆科技学院
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TE982
【部分图文】：

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图 1.1 油气田井下钻具表面的局部坑蚀现象Fig.1.1 The phenomenon of local pitting corrosion on the surface of underground drillingtools in oil and gas fields从文献报道来看，当腐蚀介质中含有侵蚀性 Cl-时，其能诱发、活化和促进金属材料表面产生局部腐蚀，腐蚀形态主要为点蚀[18]。一般而言，点蚀过程可分为三个阶段：孕育期、生长期和再钝化区[19]。点蚀的孕育期越长，则表示引发点蚀的速度越小。到目前为止，国内外学者针对点蚀的孕育期有不同的解释，Leckie 和 Hoar 等[20, 21]认为在含有侵蚀性氯离子的腐蚀溶液中，Cl-能优先有选择地吸附在金属材料表面的一层氧化物钝化膜上，排挤掉钝化膜中的氧原子，并与钝化膜中的金属阳离子结合形成可溶性氯化物，继而在金属材料的基体上形成坑蚀；然而该研究并没有针对金属点蚀的诱发期进行解释。火时中等[22]研究表明当氯离子在腐蚀产物膜表面的某些局部区域聚集时可形成氯化物核，当氯化物核和腐蚀产物膜作用后可击破膜的完整性，同时溶液中高浓度氯离子又可阻碍材料表面发生再钝化，而使试样表面一直处于活性状态，从而诱发了坑蚀的不断发展；但是这种临界核模型受氯离子浓度、温度和电位三者条件的约束，并不适合所有

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重庆科技学院硕士专业学位论文 1 绪论化曲线（Tafel）等电化学参数，并讨论 42CrMo 钢在不同介质、不同状态下的电化学腐蚀热力学差异、动力学差异和电化学腐蚀机理。（2）双铬镀层在高温高压高浓度 Cl-环境下的防护性能研究分析双铬镀层在 42CrMo 基体腐蚀程度最为严重的工况条件下浸泡不同时间（24h、72h、120h 和 168h）后的表面形貌和截面形貌的变化规律，找出不同浸泡时间对双铬镀层腐蚀形貌的影响规律，以及阐述双铬镀层的组织结构与耐蚀性能的关系；同时，分析双铬镀层在常温常压下高浓度 Cl-溶液中的电化学特性和电化学腐蚀机制。1.4 技术路线本论文采用试验研究和理论探索相结合的研究方案，对其中所涉及的腐蚀问题展开全面深入的研究，具体技术路线如图 1.2 所示。

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三种腐蚀研究方法。重法发生腐蚀后，其些物理性能和机械性能（如厚度、质量、机发生变化，而这些物理性能的变化率可以用来表示金属的腐，通常采用传统的挂片失重法来计算材料的平均腐蚀速度。用美国 CORTEST 设计的高温高压腐蚀测试釜系统。该系统的精密加工容器，主要包括高压釜体、加热器、增压泵、高机控制系统等，如图 2.1 所示。高温高压釜体是由整体式而成，无焊缝，无内衬，最大操作压力可达 35MPa，最大容为 350℃。所有与釜体容器内液体接触的部件，包括控制阀圈、釜盖以及爆破片等材质均与釜体材质相同。高压釜控制釜内溶液介质温度、釜内压力、搅拌轴转速试验持续时间、设置和控制。

【参考文献】