CN108956233A - 管线钢在弯曲应力下的二氧化碳腐蚀试验方法 - Google Patents

管线钢在弯曲应力下的二氧化碳腐蚀试验方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种管线钢在弯曲应力下的二氧化碳腐蚀试验方法，其包括如下步骤：获得弯曲管线钢试样；采用模拟油井采出液制备腐蚀溶液；将弯曲管线钢试样放入密闭反应釜内，然后加入腐蚀溶液，通入CO2气体；控制密闭反应釜温度为50‑90℃，CO2分压为0.9‑1.2MPa，流速为1.3‑1.7m/s；随后取出弯曲管线钢试样，将弯曲管线钢试样放入酸洗液浸泡，取出后用去离子水、无水乙醇先后冲洗、吹干；对吹干后的弯曲管线钢试样进行称重，得出腐蚀速率R。本发明能真实模拟管线钢在服役环境下的CO2腐蚀，快速准确检验管线钢抗CO2腐蚀性能，得出准确的管线钢在弯曲应力下的二氧化碳腐蚀速率。

Description

管线钢在弯曲应力下的二氧化碳腐蚀试验方法
技术领域
本发明涉及钢材二氧化碳腐蚀性能检验领域，具体涉及一种管线钢在弯曲应力下的二氧化碳腐蚀试验方法。
背景技术
我国西部的塔里木、长庆等油田CO2含量很高，输送管道易发生CO2腐蚀，导致输气管道爆裂。随着西气东输工程的启动，管线钢的CO2腐蚀问题已经严重地暴露出来。国内外钢厂正在积极研发抗CO2腐蚀的管线钢。但是缺少CO2腐蚀性能检验方法来支撑研发试验及出厂检验，特别是模拟管线钢服役环境下的试验方法。众所周知，管线钢板冷加工成管材后存在较大的弯曲应力。管线钢的CO2腐蚀与弯曲应力相互作用，发生应力腐蚀。因此，我们需要建立管线钢在弯曲应力下的CO2腐蚀试验方法，从而可以检验管线钢在真实服役环境下的腐蚀性能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种管线钢在弯曲应力下的二氧化碳腐蚀试验方法，该试验方法能真实模拟管线钢在服役环境下的CO2腐蚀，快速准确检验管线钢抗CO2腐蚀性能，得出准确的管线钢在弯曲应力下的二氧化碳腐蚀速率，为后续研发抗CO2腐蚀的管线钢提供技术支持。
本发明所采用的技术方案是：
一种管线钢在弯曲应力下的二氧化碳腐蚀试验方法，其包括如下步骤：
管线钢试样准备并进行弯曲应力加载，得到弯曲管线钢试样；
采用模拟油井采出液制备腐蚀溶液；
将弯曲管线钢试样放入密闭反应釜内，然后向密闭反应釜内加入腐蚀溶液，通入CO2气体；控制密闭反应釜温度为50-90℃，CO2分压为0.9-1.2MPa，流速为1.3-1.7m/s；一段时间后，取出弯曲管线钢试样，将弯曲管线钢试样放入酸洗液浸泡一段时间，去除CO2腐蚀产物膜，取出弯曲管线钢试样用去离子水、无水乙醇先后冲洗、吹干；
对吹干后的弯曲管线钢试样进行称重，得出腐蚀速率R；
R＝(w1-w2)/S (2)
其中，S为管线钢试样的表面积；
S＝2*(L*W+L*T+W*T) (3)
L为管线钢试样的长(单位为mm),W为管线钢试样的宽(单位为mm)，T为管线钢试样的的厚(单位为mm)，w1为管线钢试样腐蚀前的重量(单位为g)，w2为腐蚀产物去除后的管线钢试样重量(单位为g)。
按上述方案，酸洗液为60℃的18％HCl+0.3％C6H12N4溶液。
按上述方案，弯曲应力加载采用四点弯曲夹具，四个弯曲点采用绝缘陶瓷棒，防止管线钢试样和夹具发生电化学作用。
按上述方案，所述四点弯曲夹具包括支撑、顶杆、U型支架、横向杆和4个绝缘陶瓷棒；所述顶杆置于支撑顶部；所述U型支架的横杆与支撑连接，且支撑能在横杆内滑动，所述横杆还与顶杆平行；所述横向杆有2个，其外侧分别与U型支架的竖杆连接；其中2个绝缘陶瓷棒分别设置在顶杆的两端，另外2个绝缘陶瓷棒分别设置在2个横向杆的内侧下端；
对支撑施力，支撑带动顶杆移动，从而使管线钢试样弯曲。
按上述方案，管线钢试样的加载强度由实际屈服强度与加载系数相乘获得，根据四点弯曲加载应力强度计算管线钢试样最大变形挠度y计算得对应的变形挠度y，然后再使用四点弯曲夹具加载应力，使变形挠度达到y值，完成弯曲应力加载。
变形挠度y的计算公式为：
σ＝12Ety/(3H2-4A2) (1)
式中：σ为最大拉伸应力，E为弹性模量，t为试样厚度，y为管线钢试样最大变形挠度(两外部支撑点之间)，H为外部支撑点的间距，A为内外支撑点间距离，通常A＝H/4。
管线钢试样的表面粗糙度为Ra0.8。
按上述方案，根据我国西部富含CO2油气田采出液成分，配制油井采出液，达到模拟管线钢实际服役溶液环境要求；所述模拟油井采出液的化学成分及重量比为：NaCl16.787重量份、NaHCO3 3.030重量份、MgCl2 1.860重量份、Na2SO4 1.035重量份、CaCl20.583重量份、KCl 0.267重量份、NH4Cl 0.238重量份、KBr 0.15重量份、NaF 0.035重量份、NaOH 0.20重量份。
按上述方案，所述密闭反应釜带有搅拌桨，容积大于5L，具有通入CO2气体的进出气口。同一条件下管线钢试样选取3件作为平行样。
在施加的外加弯曲应力未达到足够大时，弯曲应力不足以破坏材料表面的腐蚀产物膜的完整性，腐蚀产物膜对Cl-吸附和渗透过程产生了阻碍作用。在加载弯曲应力系数＜0.4范围内，管线钢的腐蚀得到抑制，而当弯曲应力继续增大，外加弯曲应力促进管线钢腐蚀。应力加载系数＞0.8范围，弯曲应力促进管线钢腐蚀作用降低。因此，选定0.8为弯曲应力加载系数。
在温度<70℃范围，温度升高促进了HCO3-的扩散、增大反应过程中的某些平衡常数，腐蚀速率随着温度的增加而增加。温度超过70℃，腐蚀产物膜对基体保护作用增强，腐蚀速率下降。在温度70℃时，管线钢腐蚀最为严重。因此，选定70℃为试验温度。随着CO2分压的增加，管线钢腐蚀速率呈先升高后下降的趋势，在CO2分压为1MPa时，腐蚀速度达到顶峰。因此，选定1.0MPa为试验CO2分压。随着流速增大，一方面反应物的传输过程得到加速，促进了腐蚀产物膜的形成。另一方面流动介质的剪切作用增强，阻碍了腐蚀产物膜的形成。在流速为1.5m/s腐蚀速度达到顶峰。因此，选定1.5m/s为试验流速。即控制密闭反应釜温度为70℃，CO2分压为1.0MPa，流速为1.5m/s。
本发明的有益效果在于：
通过对管线钢试样进行弯曲应力加载，以及将加载后的管线钢放入采用模拟油井采出液制备的腐蚀溶液中，真实模拟管线钢在服役环境下的CO2腐蚀，从而得到更为准确的腐蚀速率，解决管线钢抗CO2腐蚀性能检验问题；
采用我国西部富含CO2油气田采出液为腐蚀溶液，达到模拟管线钢实际服役溶液环境要求；
选定了弯曲应力下管线钢最为严酷的CO2腐蚀条件：0.8弯曲应力加载系数、70℃温度、1.0MPaCO2分压、1.5m/s流速，使得测量结果更具有参考价值；
四点弯曲夹具的结构简单，使用非常方便；
试验方法简单、准确，便于实现。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是四点弯曲夹具的结构示意图；
其中：1、支撑，2、顶杆，3、U型支架，4、横向杆，5、绝缘陶瓷棒，6、管线钢试样。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
一种管线钢在弯曲应力下的二氧化碳腐蚀试验方法，其包括如下步骤：
1、管线钢试样准备并进行弯曲应力加载，得到弯曲管线钢试样；
采用3件管线钢试样作为平行样；管线钢试样的表面粗糙度为Ra0.8；
弯曲应力加载采用四点弯曲夹具，四点弯曲夹具包括支撑1、顶杆2、U型支架3、横向杆4和4个绝缘陶瓷棒5；顶杆2置于支撑1顶部；U型支架3的横杆与支撑1连接，且支撑1能在横杆内滑动，横杆还与顶杆2平行；横向杆4有2个，其外侧分别与U型支架3的竖杆连接；其中2个绝缘陶瓷棒5分别设置在顶杆2的两端，另外2个绝缘陶瓷棒5分别设置在2个横向杆4的内侧下端；对支撑1施力，支撑1带动顶杆2移动，从而使管线钢试样6弯曲；
管线钢试样的加载强度由实际屈服强度与加载系数相乘获得，0.8为弯曲应力加载系数，根据四点弯曲加载应力强度计算管线钢试样最大变形挠度y计算得对应的变形挠度y，然后再使用四点弯曲夹具加载应力，使变形挠度达到y值，完成弯曲应力加载；
变形挠度y的计算公式为：
σ＝12Ety/(3H2-4A2) (1)
式中：σ为最大拉伸应力，E为弹性模量，t为试样厚度，y为管线钢试样最大变形挠度(两外部支撑点之间)，H为外部支撑点的间距，A为内外支撑点间距离，通常A＝H/4；
2、采用模拟油井采出液制备腐蚀溶液；
根据我国西部富含CO2油气田采出液成分，配制油井采出液，达到模拟管线钢实际服役溶液环境要求；所述模拟油井采出液的化学成分及重量比为：NaCl 16.787重量份、NaHCO3 3.030重量份、MgCl2 1.860重量份、Na2SO4 1.035重量份、CaCl2 0.583重量份、KCl0.267重量份、NH4Cl 0.238重量份、KBr 0.15重量份、NaF 0.035重量份、NaOH 0.20重量份；
3、将弯曲管线钢试样放入密闭反应釜内，然后向密闭反应釜内加入腐蚀溶液，通入CO2气体；控制密闭反应釜温度为70℃，CO2分压为1.0MPa，流速为1.5m/s；72小时后，取出弯曲管线钢试样，将弯曲管线钢试样放入60℃的18％HCl+0.3％C6H12N4酸洗液洗液1小时，去除CO2腐蚀产物膜，取出弯曲管线钢试样用去离子水、无水乙醇先后冲洗、吹干；
对吹干后的弯曲管线钢试样进行称重，得出腐蚀速率R；
R＝(w1-w2)/S (2)
其中，S为管线钢试样的表面积；
S＝2*(L*W+L*T+W*T) (3)
L为管线钢试样的长(单位为mm),W为管线钢试样的宽(单位为mm)，T为管线钢试样的的厚(单位为mm)，w1为管线钢试样腐蚀前的重量(单位为g)，w2为腐蚀产物去除后的管线钢试样重量(单位为g)。
本发明中，密闭反应釜带有搅拌桨，容积大于5L，具有通入CO2气体的进出气口。
以下为具体实例：
实例1
机加工获取1#批次3件管线钢平行样，试样屈服强度为450MPa，实测尺寸分别为115.01mm×14.98mm×4.99mm、115.02mm×14.98mm×5.01mm、115.01mm×15.01mm×4.99mm，称重分别为67.3700g、67.1704g、67.0601g。按照表1称取3倍的化学试剂，溶于2L的去离子水中，定溶后配制为3L腐蚀溶液。四点弯曲加载应力强度为0.8*450MPa，计算三件试样最大变形挠度y分别为0.918mm、0.915mm、0.918mm。使用四点弯曲夹具对试样进行加载，使试样最大变形挠度y达到计算值。将加载好的试样放入密闭反应釜内，加入腐蚀溶液，并通入CO2气体。控制反应釜温度为70℃，CO2分压为1.0MPa，流速为1.5m/s。并开始计时，72小时后结束试验，取出试样。将试样放入60℃的18％HCl+0.3％C6H12N4酸洗液浸泡1小时，取出试样用去离子水、无水乙醇先后冲洗、吹干。对试样称重66.9801g、66.7911g、66.7134g。计算腐蚀速率R，分别为1.142g/(m2.h)、1.109g/(m2.h)、1.014g/(m2.h)，1#批次管线钢抗CO2腐蚀速率为1.088g/(m2.h)。
表1模拟油井采出液化学成分含量(g/L)
成分 NaCl NaHCO3 MgCl2 Na2SO4 CaCl2 KCl NH4Cl KBr NaF NaOH
含量 16.787 3.030 1.860 1.035 0.583 0.267 0.238 0.15 0.035 0.20
实例2
机加工获取2#批次3件管线钢平行样，试样屈服强度为556MPa，实测尺寸分别为114.92mm×15.00mm×4.95mm、114.98mm×14.99mm×5.03mm、115.01mm×15.02mm×4.99mm，称重分别为67.2345g、67.1876g、67.1133g。按照表1称取3倍的化学试剂，溶于2L的去离子水中，定溶后配制为3L腐蚀溶液。四点弯曲加载应力强度为0.8*556MPa，计算三件试样最大变形挠度y分别为1.144mm、1.126mm、1.135mm。使用四点弯曲夹具对试样进行加载，使试样最大变形挠度y达到计算值。将加载好的试样放入密闭反应釜内，加入腐蚀溶液，并通入CO2气体。控制反应釜温度为70℃，CO2分压为1.0MPa，流速为1.5m/s。并开始计时，72小时后结束试验，取出试样。将试样放入60℃的18％HCl+0.3％C6H12N4酸洗液浸泡1小时，取出试样用去离子水、无水乙醇先后冲洗、吹干。对试样称重66.8734g、66.7941g、66.7147g。计算腐蚀速率R，分别为1.059g/(m2.h)、1.149g/(m2.h)、1.165g/(m2.h)，1#批次管线钢抗CO2腐蚀速率为1.125g/(m2.h)。
实例3
机加工获取1#批次3件管线钢平行样，试样屈服强度为485MPa，实测尺寸分别为114.91mm×14.99mm×4.98mm、115.01mm×14.98mm×5.02mm、114.96mm×15.00mm×5.05mm，称重分别为67.0122g、67.1204g、67.1601g。按照表1称取3倍的化学试剂，溶于2L的去离子水中，定溶后配制为3L腐蚀溶液。四点弯曲加载应力强度为0.8*485MPa，计算三件试样最大变形挠度y分别为0.992mm、0.984mm、0.978mm。使用四点弯曲夹具对试样进行加载，使试样最大变形挠度y达到计算值。将加载好的试样放入密闭反应釜内，加入腐蚀溶液，并通入CO2气体。控制反应釜温度为70℃，CO2分压为1.0MPa，流速为1.5m/s。并开始计时，72小时后结束试验，取出试样。将试样放入60℃的18％HCl+0.3％C6H12N4酸洗液浸泡1小时，取出试样用去离子水、无水乙醇先后冲洗、吹干。对试样称重66.6801g、66.7899g、66.7732g。计算腐蚀速率R，分别为0.973g/(m2.h)、0.966g/(m2.h)、1.129g/(m2.h)，1#批次管线钢抗CO2腐蚀速率为1.023g/(m2.h)。
实例4
机加工获取1#批次3件管线钢平行样，试样屈服强度为505MPa，实测尺寸分别为115.02mm×14.99mm×4.93mm、115.03mm×14.98mm×4.92mm、114.99mm×14.97mm×5.00mm，称重分别为67.2819g、67.1928g、67.1621g。按照表1称取3倍的化学试剂，溶于2L的去离子水中，定溶后配制为3L腐蚀溶液。四点弯曲加载应力强度为0.8*505MPa，计算三件试样最大变形挠度y分别为1.043mm、1.045mm、1.028mm。使用四点弯曲夹具对试样进行加载，使试样最大变形挠度y达到计算值。将加载好的试样放入密闭反应釜内，加入腐蚀溶液，并通入CO2气体。控制反应釜温度为70℃，CO2分压为1.0MPa，流速为1.5m/s。并开始计时，72小时后结束试验，取出试样。将试样放入60℃的18％HCl+0.3％C6H12N4酸洗液浸泡1小时，取出试样用去离子水、无水乙醇先后冲洗、吹干。对试样称重66.7511g、66.7821g、66.7239g。计算腐蚀速率R，分别为1.559g/(m2.h)、1.207g/(m2.h)、1.283g/(m2.h)，1#批次管线钢抗CO2腐蚀速率为1.350g/(m2.h)。
实例5
机加工获取1#批次3件管线钢平行样，试样屈服强度为582MPa，实测尺寸分别为114.97mm×14.99mm×5.01mm、115.01mm×14.99mm×5.02mm、114.98mm×15.00mm×4.99mm，称重分别为67.4532g、67.3564g、67.4326g。按照表1称取3倍的化学试剂，溶于2L的去离子水中，定溶后配制为3L腐蚀溶液。四点弯曲加载应力强度为0.8*582MPa，计算三件试样最大变形挠度y分别为1.183mm、1.181mm、1.188mm。使用四点弯曲夹具对试样进行加载，使试样最大变形挠度y达到计算值。将加载好的试样放入密闭反应釜内，加入腐蚀溶液，并通入CO2气体。控制反应釜温度为70℃，CO2分压为1.0MPa，流速为1.5m/s。并开始计时，72小时后结束试验，取出试样。将试样放入60℃的18％HCl+0.3％C6H12N4酸洗液浸泡1小时，取出试样用去离子水、无水乙醇先后冲洗、吹干。对试样称重66.8768g、66.7989g、66.8456g。计算腐蚀速率R，分别为1.686g/(m2.h)、1.629g/(m2.h)、1.718g/(m2.h)，1#批次管线钢抗CO2腐蚀速率为1.677g/(m2.h)。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (8)

1.一种管线钢在弯曲应力下的二氧化碳腐蚀试验方法，其特征在于包括如下步骤：
管线钢试样准备并进行弯曲应力加载，得到弯曲管线钢试样；
采用模拟油井采出液制备腐蚀溶液；
将弯曲管线钢试样放入密闭反应釜内，然后向密闭反应釜内加入腐蚀溶液，通入CO2气体；控制密闭反应釜温度为50-90℃，CO2分压为0.9-1.2MPa，流速为1.3-1.7m/s；一段时间后，取出弯曲管线钢试样，将弯曲管线钢试样放入酸洗液浸泡一段时间，取出弯曲管线钢试样用去离子水、无水乙醇先后冲洗、吹干；
对吹干后的弯曲管线钢试样进行称重，得出腐蚀速率R。
2.根据权利要求1所述的管线钢在弯曲应力下的二氧化碳腐蚀试验方法，其特征在于：控制密闭反应釜温度为70℃，CO2分压为1.0MPa，流速为1.5m/s。
3.根据权利要求1所述的管线钢在弯曲应力下的二氧化碳腐蚀试验方法，其特征在于：酸洗液为60℃的18％HCl+0.3％C6H12N4溶液。
4.根据权利要求1所述的管线钢在弯曲应力下的二氧化碳腐蚀试验方法，其特征在于：弯曲应力加载采用四点弯曲夹具，四个弯曲点采用绝缘陶瓷棒，防止管线钢试样和夹具发生电化学作用。
5.根据权利要求4所述的管线钢在弯曲应力下的二氧化碳腐蚀试验方法，其特征在于：所述四点弯曲夹具包括支撑、顶杆、U型支架、横向杆和4个绝缘陶瓷棒；所述顶杆置于支撑顶部；所述U型支架的横杆与支撑连接，且支撑能在横杆内滑动，所述横杆还与顶杆平行；所述横向杆有2个，其外侧分别与U型支架的竖杆连接；其中2个绝缘陶瓷棒分别设置在顶杆的两端，另外2个绝缘陶瓷棒分别设置在2个横向杆的内侧下端；
对支撑施力，支撑带动顶杆移动，从而使管线钢试样弯曲。
6.根据权利要求5所述的管线钢在弯曲应力下的二氧化碳腐蚀试验方法，其特征在于：根据四点弯曲加载应力强度计算管线钢试样最大变形挠度y；计算公式为：
σ＝12Ety/(3H2-4A2) (1)
式中：σ为最大拉伸应力，E为弹性模量，t为试样厚度，y为管线钢试样最大变形挠度，H为外部支撑点的间距，A为内外支撑点间距离。
7.根据权利要求1所述的管线钢在弯曲应力下的二氧化碳腐蚀试验方法，其特征在于：管线钢试样的表面粗糙度为Ra0.8。
8.根据权利要求1所述的管线钢在弯曲应力下的二氧化碳腐蚀试验方法，其特征在于：所述模拟油井采出液的化学成分及重量比为：NaCl 16.787重量份、NaHCO3 3.030重量份、MgCl2 1.860重量份、Na2SO4 1.035重量份、CaCl2 0.583重量份、KCl 0.267重量份、NH4Cl0.238重量份、KBr 0.15重量份、NaF 0.035重量份、NaOH 0.20重量份。
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