采用Ansys Workbench有限元分析軟件模擬316L不銹鋼液控管線在200~350℃下的熱應(yīng)力分布，結(jié)合高溫腐蝕模擬試驗(yàn)，研究了稠油熱采服役環(huán)境下液控管線的應(yīng)力腐蝕行為。結(jié)果表明：模擬得到液控管線在200~350℃溫度范圍內(nèi)的最大熱應(yīng)力出現(xiàn)在接近油管接箍側(cè)區(qū)域，其數(shù)值隨溫度的升高而增大。高溫腐蝕模擬后，應(yīng)力加載狀態(tài)下液控管線的受拉伸區(qū)域出現(xiàn)多條徑向裂紋，而無應(yīng)力加載狀態(tài)下局部位置存在點(diǎn)蝕坑。液控管線在稠油熱采環(huán)境中的失效機(jī)理是在熱應(yīng)力和腐蝕介質(zhì)共同作用下，點(diǎn)蝕坑處發(fā)生陽極溶解并發(fā)展為應(yīng)力腐蝕裂紋。
1、試樣制備與試驗(yàn)方法
試驗(yàn)材料為某海上稠油熱采井用316L不銹鋼液控管線，管外徑為6.35mm，內(nèi)徑為3.75mm，壁厚為1.3mm，其化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)%)為0.03C，0.75Si，2.00Mn，0.045P，0.03S，16.70Cr，10.02Ni，2.03Mo，0.10N，余Fe。為研究應(yīng)力加載對(duì)液控管線在熱采服役環(huán)境中腐蝕損傷的影響，分別制備應(yīng)力加載和無應(yīng)力加載2種狀態(tài)的試樣，其中：應(yīng)力加載狀態(tài)下的試樣是按照GB/T 15970.3—1995用兩步法制作的U 型彎曲試樣，其結(jié)構(gòu)如圖1所示；無應(yīng)力加載狀態(tài)下的試樣為長(zhǎng)度10cm的直管試樣。
采用C276哈氏合金反應(yīng)釜進(jìn)行高溫腐蝕模擬試驗(yàn)，根據(jù)某海上稠油熱采井油田采出水的水質(zhì)分析報(bào)告配制腐蝕液，具體組成為9339.8mg·L-1Na+，741.5mg·L-1K+ ，866.5mg·L-1Mg2+，1085.3mg·L-1Ca2+ ，18441.0mg·L-1Cl-，2029.5mg·L-1SO42-，555.4mg·L-1HCO3- 。將2種液控管線試樣懸掛于試樣架上，試樣架通過螺栓固定在高壓釜蓋上，使液控管線試樣完全浸沒在腐蝕液中。試驗(yàn)溫度為300℃，氧氣分壓為0.21MPa，試驗(yàn)時(shí)間為72h。試驗(yàn)結(jié)束后，利用配備有能譜儀(EDS)的掃描電鏡(SEM)對(duì)試樣進(jìn)行微觀形貌觀察及腐蝕產(chǎn)物成分分析。采用體積分?jǐn)?shù)10%硝酸溶液對(duì)試樣進(jìn)行酸洗后，利用激光共聚焦顯微鏡對(duì)試樣表面的腐蝕特征進(jìn)行觀察。
2、有限元模擬
2.1 有限元模型的建立
液控管線通過管線護(hù)罩上的限位槽限位在油管接箍上，如圖2所示。在高溫環(huán)境中液控管線受熱發(fā)生熱膨脹，由于油管接箍與液控管線的熱膨脹系數(shù)不同，且管線護(hù)罩對(duì)液控管線有限位作用，阻礙液控管線的熱膨脹釋放，因此在實(shí)際生產(chǎn)過程中液控管線會(huì)產(chǎn)生沿軸向的熱應(yīng)力，同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生一定的弧度。316L不銹鋼在室溫(25℃)以及200，260，300，350℃時(shí)的屈服強(qiáng)度分別為276，230，215，205，193MPa，泊松比約為0.3。316L不銹鋼與N80油管鋼(油管接箍材料)的彈性模量和熱膨脹系數(shù)見表1。油管接箍外壁與套管內(nèi)壁間距為液控管線在環(huán)空中弧的最大變形范圍。熱采井用套管的內(nèi)徑為205.7mm，外徑為219.1mm，通徑為202.5mm；油管的內(nèi)徑為100.3mm，外徑為120.6mm；接箍外徑為141.5mm。由此可以確定，液控管線在環(huán)空中弧的最大變形范圍為32mm，即模型的最大變形弧的高度為32mm。
表1 316L不銹鋼與 N80油管鋼的熱膨脹系數(shù)和彈性模量
根據(jù)實(shí)際油管長(zhǎng)度，定義這段帶有弧形的液控管線弦長(zhǎng)為10000mm，外徑為6.35mm，內(nèi)徑為3.75mm，兩端受液控管線護(hù)罩約束的部位保持直線，端部直管段長(zhǎng)200mm，中部弧的高度為32mm?？紤]到液控管線長(zhǎng)徑比過大,為減小計(jì)算誤差和提高網(wǎng)格劃分精度，按照尺寸10∶1比例建立液控管線模型并利用AnsysWorkbench軟件對(duì)其熱應(yīng)力進(jìn)行有限元計(jì)算。對(duì)模型兩端直管段進(jìn)行完全固定約束，使其自由度為0，對(duì)中部位置進(jìn)行位移約束。由于液控管線的管徑較小、管壁較薄，為保證有限元計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性及合理性，在網(wǎng)格劃分時(shí)，采用全局單元尺寸控制網(wǎng)格大小，網(wǎng)格單元為四面體單元，如圖3所示。
2.2 有限元模擬結(jié)果
目前，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者利用 Ansys Workbench軟件對(duì)管道應(yīng)力分布進(jìn)行模擬計(jì)算，模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，有限元模擬的準(zhǔn)確性得到驗(yàn)證。在圖4中同一溫度下的上面模擬結(jié)果為液控管線背離油管接箍側(cè)的應(yīng)力分布云圖，而下面模擬結(jié)果為靠近油管接箍側(cè)的應(yīng)力分布云圖。由圖4可以看出，A1、A2、A3區(qū)域?yàn)槔瓚?yīng)力區(qū)域，B1、B2、B3區(qū)域?yàn)閴簯?yīng)力區(qū)域，最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在靠近油管接箍側(cè)的A1和A3區(qū)域。拉應(yīng)力是應(yīng)力腐蝕開裂的必要條件之一。液控管線在200，260，300℃時(shí)所受的最大熱應(yīng)力分別為89，127，150MPa，明顯低于其屈服強(qiáng)度，因此液控管線維持在較低的彈性變形狀態(tài)。在350℃時(shí)受到的最大熱應(yīng)力為181MPa，約為屈服強(qiáng)度的93%，因此該溫度下液控管線整體維持在較高的彈性變形狀態(tài)。
3、試驗(yàn)結(jié)果與討論
3.1 宏觀腐蝕形貌
由圖5可見：應(yīng)力加載狀態(tài)下的U型試樣頂端受拉伸區(qū)域出現(xiàn)多條垂直于管軸線的平行分布的裂紋，且被一層稀疏的黑色腐蝕產(chǎn)物所覆蓋，而肩部出現(xiàn)少數(shù)周向裂紋及腐蝕產(chǎn)物；無應(yīng)力加載的直管試樣整體顏色暗淡，這是由高溫氧化所致，同時(shí)局部位置發(fā)現(xiàn)點(diǎn)蝕坑及腐蝕產(chǎn)物，未發(fā)現(xiàn)明顯裂紋。這表明，應(yīng)力對(duì)裂紋的萌生和擴(kuò)展具有促進(jìn)作用，拉應(yīng)力可以促使裂紋快速萌生與擴(kuò)展。直管試樣表面腐蝕產(chǎn)物分布不均勻，出現(xiàn)堆積現(xiàn)象。
3.2 微觀腐蝕形貌
由圖6可以發(fā)現(xiàn)：應(yīng)力加載狀態(tài)下的U型試樣表面腐蝕產(chǎn)物分布均勻，主要成分為金屬氧化物，且氧化物間隙夾雜部分礦物鹽；無應(yīng)力加載狀態(tài)下的直管試樣的成分與應(yīng)力加載狀態(tài)下的差別不大，但氯離子含量明顯較高。這是因?yàn)閼?yīng)力加載導(dǎo)致液控管線表面鈍化膜出現(xiàn)大面積破損而發(fā)生腐蝕，而無應(yīng)力加載狀態(tài)下的直管試樣僅在局部位置發(fā)生點(diǎn)蝕，氯離子在點(diǎn)蝕坑內(nèi)富集。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，應(yīng)力加載狀態(tài)下的液控管線出現(xiàn)大面積的腐蝕，腐蝕程度更嚴(yán)重。
由圖7可以看出，在酸洗后應(yīng)力加載狀態(tài)下試樣表面出現(xiàn)明顯的徑向裂紋，無應(yīng)力加載狀態(tài)下試樣表面較平整，未發(fā)現(xiàn)裂紋。這表明，應(yīng)力加載能夠促進(jìn)液控管線表面裂紋的形成，并加快液控管線的腐蝕失效。
3.3 應(yīng)力腐蝕機(jī)理
研究表明：模擬得到U型試樣頂端位置的拉應(yīng)力在279~318MPa，大于300℃時(shí)316L不銹鋼的屈服強(qiáng)度；肩部位置的拉應(yīng)力在140~279MPa，由有限元模擬得到的最大熱應(yīng)力處于該應(yīng)力范圍。在高溫高壓腐蝕模擬試驗(yàn)后，U型試樣直管段的腐蝕程度較輕，而頂端和肩部出現(xiàn)多條垂直于管軸線的裂紋。研究表明，在溫度低于300℃時(shí)，隨著溫度的升高，316L不銹鋼的抗拉強(qiáng)度逐漸降低，但溫度升高到550℃后，抗拉強(qiáng)度基本保持穩(wěn)定，這主要是由動(dòng)態(tài)應(yīng)變老化導(dǎo)致的。316L 不銹鋼在300℃下的抗拉強(qiáng)度約為500MPa，顯著高于該溫度下U型試樣頂端位置的最大拉應(yīng)力，這說明316L不銹鋼液控管線在300℃高溫環(huán)境中的失效并不是因?yàn)楦邞?yīng)力導(dǎo)致的純力學(xué)失效，而是應(yīng)力與腐蝕性介質(zhì)共同作用的結(jié)果。
應(yīng)力腐蝕機(jī)理與腐蝕過程中的陽極反應(yīng)和陰極反應(yīng)有關(guān)，主要分為陽極溶解機(jī)理和氫致開裂機(jī)理兩大類。陽極溶解機(jī)理是指金屬局部產(chǎn)生微裂紋后，表面未破損區(qū)成為陰極區(qū)，裂紋側(cè)面和裂紋尖端組成陽極區(qū)，從而形成“大陰極、小陽極”的電化學(xué)腐蝕過程。該機(jī)理適用于自鈍化金屬；裂紋兩側(cè)受鈍化膜保護(hù)，造成裂紋尖端溶解速率加快，最終導(dǎo)致金屬發(fā)生斷裂。氫致開裂是指由于金屬在腐蝕過程中產(chǎn)生的氫原子在金屬內(nèi)部缺陷處聚集，產(chǎn)生局部壓力，使液控管線發(fā)生脆化,從而在拉應(yīng)力作用下發(fā)生斷裂。由于熱采井環(huán)空中不含酸性氣體，呈近中性，因此熱采井下液控管線的開裂機(jī)理為陽極溶解機(jī)理。不同應(yīng)力加載狀態(tài)下316L不銹鋼液控管線在高溫環(huán)境中的腐蝕失效機(jī)理如圖8所示。在高溫高氯蒸汽環(huán)境中，無應(yīng)力加載狀態(tài)下的液控管線表面鈍化膜在氯離子侵蝕下發(fā)生破損(高溫環(huán)境會(huì)加劇表面破損程度)，破損區(qū)露出的新鮮基體發(fā)生陽極溶解，逐漸發(fā)展成點(diǎn)蝕坑。在拉應(yīng)力加載作用下，點(diǎn)蝕坑繼續(xù)發(fā)展，點(diǎn)蝕坑內(nèi)的局部應(yīng)力逐漸增大，當(dāng)局部應(yīng)力等于或大于臨界值時(shí)，應(yīng)力腐蝕裂紋從點(diǎn)蝕坑內(nèi)萌生。一方面，裂紋尖端在自催化作用下繼續(xù)溶解，腐蝕介質(zhì)中的氯離子受電荷轉(zhuǎn)移作用在裂紋尖端處富集，形成局部酸化區(qū)，促進(jìn)裂紋的擴(kuò)展；另一方面，裂紋在拉應(yīng)力作用下加速擴(kuò)展，形成徑向裂紋。因此，316L不銹鋼液控管線在稠油熱采服役環(huán)境中的失效機(jī)理主要是在熱應(yīng)力和腐蝕介質(zhì)共同作用下，點(diǎn)蝕坑處發(fā)生陽極溶解并發(fā)展為應(yīng)力腐蝕裂紋。
4、結(jié) 論
(1)模擬得到316L不銹鋼液控管線在200~350℃溫度下的最大熱應(yīng)力出現(xiàn)在接近油管接箍側(cè)區(qū)域，其數(shù)值隨溫度的升高而增大，在350℃時(shí)的最大熱應(yīng)力為181MPa，約為屈服強(qiáng)度的93%。
(2)在模擬熱采環(huán)境中，應(yīng)力加載狀態(tài)下316L不銹鋼液控管線的受拉伸區(qū)域出現(xiàn)多條徑向裂紋，表面腐蝕產(chǎn)物分布均勻，腐蝕程度嚴(yán)重。無應(yīng)力加載狀態(tài)下液控管線局部位置存在點(diǎn)蝕坑，表面腐蝕產(chǎn)物分布不均勻，腐蝕程度較輕。拉應(yīng)力加載促進(jìn)高溫環(huán)境液控管線表面裂紋的形成，并加快液控管線的腐蝕失效。
(3)316L不銹鋼液控管線在稠油熱采服役環(huán)境中的失效機(jī)理主要是在熱應(yīng)力和腐蝕介質(zhì)共同作用下，點(diǎn)蝕坑處發(fā)生陽極溶解并發(fā)展為應(yīng)力腐蝕裂紋。
引用本文：
白健華，王通，于法浩，等.316L不銹鋼液控管線在稠油熱采服役環(huán)境下的應(yīng)力腐蝕行為[J].機(jī)械工程材料，2023，47（5）：55-60，71.
Bai J H , Wang T, Yu F H, et al.Stress Corrosion Behavior of 316L Stainless Steel Hydraulic Control Pipeline in Heavy Oil Thermal Recovery Service Environment, 2023, 47（5）: 55-60，71.
DOI:10.11973/jxgccl202305009
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