CN109443892A - 快速评价油井管抗硫化物应力腐蚀开裂性能的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种快速评价油井管抗硫化物应力腐蚀开裂性能的方法，包括以下步骤：在同一样品上取样加工两组拉伸试样；选取一组拉伸试样浸泡于饱和硫化氢酸性溶液在进行拉伸试验，另一组直接进行拉伸试样进行拉伸试验；将以上实验步骤中获得的屈服强度、伸长率和断面收缩率参数代入公式验证产品是否合格。本发明的试验方法简单，试验时间短，试验数据可靠，在批量生产过程中，显著缩短产品的供货周期，提高生产效率，且具有广泛的应用价值。

Description

快速评价油井管抗硫化物应力腐蚀开裂性能的方法
技术领域
本发明涉及金属材料性能评价方法，特别是一种快速评价油井管抗硫化物应力腐蚀开裂性能的方法。
背景技术
在含硫油气资源勘探开采过程中，使用的油井管容易产生硫化氢应力腐蚀开裂(SSC)，这是一种低应力脆性断裂，裂纹扩展速度快，断裂前无明显征兆，一旦发生，损失巨大。针对含硫油气田开采，国内外制定了相关标准来降低SSC带来的风险。按标准要求，在含硫化氢环境下必须采用能抵抗SSC开裂的油井管。对于这种油井管，通常按照NACETM0177《硫化氢环境中金属抗硫化物应力开裂和应力腐蚀试验方法》中的单轴拉伸试验(方法A)来进行SSC性能的评价。按该方法以断裂时间来确定其抗SSC能力，超过720小时不断裂的产品，为合格产品，反之，为不合格。因此该类产品比普通产品交货周期延长40天左右，甚至更长，明显的降低了生产效率。因此，非常有必要寻找一种新的快速且有效的方法，评价油井管产品的抗SSC性能，以消除现有技术存在的不足。
发明内容
本发明的目的在于提供一种快速评价油井管抗硫化物应力腐蚀开裂性能的方法，克服现有技术存在的上述缺陷，本发明试验方法简单，时间短，数据可靠，在批量生产过程中，可以显著缩短产品的供货周期，提高生产效率，对降低生产成本具有重要意义，且具有广泛的应用价值。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种快速评价油井管抗硫化物应力腐蚀开裂性能的方法，包括以下步骤：
步骤一，在同一样品上取两组相同的待测拉伸试样，其中每组3支平行实验；
步骤二，选取一组拉伸试样浸泡于饱和硫化氢酸性溶液中，浸泡时间为96h或144h；
步骤三，选取另一组拉伸试样进行拉伸试验，并记录3支拉伸试样的屈服强度平均值σ0、伸长率平均值δ0、断面收缩率平均值
步骤四，将在饱和硫化氢酸性溶液中浸泡96h或144h后的拉伸试样取出并将试样表面清理干净，以与步骤三相同的方法进行拉伸试验，并记录3支拉伸试样的屈服强度平均值σ1、伸长率平均值δ1、断面收缩率平均值
步骤五，将以上实验步骤中获得的屈服强度、伸长率和断面收缩率参数代入如下公式：
根据以上公式可以计算出产品的硫化氢敏感系数K值，当K值范围在50％～75％时，产品合格，否则不合格，其中为断面收缩率敏感系数，Kδ为伸长率敏感系数，Kσ为屈服强度敏感系数。
优选地，所述拉伸试样工作部分的尺寸为Ф4.5mm～Ф24.5mm圆棒试样，试样表面须加工精磨及抛光处理，使所表面粗糙度Ra≤0.80μm。
优选地，所述步骤二中，当产品名义屈服强度小于等于724MPa，浸泡时间为144小时，当产品名义屈服强度大于724MPa，浸泡时间为96小时。
优选地，所述饱和硫化氢酸性溶液是指在酸性溶液通氮气排除氧之后，再持续通入硫化氢气体至溶液吸附硫化氢饱和，硫化氢气体的通入流量为100ml/min～150ml/min，持续通入至实验结束。
优选地，所述酸性溶液pH值为2.0～4.0。
优选地，所述酸性溶液需要持续通入高纯氮气以排除溶液中的氧，以最小速率为100ml/min的流量持续通入氮气，每升溶液至少通入1小时。
本发明具有的有益效果：
金属材料拉伸断裂时，屈服强度、伸长率和断面收缩率是衡量材料强度塑性的重要指标，在含氢离子的酸性溶液中环境下浸泡一段时间后，其屈服强度、伸长率、断面收缩率等参数大小的变化与其抗SSC性能有直接关系。本发明是将油井管材料在饱和硫化氢酸性溶液中浸泡，利用浸泡前后表征材料屈服强度、伸长率和断面收缩率性能变化拟合成一个硫化氢敏感系数K值的计算公式，根据K值的大小确定其SSC性能。本发明试验方法简单，试验时间短，试验结果可靠，具有广泛的应用价值。
具体实施方式
本发明涉及一种快速评价油井管抗硫化物应力腐蚀开裂性能的方法，具体通过以下实施例进行说明。
步骤一，取样，在本实施例中，分别选取105SS抗硫钻杆管体(名义屈服强度为724MPa)、G105普通钻杆管体(名义屈服强度为724MPa)、S135普通钻杆管体(名义屈服强度为931MPa)三种油井管材料，其中，这三种材料已通过NACETM0177《硫化氢环境中金属抗硫化物应力开裂和应力腐蚀试验方法》中的单轴拉伸试验(方法A)来进行SSC性能的评价，结果见表1，即105SS抗硫钻杆管体通过了硫化氢应力腐蚀试验，G105和S135普通钻杆管体在硫化氢应力腐蚀试验中发生断裂，其中105SS-1、105SS-2、105SS-3分别为三支型号相同的抗硫钻杆管体(名义屈服强度为724MPa)；G105-1、G105-2、G105-2分别为三支型号相同的普通钻杆管体(名义屈服强度为724MPa)；S135-1、S135-2、S135-3分别为三支型号相同的普通钻杆管体(名义屈服强度为931MPa)。
表1 四种油井管材料硫化氢应力腐蚀试验结果
从三种待测油井管材料壁厚中间纵向取样6组(每种材料2组试样，每组3支，共计18支)，分别加工成工作段直径为6.35mm的圆棒拉伸试样，试样表面经过精磨及抛光处理，表面粗糙度Ra≤0.80μm。
步骤二，在本实施例中，每种材料选取1组试样按照GBT228.1-2010《金属材料拉伸试验第1部分室温试验方法》，进行室温拉伸试验，试验结果分别见表2、3和4中的未浸泡试样。
步骤三，另一组试样则在氢酸性溶液中进行浸泡试验。在本实施例中，选用酸性溶液由质量分数分别为5.0％NaCl和0.5％CH3COOH溶解在质量分数为94.5％蒸馏水中组成，溶液pH值为2.7±0.1；对酸性溶液通入高纯氮气排除酸性溶液中的氧，以最小速率100ml/min的流量持续通入氮气，每升溶液至少通入1小时。
步骤四，在酸性溶液通氮气排除氧之后，再持续通入硫化氢气体至溶液吸附饱和，硫化氢气体的通入流量为100ml/min～150ml/min，持续通入至实验结束。
步骤五，在本实施例中，105SS抗硫钻杆管体和G105普通钻杆管体试样(名义屈服强度为724MPa)浸泡时间为144小时，S135普通钻杆管体试样(名义屈服强度为931MPa)浸泡时间为96小时。完成规定的浸泡时间后，将试样取出并清洗干净去除表面杂物，按照GBT228.1-2010《金属材料拉伸试验第1部分室温试验方法》，进行室温拉伸试验，试验结果分别见表2、3和4中的饱和硫化氢溶液浸泡后的试样。
步骤六，将以上实验步骤中获得的屈服强度、伸长率和断面收缩率参数代入如下公式：
根据以上公式可以计算出三种油井管材料的硫化氢敏感系数K值，见表2、3和4，可以看出105SS抗硫钻杆管体的K值超过50％，判定为合格，G105和S135普通钻杆管体的K值小于50％，判定为不合格。这与按照NACETM0177《硫化氢环境中金属抗硫化物应力开裂和应力腐蚀试验方法》中的单轴拉伸试验(方法A)来进行SSC性能的评判结果一致，因此，硫化氢敏感系数K值为50％～75％，可表明产品具有良好的抗硫化氢应力腐蚀开裂能力，即硫化氢敏感系数K值判定产品进行抗硫化氢应力腐蚀开裂能力具有较高的可靠性。
表2 G105普通钻杆管体试验结果
表3 105SS抗硫钻杆管体试验结果
表4 S135普通钻杆管体试验结果
与现有技术相比，采用本发明的技术方案将油井管在饱和硫化氢酸性溶液中浸泡，利用浸泡前后各性能变化情况拟合成一个硫化氢敏感系数K值的计算公式，根据K值的大小判定其SSC性能。本发明的试验方法中，试验装置简单，试验操作简便，试验结果可靠，实验时间至少缩短80％，在批量生产过程中，可以显著缩短产品的供货周期，提高生产效率，大大降低了企业生产成本，并且具有广泛的应用价值。
以上所述的仅为本发明的优选实施例，所述实施例并非用以限制本发明的专利保护范围，因此凡是运用本发明的说明书所作的等同变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种快速评价油井管抗硫化物应力腐蚀开裂性能的方法，其特征在于：它包括以下步骤：
步骤一，在同一样品上取两组相同的待测拉伸试样，其中每组3支；
步骤二，选取一组拉伸试样浸泡于饱和硫化氢酸性溶液中，浸泡时间为96h或144h；
步骤三，选取另一组拉伸试样进行拉伸试验，并记录3支拉伸试样的屈服强度平均值σ0、伸长率平均值δ0、断面收缩率平均值
步骤四，将在饱和硫化氢酸性溶液中浸泡96h或144h后的拉伸试样取出并将试样表面清理干净，以与步骤三相同的方法进行拉伸试验，并记录3支拉伸试样的屈服强度平均值σ1、伸长率平均值δ1、断面收缩率平均值
步骤五，将以上实验步骤中获得的屈服强度、伸长率和断面收缩率参数代入如下公式：
根据以上公式可以计算出产品的硫化氢敏感系数K值，当K值范围在50％～75％时，产品合格，否则不合格，其中为断面收缩率敏感系数，Kδ为伸长率敏感系数，Kσ为屈服强度敏感系数。
2.根据权利要求1所述一种快速评价油井管抗硫化物应力腐蚀开裂性能的方法，其特征在于：所述拉伸试样工作部分的尺寸为Ф4.5mm～Ф24.5mm圆棒试样，试样表面须加工精磨及抛光处理，使所表面粗糙度Ra≤0.80μm。
3.根据权利要求1所述一种快速评价油井管抗硫化物应力腐蚀开裂性能的方法，其特征在于：所述步骤二中，当取样产品名义屈服强度不大于724MPa，浸泡时间为144h，当取样产品名义屈服强度大于724MPa，浸泡时间为96h。
4.根据权利要求1所述一种快速评价油井管抗硫化物应力腐蚀开裂性能的方法，其特征在于：所述饱和硫化氢酸性溶液是在酸性溶液通氮气排除氧之后，再持续通入硫化氢气体至溶液吸附硫化氢饱和，硫化氢气体的通入流量为100ml/min～150ml/min，持续通入至实验结束。
5.根据权利要求1或4所述一种快速评价油井管抗硫化物应力腐蚀开裂性能的方法，其特征在于：所述酸性溶液pH值为2.0～4.0。
6.根据权利要求1或4所述一种快速评价油井管抗硫化物应力腐蚀开裂性能的方法，其特征在于：所述酸性溶液需要持续通入高纯氮气以排除溶液中的氧，以最小速率为100ml/min的流量持续通入氮气，每升溶液至少通入1小时。
7.根据权利要求5所述一种快速评价油井管抗硫化物应力腐蚀开裂性能的方法，其特征在于：所述酸性溶液需要持续通入高纯氮气以排除溶液中的氧，以最小速率为100ml/min的流量持续通入氮气，每升溶液至少通入1小时。
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