一种测量金属材料元素硫应力腐蚀开裂敏感性的试验方法
【专利摘要】本发明公开一种测量金属材料元素硫应力腐蚀开裂敏感性的试验方法，包括以下步骤：(1)试样制备：加工板装试样，并清洁干净；在清洁干净的试样表面涂覆一层多孔硫层；(2)配制油气井地层水模拟液；(3)腐蚀试验：将涂覆硫的试样放入配制的油气井地层水模拟液中进行腐蚀试验；(4)腐蚀试验结束后，进行应力腐蚀开裂敏感性检查。本发明，可有效克服硫层与试样不能紧密接触的问题，进而准确地评价高酸性油气田采输管道和装置材料在元素硫存在条件下的应力腐蚀开裂敏感性，试验结果可靠。
【专利说明】
一种测量金属材料元素硫应力腐蚀开裂敏感性的试验方法
技术领域
[0001]本发明属于腐蚀与防护技术领域，特别涉及一种测量金属材料元素硫应力腐蚀开裂敏感性的试验方法。
【背景技术】
[0002]高酸性油气田在开采过程中，储气层中的元素硫被高速气流携带出地层，随着采输系统温度和压力的变化，元素硫颗粒从天然气中析出并沉淀，造成采输管道或装置发生堵塞和腐蚀穿孔等生产事故，严重影响油气田的安全生产。
[0003]研究表明:在元素硫存在情况下，元素硫与H2SX、H2S、HS—、H20以及Cl—等共同作用加剧了碳钢和耐蚀合金的腐蚀，破坏形式以点蚀诱发的局部腐蚀为主，也可能诱发材料的应力腐蚀开裂(Liane Smith et al，2005NACE CORROS1N ,Paper N0.05646)。
[0004]目前，元素硫腐蚀试验的研究以均匀腐蚀和点蚀为主，元素硫以悬浮和沉积两种形式存在。专利公开号“CN 104422648 A”、发明名称为“一种油井管材料沉积硫腐蚀试验方法及其试验用夹具”的中国专利申请介绍了一种高合金油井管沉积硫腐蚀试验方法，该方法将单质硫粉和模拟地层水溶液混合调配后填充在夹具中将试样包围，将夹具封闭后进行高温高压试验，再计算均匀腐蚀速率和局部腐蚀速率。该专利申请以高合金油井管材料为试验对象，旨在克服硫粉不能与腐蚀溶液充分混合、硫粉流失以及硫粉液化沉淀的问题，而研究材料在高温沉积硫环境中的均匀腐蚀和点蚀。
[0005]应力腐蚀开裂是高酸性油气田采输管道和装置面临的一种主要破坏形式，其隐蔽性强、危害性大。然而，目前尚没有有效地测量元素硫应力腐蚀开裂的试验方法。对于元素硫环境中材料应力腐蚀开裂试验，存在以下难题:
[0006]I)悬浮或沉积状态的硫粉不溶于水，且易漂浮在溶液表面或沉积在溶液底部，难保证硫粉、溶液与试样的紧密接触；
[0007]2)预制应力阶段难以保证硫层与试样保持紧密接触。
[0008]3)直接涂覆硫层过于致密，影响溶液与试样的接触，从而影响腐蚀结果。
【发明内容】
[0009]本发明的目的在于提供一种测量金属材料元素硫应力腐蚀开裂敏感性的试验方法，能够有效地评价高酸性油气田采输管道和装置材料在元素硫存在条件下的应力腐蚀开裂敏感性。
[0010]为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案:
[0011]—种测量金属材料元素硫应力腐蚀开裂敏感性的试验方法，包括以下步骤:
[0012](I)试样制备:加工板装试样，并清洁干净;在清洁干净的试样表面涂覆一层多孔硫层；
[0013](2)配制油气井地层水模拟液；
[0014](3)腐蚀试验:将涂覆硫的试样放入配制的油气井地层水模拟液中进行腐蚀试验；
[0015](4)腐蚀试验结束后，进行应力腐蚀开裂敏感性检查。
[0016]进一步的，步骤(I)具体包括:
[0017]1.1)加工板状试样，用240#-1000#砂纸沿试样轴向进行打磨，再用丙酮和无水乙醇超声辅助清洗干净；
[0018]1.2)测量试样尺寸，计算挠度；
[0019]1.3)通过弯曲试样施加应力；
[0020]1.4)在试样表面涂覆含有气孔的多孔硫层。
[0021 ]进一步的，在试样表面涂覆含有气孔的硫层具体为:
[0022]将分析纯级别的单质硫粉用乙醇润湿后涂覆于试样待检表面，加热试样至115?125°C使得试样表面的硫处于微熔态，同时采用氮气吹扫以防止试样表面氧化;单质硫粉与乙醇的质量比为1.5?4.5:1;
[0023]或者，将分析纯级别的单质硫粉用有机分散剂(如正丁醇、异丁醇、丙醇)调配为粘稠浆状，涂抹在试样待检表面，将试样加热至115?125°C使得试样表面的硫浆呈微熔态，同时采用氮气吹扫以防止试样表面氧化;单质硫粉与分散剂的质量比为0.2?1.2:1。
[0024]进一步的，步骤(2)中油气井地层水模拟液配制具体包括:
[0025]2.1)配制油气井地层模拟水，Cl—浓度范围为O?200g/L;
[0026]2.2)配制好的模拟水放置在密闭容器中，并以100ml/min的速率连续通入氮气以去除溶液中的溶解氧，连续除氧时间为每升溶液至少lh。
[0027]进一步的，步骤(3)具体包括:
[0028]3.1)将处理好的试样放置在试验容器内；
[0029]3.2)将处理好的油气井地层水模拟液注入试验容器，并密封；
[0030]3.3)向油气井地层水模拟液中以lOOml/min的速率通入氮气再次去除试验溶液中的溶解氧，时间是每升溶液至少0.5h;
[0031 ] 3.4)将油气井地层水模拟液的温度升至试验目标温度；
[0032]3.5)向试验容器中通入试验气体；
[0033]3.6)试验时间为72011。
[0034]进一步的，步骤3.5)中通入的试验气体为硫化氢气体和二氧化碳气体。
[0035]进一步的，试验容器内通入硫化氢气体的压力为0.1?0.5MPa，通入二氧化碳气体的压力为0.1?0.5MPa，通入氮气补充使得试验容器内总压达到2MPa。
[0036]进一步的，步骤(2)中油气井地层水模拟液中Cl—浓度为107g/L，H⑶3—浓度为0.34g/L，SO42—浓度为0.30g/L，Ca2+浓度为15.02g/L，Na++K+浓度为50.93g/L，Mg2+浓度为0.94g/L0
[0037]进一步的，步骤3.4)中目标温度为60°C。
[0038]进一步的，步骤1.3)中通过四点弯曲施加应力。
[0039]相对于现有技术，本发明具有以下有益效果:本发明有效克服硫层与试样不能紧密接触的问题，进而准确地评价高酸性油气田采输管道和装置材料在元素硫存在条件下的应力腐蚀开裂敏感性，试验结果可靠;单质硫与乙醇或分散剂混合，将试样加热至115?125°C，乙醇或分散剂进行挥发，在涂覆的硫层中形成多孔结构，冷却后形成多孔硫层;使得溶液能够通过气孔与试样的接触，从而保证腐蚀结果;有效的克服了直接涂覆硫层过于致密，影响溶液与试样的接触，从而影响腐蚀结果的问题。
【具体实施方式】
[0040]下面通过实施例进一步说明本发明的应用及效果。
[0041]一种测量金属材料元素硫应力腐蚀开裂敏感性的试验方法，应力加载方式为四点弯曲，具体包括以下步骤:
[0042](I)试样制备:
[0043]I)加工板状试样，用240#-1000#砂纸沿试样轴向进行打磨，再用丙酮和无水乙醇超声辅助清洗。
[0044]2)测量试样尺寸，计算挠度。
[0045]3)通过弯曲试样施加应力。
[0046]4)试样表面涂覆硫，形成多孔硫层:
[0047]方法一:将分析纯级别的单质硫粉用乙醇润湿后涂覆于试样待检表面，加热试样至115?125°C使得试样表面的硫处于微熔态，同时采用氮气吹扫以防止试样表面氧化;单质硫粉与乙醇的质量比为1.5?4.5:1。
[0048]方法二:将分析纯级别的单质硫粉用有机分散剂(如正丁醇、异丁醇、丙醇)调配为粘稠浆状，涂抹在试样待检表面，将试样放置在坩祸皿中加热至115?125°C使得试样表面的硫浆呈微熔态，同时采用氮气吹扫以防止试样表面氧化;单质硫粉与分散剂的质量比为
0.2 ?1.2:1。
[0049](2)油气井地层水模拟液配制:
[0050]I)配制油气井地层模拟水，Cl—浓度范围为O?200g/L。
[0051]2)配制好的模拟水放置在密闭容器中，并连续通入高纯氮气(100ml/min)以去除溶液中的溶解氧，连续除氧时间因溶液体积而异，每升溶液至少lh。
[0052](3)腐蚀试验:
[0053]I)将处理好的试样放置在试验容器内；
[0054]2)将处理好的试验溶液注入试验容器，并密封；
[0055]3)向试验溶液中通入高纯氮气(100ml/min)再次去除试验溶液中的溶解氧，时间是每升溶液至少0.5h。
[0056]4)将试验溶液温度升至试验目标温度。
[0057]5)向试验容器中通入试验气体(如高纯硫化氢气体、高纯二氧化碳气体等)至相应的分压和总压。
[0058]6)试验时间为720h。
[0059](4)应力腐蚀开裂敏感性检查:
[0060]I)检查试样是否发生断裂。
[0061]2)清除试样表面沉积硫和腐蚀产物，利用显微镜观察试样表面是否出现裂纹。
[0062]实施例1
[0063](I)试样制备:选用高酸性油气田集输用L245M为试验材料，加工成115 X 15 X 4mm的板状试样，用240#-1000#砂纸逐级打磨后，依次用丙酮、无水乙醇超声辅助清洗，并测量试样尺寸。根据试验材料强度和尺寸，计算挠度，并通过弯曲试样施加应力。将分析纯级别的单质硫粉用乙醇(质量比为4.5:1)润湿后涂覆于试样待检表面，加热试样至120°C使得试样表面的硫处于微熔态，同时采用氮气吹扫以防止试样表面氧化，直至试样表面微熔态硫层凝固。
[0064](2)油气井地层水模拟液配制:根据某油气田地层水成分配制模拟溶液，溶液中的Cl—浓度为 107g/L，HC03—浓度为 0.34g/L，S042—浓度为 0.30g/L，Ca2+浓度为 15.02g/L，Na++K+浓度为50.93g/L，Mg2+浓度为0.94g/L。密封除氧4h，备用。
[0065](3)腐蚀试验:将处理好的试样和处理好的试验溶液放置在高温高压釜中，立即封盖，并通入高纯氮气除氧2h。将试验溶液温度升至60°C。再向釜内先后打入0.5MPa分压的CO2和0.1MPa分压的H2S,用高纯氮气补充使得釜内总压达到2MPa，进行模拟油气田工况和元素硫存在条件下的腐蚀试验，试验时间为720h。
[0066](4)应力腐蚀开裂敏感性检查:试验后，检查试样是否发生断裂，清除试样表面的硫和腐蚀产物，用显微镜观察试样表面是否存在裂纹。由此，评判L245M材料在元素硫存在环境下的应力腐蚀敏感性。
[0067]实施例2
[0068](I)试样制备:选用油气田酸性天然气处理装置用316L为试验材料，加工成115 X15乂4111111的板状试样，用240#-1000#砂纸逐级打磨后，依次用丙酮、无水乙醇超声辅助清洗，并测量试样尺寸。根据试验材料强度和尺寸，计算挠度，并通过弯曲试样施加应力。将分析纯级别的单质硫粉用有机分散剂(如正丁醇，质量比为1.2:1)调配为粘稠浆状，涂抹在试样待检表面，将试样加热至125 °C使得试样表面的硫浆呈微熔态，高纯氮气吹扫以防止试样表面氧化。直至试样表面微熔态硫层凝固。
[0069](2)油气井地层水模拟液配制:根据某油气田地层水成分配制模拟溶液，溶液中的Cl—浓度为 107g/L，HC03—浓度为 0.34g/L，S042—浓度为 0.30g/L，Ca2+浓度为 15.02g/L，Na++K+浓度为50.93g/L，Mg2+浓度为0.94g/L。密封除氧4h，备用。
[0070](3)腐蚀试验:将处理好的试样和处理好的试验溶液放置在高温高压釜中，立即封盖，并通入高纯氮气除氧2h。将试验溶液温度升至60°C。再向釜内先后打入1.0MPa分压的CO2和0.5MPa分压的H2S,用高纯氮气补充使得釜内总压达到2MPa，进行模拟油气田工况和元素硫存在条件下的腐蚀试验，试验时间为720h。
[0071](4)应力腐蚀开裂敏感性检查:试验后，检查试样是否发生断裂，清除试样表面的硫和腐蚀产物，用显微镜观察试样表面是否存在裂纹。由此，评判316L材料在元素硫存在环境下的应力腐蚀敏感性。
【主权项】
1.一种测量金属材料元素硫应力腐蚀开裂敏感性的试验方法，其特征在于，包括以下步骤: (1)试样制备:加工板装试样，并清洁干净;在清洁干净的试样表面涂覆一层含有气孔的硫层； (2)配制油气井地层水模拟液； (3)腐蚀试验:将涂覆硫的试样放入配制的油气井地层水模拟液中进行腐蚀试验； (4)腐蚀试验结束后，进行应力腐蚀开裂敏感性检查。2.根据权利要求1所述的一种测量金属材料元素硫应力腐蚀开裂敏感性的试验方法，其特征在于，步骤(I)具体包括: 1.1)加工板状试样，用240#-1000#砂纸沿试样轴向进行打磨，再用丙酮和无水乙醇超声辅助清洗干净； 1.2)测量试样尺寸，计算挠度； I.3)通过弯曲试样施加应力； 1.4)在试样表面涂覆含有气孔的硫层。3.根据权利要求1或2所述的一种测量金属材料元素硫应力腐蚀开裂敏感性的试验方法，其特征在于，在试样表面涂覆含有气孔的硫层具体为: 将分析纯级别的单质硫粉用乙醇润湿后涂覆于试样待检表面，加热试样至115?125°C使得试样表面的硫处于微熔态，同时采用氮气吹扫以防止试样表面氧化;单质硫粉与乙醇的质量比为1.5?4.5:1; 或者，将分析纯级别的单质硫粉用分散剂调配为粘稠浆状，涂抹在试样待检表面，将试样加热至115?125°C使得试样表面的硫浆呈微熔态，同时采用氮气吹扫以防止试样表面氧化;所述分散剂为正丁醇、异丁醇或丙醇;单质硫粉与分散剂的质量比为0.2?1.2:1。4.根据权利要求1所述的一种测量金属材料元素硫应力腐蚀开裂敏感性的试验方法，其特征在于，步骤(2)中油气井地层水模拟液配制具体包括: 2.1)配制油气井地层模拟水，Cl—浓度范围为O?200g/L; 2.2)配制好的模拟水放置在密闭容器中，并以100ml/min的速率连续通入氮气以去除溶液中的溶解氧，连续除氧时间为每升溶液至少lh。5.根据权利要求1所述的一种测量金属材料元素硫应力腐蚀开裂敏感性的试验方法，其特征在于，步骤(3)具体包括: 3.1)将处理好的试样放置在试验容器内； 3.2)将处理好的油气井地层水模拟液注入试验容器，并密封； 3.3)向油气井地层水模拟液中以lOOml/min的速率通入氮气再次去除试验溶液中的溶解氧，时间是每升溶液至少0.5h; 3.4)将油气井地层水模拟液的温度升至试验目标温度； 3.5)向试验容器中通入试验气体； 3.6)试验时间为72011。6.根据权利要求5所述的一种测量金属材料元素硫应力腐蚀开裂敏感性的试验方法，其特征在于，步骤3.5)中通入的试验气体为硫化氢气体和二氧化碳气体。7.根据权利要求6所述的一种测量金属材料元素硫应力腐蚀开裂敏感性的试验方法，其特征在于，试验容器内通入硫化氢气体的压力为0.1?0.5MPa，通入二氧化碳气体的压力为0.1?0.5MPa，通入氮气补充使得试验容器内总压达到2MPa。8.根据权利要求1所述的一种测量金属材料元素硫应力腐蚀开裂敏感性的试验方法，其特征在于，步骤(2)中油气井地层水模拟液中Cl—浓度为107g/L，H⑶3—浓度为0.34g/L，SO/—浓度为 0.30g/L，Ca2+浓度为 15.02g/L，Na++K+浓度为 50.93g/L，Mg2+浓度为 0.94g/L。9.根据权利要求5所述的一种测量金属材料元素硫应力腐蚀开裂敏感性的试验方法，其特征在于，步骤3.4)中目标温度为60°C。10.根据权利要求5所述的一种测量金属材料元素硫应力腐蚀开裂敏感性的试验方法，其特征在于，步骤1.3)中通过四点弯曲施加应力。
【文档编号】G01N17/00GK105954179SQ201610262771
【公开日】2016年9月21日
【申请日】2016年4月25日
【发明人】袁军涛, 付安庆, 李磊, 朱丽娟, 宋成立
【申请人】中国石油天然气集团公司, 中国石油天然气集团公司管材研究所