35CrMo钢在含砂胍胶溶液中的冲刷腐蚀行为和机理.pdf

13日May2023CORROSION&PROTECTION2023年5 月No.5Vol.44第44卷第5 期腐蚀与防护D0I:10.11973/fsyfh-2023050035CrMo钢在含砂胍胶溶液中的冲刷腐蚀行为和机理傅登伟1，郑可新2 3，李博伦1，任倩楠2 3，邱福寿，胡红祥”，郑玉贵（1.中国石油新疆油田分公司实验检测研究院，克拉玛依8 3 40 0 0；2.中国科学技术大学材料科学与工程学院，沈阳110 0 16；3.中国科学院金属研究所，沈阳110 0 16）摘要：采用失重法、微观形貌观察法和电化学法研究了3 5 CrMo钢在胍胶溶液、含砂水溶液和含砂胍胶溶液中的冲刷腐蚀行为和机理。结果显示：溶液的侵蚀性由高到低排序为含砂胍胶溶液、含砂水溶液和胍胶溶液；在含砂水中加入胍胶可明显抑制冲刷腐蚀；相比于胍胶溶液，3 5 CrMo钢在含砂胍胶溶液中腐蚀电流密度的增大说明砂粒的存在能显著提高由力学作用引起的腐蚀增量。关键词：冲刷腐蚀；交互作用；高黏度；液固冲蚀中图分类号：TG172文献标志码：A文章编号：10 0 5-7 48 X（2 0 2 3）0 5-0 0 13-0 6Erosion Corrosion Behavior and Mechanism of 35CrMo Steel in Solution ContainingGuargum and SandFU Dengwei,ZHENG Kexin,LI Bolun,REN Qiannan,QIU Fushou,HU Hongxiang,ZHENG Yuguis3(1.Research Institute of Engineering Technology,Xinjiang Oil Field Company,PetroChina,Karamay 834000,China;2.School of Materials Science and Engineering,University of Science and Technology of China,Shenyang 110016,China;3.Institute of Metal Research,Chinese Academy of Sciences,Shenyang 110016,China)Abstract:The erosion corrosion behavior and mechanism of 35CrMo steel in guanidine gum solution,sand watersolution and sand guanidine gum solution were investigated by weight-loss method,microstructure observation,andthe electrochemical method.The results showed that the descending order of solution erodibility was as following:sand guanidine gum solution,sand water solution and guanidine gum solution.Guanidine gum added into the sandwater solution could reduce erosion corrosion.The corrosion current density of 35CrMo steel was higher in the sandguanidine gum solution than in the guanidine gum solution,indicating that the presence of sand can significantly raisethe corrosion increment caused by mechanical action.Key words:erosion corrosion;synergetic action;high viscosity;liquid-solid erosion近年来，国内油气、页岩气等能源的开采技术不断进步，开采规模向千万方靠近，开采地势、环境也更加多变。压裂井口装置是压裂开采技术中用到的关键设备，随着开采力度增大，装置面临的冲刷磨损和腐蚀问题日趋严重 2-5。装置失效会造成井漏、黏卡等事故，不仅会带来巨大的经济损失，更会威胁收稿日期：2 0 2 1-12-14基金项目：国家自然科学基金面上项目（5 197 12 2 9）；中国科学院核用材料与安全评价重点实验室开放课题项目(2019NMSAKF02)通信作者：傅登伟（1990 一），工程师，硕士，从事井口装置设计、研发、检（监）测评价工作，18 2 0 990 3 0 0 8，现场施工人员的生命安全。因此，明确压裂井口装置损伤的影响因素可以从根源上防止各种事故的发生，对提高开采效率、提高安全性有着重要意义。影响压裂井口装置冲刷腐蚀的因素有很多，如材料的硬度 6-7，含砂量 6.8-9、流速 10、攻角 11和颗粒大小12 1等。而且这些因素并非单独作用，而是多个因素交互作用，其影响往往比单一因素作用的叠加更大 10.13-41。但多因素间的交互作用并非都是促进损伤的，有时也能抑制损伤 15-16。目前，关于冲刷和腐蚀多因素交互作用的研究最多 10.1.17-2 0 1,也有团队研究了沙粒粒径和外加电位对黄铜腐蚀磨损的影响 2 1。然而，以上这些研究关注的大多是低黏度流体环境中的交互作用，如水砂或盐水含砂环境14傅登伟，等：3 5 CrMo钢在含砂胍胶溶液中的冲刷腐蚀行为和机理中的交互作用，而对于高黏度流体环境中砂粒的协同作用知之甚少。高黏度流体对颗粒的作用是复杂的，流体黏度增大会提高流体对颗粒的携带性 2 2，减少颗粒之间因碰撞造成的动能损失，流体还会携带颗粒以较高的流速对材料进行冲刷腐蚀，进而导致较高的冲蚀速率。CLARK等 2 3 发现，碰撞效率会随着流体黏度增大而减小，高黏度流体反而有可能降低腐蚀速率,这可能是由于没有考虑各影响因素的耦合作用引起的。KESANA等 2 4研究了颗粒粒径与流体黏度对腐蚀速率的影响，但并没有深度分析两者之间的相互作用。曹锦波等 2 2 发现流体黏度不同对颗粒运动轨迹的影响程度也不同。由此可见，在高黏度流体和砂粒复合体系中，材料的冲刷腐蚀机理复杂，探究黏度与颗粒冲击磨损之间的耦合作用，获知黏度、冲击磨损及交互作用的作用分量，对于高黏度液固流体冲刷腐蚀环境中材料的防护具有重要的意义。本工作以胍胶溶液为高黏度流体、石英砂为砂粒，模拟了高黏度液固流体，在自制旋转圆盘式冲刷腐蚀试验机上研究3 5 CrMo钢的冲刷腐蚀行为。1试验试验材料为压裂井口装置的现役材料3 5 CrMo钢，该材料执行标准为GB/T3077一2 0 15 合金结构钢。采用PANalyticalAxios-mAx型X射线荧光光谱仪参照GB/T16594一2 0 0 8 微米级长度的扫描电镜测量方法通则检测得到3 5 CrMo钢的化学成分（质量分数）为：0.40%C、0.19%Si、0.6 5%Mn、0.0 14%P、0.0 0 4%S、0.0 2 2%Ni、1.0 6%C、0.027%Cu、0.19%M o、余量为Fe。为了与高黏度液固流体作对比，试验选用了三种溶液，见表1。试验用砂粒为某油田压裂井口现场所用的石英砂，粒径为0.2 5 0.6 0 mm。表1试验溶液成分Tab.1Composition of test solutions溶液胍胶质量分数/%石英砂质量分数/%胍胶溶液0.150含砂水溶液020含砂胍胶溶液0.1520冲刷腐蚀试验在自制旋转圆盘式冲刷腐蚀试验机上进行 2 5，试验装置如图1所示。该装置工作原理是利用电机带动装有试样的转盘在装有腐蚀磨损介质的水槽中以一定的速度旋转，从而对试样表面1023十出水入水1-电机；2-螺栓；3-旋转圆盘；4-挡板；5-水槽；6-水槽支架；7-千斤顶；8-人水管；9-循环水泵；10-出水管；11-冷却装置图1冲刷腐蚀试验装置Fig.1 Apparatus for erosion corrosion test实现一定速度的冲刷腐蚀。试验过程中，试样的线速度约为8 m/s，试验时间为4h。在试验前及试验进行至0.5、1.0、1.5、2.0、4.0 h 时，采用分析天秤对试样进行称量，计算试样的质量损失，并绘制质量损失随时间的变化曲线。称量前，试样均经去离子水和乙醇超声清洗、吹干。试验结果取3 个平行试样的平均值。采用扫描电镜(SEM)观察冲刷腐蚀后试样的表面形貌。在GamryInterface1000电化学工作站上对冲刷腐蚀后试样进行电化学测试。测试采用典型的三电极体系：工作电极为冲刷腐蚀后3 5 CrMo钢；辅助电极为碳棒；参比电极为饱和甘汞电极（SCE），并利用盐桥连接参比电极与测试溶液，降低液接电势。电化学测试溶液为3.5%（质量分数）NaCI溶液。文中电位若无特指，均相对于SCE。首先，进行30min的开路电位测试，待试样表面状态达到稳态后进行动电位极化曲线测试。极化曲线的测试区间为一5 0 0 十5 0 0 mV（相对于开路电位），扫描速率为0.16 6 7 mV/s。每组电化学测试至少重复三次，以确保测试结果的重复性和准确性。2结果与讨论2.1质量损失图2 展示了3 5 CrMo钢在不同溶液中的质量损失情况。由图2(a)可见：在三种溶液中冲刷腐蚀时，3 5 CrMo钢的质量损失随时间近似呈线性增长；在胍胶溶液和含砂胍胶溶液中，3 5 CrMo钢质量损失的变化趋势相似，但总体增长速率略有不同；在含砂水溶液中3 5 CrMo钢在各个时间的质量损失均最大，增长速率也最高。由图2（b)可见，在胍胶溶液和含砂胍胶溶液中，3 5 CrMo钢的质量损失速率平稳，且明显低于在含砂水溶液中的质量损失速率；在15傅登伟，等：3 5 CrMo钢在含砂胍胶溶液中的冲刷腐蚀行为和机理试验初期（0 2 h），3 5 C r M o 钢的质量损失速率缓慢上升，之后进人稳定期；试验结束时（4h），35CrMo钢在含砂水溶液中的质量损失速率达到0.8mg/h，约是在胍胶溶液中的8 倍，含砂胍胶溶液中的4倍。4胍胶溶液含砂水溶液3含砂胍胶溶液21001234t/h(a)质量损失1.8F胍胶溶液含砂水溶液含砂胍胶溶液1.20.601.53.04.5t/h(b)质量损失速率图235CrMo钢在不同溶液中冲刷腐蚀不同时间时的质量损失情况Fig.2Mass loss(a)and mass loss rate(b)of 35CrMosteel eroded and corroded in different solutions fordifferent periods of time对比了3 5 CrMo钢在不同条件下冲刷腐蚀4h后的质量损失，见图3。由图3 可见，3 5 CrMo钢在胍胶溶液中的质量损失最小，在含砂胍胶溶液中的质量损失其次，在含砂水溶液中的质量损失最大。这说明在含砂水溶液中添加胍胶可以明显减缓含砂水冲刷腐蚀作用。3 5 CrMo钢在含砂胍胶溶液和含砂水溶液中质量损失差值代表胍胶对冲刷腐蚀的影响程度。它体现了对腐蚀分量、冲刷磨损分量和化学力学交互作用分量的综合影响。2.2腐蚀形貌图4为在不同溶液中冲刷腐蚀4h后3 5 CrMo钢表面SEM图。由图4可知，在胍胶溶液冲刷腐蚀4h后，在3 5 CrMo钢表面仍然可以清楚地看到预磨的痕迹（试验前试样表面经石英砂纸预磨），这说明在冲刷腐蚀试验过程中试样只受到了轻微损伤。而在含砂水溶液中冲蚀腐蚀4h后，3 5 CrMo钢表面原始预磨痕迹已经消失殆尽，取而代之的是颗43胍胶腐蚀含砂水冲蚀盒砂2胍胶冲蚀02-3F图3不同条件下冲刷腐蚀4h后的3 5 CrMo钢的质量损