一種測量金屬材料元素硫應(yīng)力腐蝕開裂敏感性的試驗方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種測量金屬材料元素硫應(yīng)力腐蝕開裂敏感性的試驗方法，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：將涂覆硫的試樣放入配制的油氣井地層水模擬液中進行腐蝕試驗；(4)腐蝕試驗結(jié)束后，進行應(yīng)力腐蝕開裂敏感性檢查。本發(fā)明，可有效克服硫?qū)优c試樣不能緊密接觸的問題，進而準(zhǔn)確地評價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)力腐蝕開裂敏感性，試驗結(jié)果可靠。
【專利說明】
一種測量金屬材料元素硫應(yīng)力腐蝕開裂敏感性的試驗方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于腐蝕與防護技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種測量金屬材料元素硫應(yīng)力腐蝕開裂敏感性的試驗方法。
【背景技術(shù)】
[0002]高酸性油氣田在開采過程中，儲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)力腐蝕開裂(Liane Smith et al，2005NACE CORROS1N ,Paper N0.05646)。
[0004]目前，元素硫腐蝕試驗的研究以均勻腐蝕和點蝕為主，元素硫以懸浮和沉積兩種形式存在。專利公開號“CN 104422648 A”、發(fā)明名稱為“一種油井管材料沉積硫腐蝕試驗方法及其試驗用夾具”的中國專利申請介紹了一種高合金油井管沉積硫腐蝕試驗方法，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，將夾具封閉后進行高溫高壓試驗，再計算均勻腐蝕速率和局部腐蝕速率。該專利申請以高合金油井管材料為試驗對象，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題，而研究材料在高溫沉積硫環(huán)境中的均勻腐蝕和點蝕。
[0005]應(yīng)力腐蝕開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、危害性大。然而，目前尚沒有有效地測量元素硫應(yīng)力腐蝕開裂的試驗方法。對于元素硫環(huán)境中材料應(yīng)力腐蝕開裂試驗，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^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量金屬材料元素硫應(yīng)力腐蝕開裂敏感性的試驗方法，能夠有效地評價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)力腐蝕開裂敏感性。
[0010]為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
[0011]—種測量金屬材料元素硫應(yīng)力腐蝕開裂敏感性的試驗方法，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:將涂覆硫的試樣放入配制的油氣井地層水模擬液中進行腐蝕試驗；
[0015](4)腐蝕試驗結(jié)束后，進行應(yīng)力腐蝕開裂敏感性檢查。
[0016]進一步的，步驟(I)具體包括:
[0017]1.1)加工板狀試樣，用240#-1000#砂紙沿試樣軸向進行打磨，再用丙酮和無水乙醇超聲輔助清洗干凈；
[0018]1.2)測量試樣尺寸，計算撓度；
[0019]1.3)通過彎曲試樣施加應(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]將分析純級別的單質(zhì)硫粉用乙醇潤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)，同時采用氮氣吹掃以防止試樣表面氧化;單質(zhì)硫粉與乙醇的質(zhì)量比為1.5?4.5:1;
[0023]或者，將分析純級別的單質(zhì)硫粉用有機分散劑(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)，同時采用氮氣吹掃以防止試樣表面氧化;單質(zhì)硫粉與分散劑的質(zhì)量比為0.2?1.2:1。
[0024]進一步的，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)通入氮氣以去除溶液中的溶解氧，連續(xù)除氧時間為每升溶液至少lh。
[0027]進一步的，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的速率通入氮氣再次去除試驗溶液中的溶解氧，時間是每升溶液至少0.5h;
[0031 ] 3.4)將油氣井地層水模擬液的溫度升至試驗?zāi)繕?biāo)溫度；
[0032]3.5)向試驗容器中通入試驗氣體；
[0033]3.6)試驗時間為72011。
[0034]進一步的，步驟3.5)中通入的試驗氣體為硫化氫氣體和二氧化碳氣體。
[0035]進一步的，試驗容器內(nèi)通入硫化氫氣體的壓力為0.1?0.5MPa，通入二氧化碳氣體的壓力為0.1?0.5MPa，通入氮氣補充使得試驗容器內(nèi)總壓達到2MPa。
[0036]進一步的，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]進一步的，步驟3.4)中目標(biāo)溫度為60°C。
[0038]進一步的，步驟1.3)中通過四點彎曲施加應(yīng)力。
[0039]相對于現(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題，進而準(zhǔn)確地評價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)力腐蝕開裂敏感性，試驗結(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^于致密，影響溶液與試樣的接觸，從而影響腐蝕結(jié)果的問題。
【具體實施方式】
[0040]下面通過實施例進一步說明本發(fā)明的應(yīng)用及效果。
[0041]一種測量金屬材料元素硫應(yīng)力腐蝕開裂敏感性的試驗方法，應(yīng)力加載方式為四點彎曲，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#砂紙沿試樣軸向進行打磨，再用丙酮和無水乙醇超聲輔助清洗。
[0044]2)測量試樣尺寸，計算撓度。
[0045]3)通過彎曲試樣施加應(yīng)力。
[0046]4)試樣表面涂覆硫，形成多孔硫?qū)?
[0047]方法一:將分析純級別的單質(zhì)硫粉用乙醇潤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)，同時采用氮氣吹掃以防止試樣表面氧化;單質(zhì)硫粉與乙醇的質(zhì)量比為1.5?4.5:1。
[0048]方法二:將分析純級別的單質(zhì)硫粉用有機分散劑(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)，同時采用氮氣吹掃以防止試樣表面氧化;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)通入高純氮氣(100ml/min)以去除溶液中的溶解氧，連續(xù)除氧時間因溶液體積而異，每升溶液至少lh。
[0052](3)腐蝕試驗:
[0053]I)將處理好的試樣放置在試驗容器內(nèi)；
[0054]2)將處理好的試驗溶液注入試驗容器，并密封；
[0055]3)向試驗溶液中通入高純氮氣(100ml/min)再次去除試驗溶液中的溶解氧，時間是每升溶液至少0.5h。
[0056]4)將試驗溶液溫度升至試驗?zāi)繕?biāo)溫度。
[0057]5)向試驗容器中通入試驗氣體(如高純硫化氫氣體、高純二氧化碳氣體等)至相應(yīng)的分壓和總壓。
[0058]6)試驗時間為720h。
[0059](4)應(yīng)力腐蝕開裂敏感性檢查:
[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]實施例1
[0063](I)試樣制備:選用高酸性油氣田集輸用L245M為試驗材料，加工成115 X 15 X 4mm的板狀試樣，用240#-1000#砂紙逐級打磨后，依次用丙酮、無水乙醇超聲輔助清洗，并測量試樣尺寸。根據(jù)試驗材料強度和尺寸，計算撓度，并通過彎曲試樣施加應(yīng)力。將分析純級別的單質(zhì)硫粉用乙醇(質(zhì)量比為4.5:1)潤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)，同時采用氮氣吹掃以防止試樣表面氧化，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:將處理好的試樣和處理好的試驗溶液放置在高溫高壓釜中，立即封蓋，并通入高純氮氣除氧2h。將試驗溶液溫度升至60°C。再向釜內(nèi)先后打入0.5MPa分壓的CO2和0.1MPa分壓的H2S,用高純氮氣補充使得釜內(nèi)總壓達到2MPa，進行模擬油氣田工況和元素硫存在條件下的腐蝕試驗，試驗時間為720h。
[0066](4)應(yīng)力腐蝕開裂敏感性檢查:試驗后，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為試驗材料，加工成115 X15乂4111111的板狀試樣，用240#-1000#砂紙逐級打磨后，依次用丙酮、無水乙醇超聲輔助清洗，并測量試樣尺寸。根據(jù)試驗材料強度和尺寸，計算撓度，并通過彎曲試樣施加應(yīng)力。將分析純級別的單質(zhì)硫粉用有機分散劑(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)，高純氮氣吹掃以防止試樣表面氧化。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:將處理好的試樣和處理好的試驗溶液放置在高溫高壓釜中，立即封蓋，并通入高純氮氣除氧2h。將試驗溶液溫度升至60°C。再向釜內(nèi)先后打入1.0MPa分壓的CO2和0.5MPa分壓的H2S,用高純氮氣補充使得釜內(nèi)總壓達到2MPa，進行模擬油氣田工況和元素硫存在條件下的腐蝕試驗，試驗時間為720h。
[0071](4)應(yīng)力腐蝕開裂敏感性檢查:試驗后，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】
1.一種測量金屬材料元素硫應(yīng)力腐蝕開裂敏感性的試驗方法，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:將涂覆硫的試樣放入配制的油氣井地層水模擬液中進行腐蝕試驗； (4)腐蝕試驗結(jié)束后，進行應(yīng)力腐蝕開裂敏感性檢查。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種測量金屬材料元素硫應(yīng)力腐蝕開裂敏感性的試驗方法，其特征在于，步驟(I)具體包括: 1.1)加工板狀試樣，用240#-1000#砂紙沿試樣軸向進行打磨，再用丙酮和無水乙醇超聲輔助清洗干凈； 1.2)測量試樣尺寸，計算撓度； I.3)通過彎曲試樣施加應(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所述的一種測量金屬材料元素硫應(yīng)力腐蝕開裂敏感性的試驗方法，其特征在于，在試樣表面涂覆含有氣孔的硫?qū)泳唧w為: 將分析純級別的單質(zhì)硫粉用乙醇潤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)，同時采用氮氣吹掃以防止試樣表面氧化;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)，同時采用氮氣吹掃以防止試樣表面氧化;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所述的一種測量金屬材料元素硫應(yīng)力腐蝕開裂敏感性的試驗方法，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)通入氮氣以去除溶液中的溶解氧，連續(xù)除氧時間為每升溶液至少lh。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種測量金屬材料元素硫應(yīng)力腐蝕開裂敏感性的試驗方法，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容器內(nèi)； 3.2)將處理好的油氣井地層水模擬液注入試驗容器，并密封； 3.3)向油氣井地層水模擬液中以lOOml/min的速率通入氮氣再次去除試驗溶液中的溶解氧，時間是每升溶液至少0.5h; 3.4)將油氣井地層水模擬液的溫度升至試驗?zāi)繕?biāo)溫度； 3.5)向試驗容器中通入試驗氣體； 3.6)試驗時間為72011。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種測量金屬材料元素硫應(yīng)力腐蝕開裂敏感性的試驗方法，其特征在于，步驟3.5)中通入的試驗氣體為硫化氫氣體和二氧化碳氣體。7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種測量金屬材料元素硫應(yīng)力腐蝕開裂敏感性的試驗方法，其特征在于，試驗容器內(nèi)通入硫化氫氣體的壓力為0.1?0.5MPa，通入二氧化碳氣體的壓力為0.1?0.5MPa，通入氮氣補充使得試驗容器內(nèi)總壓達到2MPa。8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種測量金屬材料元素硫應(yīng)力腐蝕開裂敏感性的試驗方法，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所述的一種測量金屬材料元素硫應(yīng)力腐蝕開裂敏感性的試驗方法，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所述的一種測量金屬材料元素硫應(yīng)力腐蝕開裂敏感性的試驗方法，其特征在于，步驟1.3)中通過四點彎曲施加應(yīng)力。
【文檔編號】G01N17/00GK105954179SQ201610262771
【公開日】2016年9月21日
【申請日】2016年4月25日
【發(fā)明人】袁軍濤, 付安慶, 李磊, 朱麗娟, 宋成立
【申請人】中國石油天然氣集團公司, 中國石油天然氣集團公司管材研究所