??
胡松陽 畢琳琳 張艷敏 趙春喜
(渤海石油裝備制造有限公司新世紀機械制造公司)
摘要：目前關于鎢基合金抽油桿實際應用的研究較少。為此，對無防腐層的KD級抽油桿、電鍍鉻防腐抽油桿以及電鍍鎢基合金抽油桿進行了耐H2SO4腐蝕試驗、耐H2S/CO2高溫高壓腐蝕性能試驗和耐H2S應力腐蝕試驗，還對電鍍鎢基合金抽油桿和鍍鉻防腐抽油桿進行結合強度試驗，并進行對比分析。結果表明，電鍍鎢基合金抽油桿具有較好的耐H2SO4性能、耐H2 S/CO2高溫高壓腐蝕性能以及較好的抗SSCC性能，還具有優(yōu)良的結合強度，符合 SJ 20130—1992標準要求。實際應用表明，電鍍鎢基合金抽油桿能適應高壓腐蝕的油井環(huán)境，有效抵御油井中的H2S腐蝕。
關鍵詞：電鍍鎢基合金 抽油桿 耐腐蝕性能 結合強度 試驗研究
0·引言
目前，我國大多數油田已進入中后期開發(fā)階段，注水開發(fā)不斷深入，油井井況也日益惡化，油井水中含CO2、H2S、Cl-、少量溶解氧和硫酸鹽還原菌等腐蝕物質，受這些物質及其交互作用的影響，油井管柱必然遭受嚴重的腐蝕。有桿泵井中油管與抽油桿的偏磨、腐蝕現象日趨嚴重，抽油桿斷脫和油管穿孔的速率增加，油井作業(yè)頻繁，嚴重制約了有桿泵井的正常生產。
面對日益惡化的井況，國內外學者為了提高采油設備性能、延長采油設備使用壽命做了大量研究工作。電鍍作為一種表面處理技術在防腐、裝飾等領域得到廣泛應用。電鍍鎢基合金以其優(yōu)異的耐磨性、耐腐蝕性能引起研究者的廣泛關注。文獻[1-2]指出電鍍鎢基合金油管能有效防腐，并大大延長油管的使用壽命;文獻[3]指出電鍍鎢基合金抽油桿具有較好的耐H2S腐蝕性能。而目前對鎢基合金抽油桿實際應用的研究較少，所以筆者對比研究了電鍍鎢基合金抽油桿在不同環(huán)境中的耐腐蝕性能。
1·試驗研究
1.1鎢基合金抽油桿電鍍工藝
采用由湖南納菲爾新材料科技股份有限公司自主研發(fā)的環(huán)境友好型電鍍鎢基合金工藝，在鉻鉬鋼基材上進行電鍍，電鍍工藝流程為:金屬清洗劑清洗→去離子水清洗→裝夾→電解除油10 min→電化學刻蝕10 min→電鍍1 h→去離子水清洗→卸夾。
1.2測試儀器
使用EDAX公司產的EDX能譜儀進行鍍層組分測定。利用ZSEM-6070型掃描電子顯微鏡(SEM)對制備的鎢基合金鍍層表面進行形貌表征。利用日本理學D/max-rA型X射線衍射儀(XRD)，采用Cu靶Kα輻射，在50 kV、100 mA下，分析鎢基合金鍍層的結構。
1.3耐腐蝕性能測試
選用無防腐層的KD級抽油桿、電鍍鉻防腐抽油桿以及電鍍鎢基合金防腐抽油桿進行耐H2SO4腐蝕性能對比試驗。試驗前將試樣依次用丙酮、無水乙醇、去離子水清洗并干燥，鍍鉻與鍍鎢基合金試樣用絕緣膠將端頭密封、干燥，以防鍍層與基體間產生電偶腐蝕;試驗時直接將處理好的試樣浸泡于 500 mL H2SO4(體積分數5%)溶液中，觀察和記錄各試樣的腐蝕情況。
在L360鋼(管圓筒弧形，壁厚3 mm，外半徑 72 mm)上電鍍鎢基合金用于高溫高壓腐蝕試驗。試驗前將試樣工作面依次用丙酮、無水乙醇和去離子水清洗，烘干后置于干燥器中，24 h后取出稱重、測量尺寸后放入干燥器中待用。每組試驗取平行試樣3件。在溫度為90℃、H2S分壓為2.5MPa、CO2分壓為2.0 MPa、流速2.0 m/s的模擬腐蝕環(huán)境中對試樣進行15 d的腐蝕試驗，研究鍍層的抗腐蝕性能。
試驗裝置是美國Cortest公司制造的鎳基合金 34.5 MPa(340 atm)動靜態(tài)高溫高壓釜。試驗時，將試樣安裝在高溫高壓釜內，加入試驗溶液，密封后通入高純氮氣除氧6 h以上，升溫至試驗溫度，通入高純CO2升壓到試驗預定值，并開始計時。試驗結束后，將試樣沖洗、滌凈、干燥。除幾個用于成分和形貌結構分析的試樣外，其余試樣均去膜后稱重，采用失重法計算腐蝕速率。
在135鋼(標準圓棒拉伸試樣)上電鍍鎢基合金鍍層，進行抗SSCC性能測試。試驗裝置采用美國 Cortest公司制造的104 MPa應力環(huán)。參照標準ISO 15156(石油和天然氣工業(yè)———在含有H2S的環(huán)境下油氣生產使用的材料)和 NACE0177(管線鋼抗硫化物應力腐蝕開裂試驗方法)進行試驗。
1.4鍍層結合強度試驗
參照SJ 20130—1992標準，分別在鍍鎢合金、鍍鉻防腐抽油桿表面截取厚1.5 mm、寬3 mm的抽油桿表層進行纏繞試驗，根據試驗后鍍層的剝落情況評定鍍層的結合強度。
2·試驗結果與討論
2.1鎢基合金形貌、組成及結構分析
鎢基合金鍍層SEM形貌如圖1所示，EDS組分分析如圖2所示，XRD結構分析如圖3所示。
從圖1可以看出，鍍層晶粒細小，放大1 000倍仍不能分辨晶粒，鍍層組分見表1。從圖3可以看出，在衍射角2θ=44°附近出現了明顯的Ni(111)衍射峰，但峰的底部較寬，結合鍍層SEM圖可知，鍍層為納米晶與非晶態(tài)的夾雜混晶。文獻[4]也報道非晶態(tài)的鎢基合金鍍層耐蝕性優(yōu)于鍍鉻層，原因在于非晶態(tài)沒有晶界、位錯等晶體缺陷，不易被腐蝕。
2.2鎢基合金鍍層耐腐蝕性能對比研究
2.2.1耐H2SO4腐蝕性能
將各試樣浸入H2SO4(體積分數為5%)溶液以及浸泡不同時間后的表觀形貌如圖4所示。其中圖4a為無防腐層KD級抽油桿，圖4b為其浸泡50h后的形貌;圖4c為鍍鉻防腐抽油桿，圖4d為其浸泡100 h后的形貌;圖4e為電鍍鎢基合金抽油桿，圖4f為其浸泡230 h后的形貌。
從圖4a可以看出，無防腐層KD級抽油桿浸入溶液時立即發(fā)生劇烈反應，有大量H2放出，浸泡50 h后，H2SO4中H+基本被置換，無H2產生，此時，抽油桿表面被腐蝕成通體黑色(圖4b)，硫酸溶液由原來的無色變?yōu)榧t褐色，說明抽油桿基體被腐蝕溶解。
鍍鉻抽油桿浸入H2SO4溶液時有少許H2氣泡冒出(圖4c)，因鉻鍍層的腐蝕，100 h后硫酸溶液由無色變成含Cr3+的墨綠色溶液，厚度為0.105mm的鍍鉻層幾乎全部脫落，清水洗凈后，表面呈黑色(圖4d)。
鍍鎢基合金防腐抽油桿浸入H2SO4溶液時，只有少數幾個氣泡吸附在鍍層表面，氣泡產生的速度極慢，230 h后，鍍層發(fā)黑，鍍層表面有較多氣泡(圖4f)，鍍層并未完全溶解，反應仍在進行，溶液呈淺綠色。
以上試驗現象及結果表明，無防腐層KD級抽油桿不能抵御體積分數為5%的H2SO4溶液的腐蝕，一旦與H2SO4接觸即發(fā)生劇烈腐蝕;對比無防腐層KD級抽油桿，鍍鉻防腐抽油桿在酸性介質中的使用壽命稍長，但仍不能抵御H2SO4的腐蝕，100 h后鍍層完全溶解;電鍍鎢基合金后能大大提高抽油桿的耐 H2SO4腐蝕性能，其耐H2SO4腐蝕時間至少長達230 h。2.2.2耐H2S/CO2高溫高壓腐蝕性能通過失重法計算試樣的腐蝕速率，得到 L360鋼和鎢基合金鍍層在模擬含H2S/CO2高溫高壓環(huán)境中的均勻腐蝕速率分別為0.231 6和0.087 8mm/a，按照金屬耐蝕性的三級標準，電鍍鎢基合金鍍層的耐蝕等級為1級，屬于可用。圖5為L360鋼(左)和鎢基合金鍍層(右)高溫腐蝕反應前后及去掉腐蝕產物的形貌。
從圖可以看出，L360鋼經高溫高壓腐蝕反應后，表面有明顯的腐蝕產物，而鎢基合金表面未見明顯的腐蝕跡象，只是鍍層稍許變色;去除表面腐蝕產物后L360鋼表面有可見的腐蝕坑點，而鎢基合金表面仍然光滑平整，說明高溫高壓下鎢基合金具有較好的耐腐蝕性能。
2.2.3耐H2S應力腐蝕性能
如圖6所示，S135鋼試樣在SSCC試驗過程中腐蝕嚴重而斷裂，未能通過690 MPa應力腐蝕試驗;鎢基合金鍍層試樣并無明顯腐蝕，表面生成了黑色產物膜，仍具有金屬光澤，通過了690 MPa應力腐蝕試驗。這說明鎢基合金鍍層具有良好的抗SSCC能力。
2.3鍍層結合強度測試
參照SJ 20130—1992標準，對鎢基合金抽油桿和鍍鉻抽油桿進行纏繞試驗，測試鍍層結合強度，結果見圖7。
從圖可以看出，經纏繞試驗后，鎢基合金抽油桿表現出良好的結合強度，鍍層無脫落現象，符合SJ 20130—1992標準要求;鍍鉻抽油桿鍍層有輕微的脫落現象，表明鍍鉻層與基體結合力較差，不符合SJ 20130—1992標準要求。
3·現場應用及結論
3.1現場應用
新疆塔里木油田某區(qū)塊油井為高壓腐蝕油井，H2 S體積分數達8%以上，普通抽油桿不能滿足該井的開采需求。采用渤海裝備新世紀機械制造公司針對該區(qū)塊研發(fā)的特種結構實心抽油桿，并在下井前對抽油桿表面進行電鍍鎢基合金處理(鍍層厚度約為30～50μm)，使用情況表明，抽油桿未發(fā)生因腐蝕導致的斷脫現象。
3.2結論
(1)電鍍鎢基合金抽油桿具有較好的耐H2 SO4性能、耐H2 S/CO2高溫高壓腐蝕性能以及較好的抗SSCC性能。
(2)鎢基合金抽油桿具有良好的結合強度，符合SJ 20130—1992標準要求。
(3)實際應用表明，電鍍鎢基合金抽油桿能適應高壓腐蝕的油井環(huán)境，能有效抵御油井中H2S的腐蝕。
參考文獻
[1]常峰，劉丙生，王耀東，等.鍍滲鎢抽油桿技術[J].油氣田地面工程，2008，27(11):74.
[2]許衛(wèi)國，王耀東，白昕，等.鎢合金油管在油田中的應用[J].石油與天然氣化工，2009，38(5):430-433.
[3]周俊，王秀敏，何鳳姣，等.電鍍鎢合金抽油桿耐硫化氫腐蝕研究[J].電鍍與涂飾，2009，28(10):4-8.
[4]Neto P，da Silva G P，Correia A N.A comparative stu-dy of the
physicochemical and electrochemical propertiesof Cr and Ni-W-P
amorphous electrocoatings[J].Electrochimica Acta，2006，51:4928-4933.
