中原油田石油工程技术研究院 河南濮阳 457001
摘要：材料选择是高含硫气田防腐工作的关键。本文对于高含硫气田材料选择工作中的各种实验评定方法的特点，实现的难度，使用界限和存在的问题进行了评述。并对于高含硫气田材料评价中的耐久性实验难题进行了分析。针对管材评定的实际情况，提出采用实验室充氢技术模拟材料长期服役过程中的氢渗入，以此为基础进行实验室耐久性加速实验方法。
关键词：高含硫气田；材料选择；氢；耐久性
The Evaluation Method to Material in Laboratory for High Sour Gas Field
Cheng ZHANG1
Petroleum Engineering Institute of Zhongyuan of Branch,SINO-PEC,Puyang,Henan Province，457001
Abstract:
The key work of corrosion prevention in high sour gas field is material selection. In this work, the durability evaluation method to material in high sour gas field was discussed. A method of electrochemical hydrogen charging was proposed to introduce hydrogen into the substrate of material, in this way, the hydrogen penetration of material during long-term service can be simulated.
Keywords: Highly sour natural gas field; Material selection; Hydrogen; Durability
1、前言
高含硫天然气在拥有巨大的资源量，是未来我国解决能源安全，保障硫磺等战略物资供应的主要来源。开发此类气藏对缓解我国天然气供需矛盾，促进国民经济发展和保证国家能源安全具有重要意义。开发高含硫气田面临严重的安全风险和技术问题。这源于高含硫天然气的两大特点：高腐蚀性和高毒性。硫化氢可以导致金属发生氢脆、硫化物应力腐蚀等开裂现象。
2、现有选材方法评议
材料选择是高含硫气田防腐工作的核心。由于我国高含硫气田发展较晚，材料选择主要还是参考NACE、EFC、ISO等国际标准。在材料选择过程中，如何实现适度选材是工作的主要目标，既要避免过度选材造成不必要的成本损失，又要保证生产的安全。NACE MR0175标准在实践中认为是安全可靠的，是材料选择中公认的较为可靠的选材标准，已升级为ISO 15156标准，但此标准制定较为保守，例如碳钢不允许使用在硫化氢分压为1MPa以上的环境中，在实际使用中，可能造成选材过度，带来严重的成本负担。但如在超过NACE标准规定的范围内使用，却又会担心选材不足，带来安全问题。目前通用的做法是：进行材料适用性评价实验，验证材料是否真的能够安全有效的工作。
材料的适用性评价试验主要依据NACE TM0284、TM0177标准以及EFC标准，NACE标准给出的试验方法为验证评定，而不是选材评定，也就是说未通过实验肯定不能用，但是通过了实验却并不能保证一定可以用。采用模拟现场试验进行短期评定，是假定材料在使用材料本身未发生衰变，并不能保证材料全寿命周期的安全。NACE标准规定，如果超出标准中列出的使用条件的，需要满足至少两年以上的现场使用经验才能确定其安全性。
如何在实验室通过加速实验来评估材料长期腐蚀过程中的性能变化和安全性是困扰防腐工作者的难题。对于材料在全寿命周期内的实验方法到目前为止还没有成熟的加速实验方法。欧美国家出于安全考虑一般采用建立实验管路或实验井进行长期评价的方法。典型的案例如X100管线钢的应用，X100管线钢在20世纪80年代就已从工厂造出，但一直仅停留在测试阶段，随着加拿大TransCanada公司的极力推动，从2002年起相继建成了20.9公里的西部回路、戈丁湖X100/X120混合环路、Stittsville试验段等实验管段[1]，但时至今日仍无大规模商业化应用。我国由于经济的快速发展，以及特殊的国情，客观上无法如欧美等国一样可以允许数年甚至更长的实验测试。材料的使用急需寻找一种加速实验方法，来对于材料的耐久性进行快速评价。我国由于经济的快速发展，客观上无法如欧美等国一样可以允许数年甚至更长的实验测试。材料的使用急需寻找一种加速实验方法，来对于材料的耐久性进行快速评价。
3、耐久性加速实验
研究表明[2]，影响材料耐久性主要有两个因素：第一、力学因素：受力下的蠕变和疲劳。第二、环境氢的渗入。力学因素的耐久性研究已经有了悠久的历史，对于长期受到循环载荷的工程器件，一般都采用疲劳试验来验证材料的力学性能的老化。但是，材料在环境中的性能的老化还同时受环境氢渗入的影响。氢的进入不仅能严重的影响钢的力学性能，还能严重影响材料的耐腐蚀或应力腐蚀性能。大量研究表明，内含氢能明显促进腐蚀和应力腐蚀[3,4]。
对于高含硫气田而言，氢的作用是不容忽视的。在湿硫化氢环境中，阴极反应生成氢原子，在硫化氢的毒化作用下，大量的氢原子不是结合成氢气逸出，而是以原子态进入钢基体，进而产生氢脆和硫化物应力腐蚀等，即便短期不发生开裂也将对于钢的力学性能和耐腐蚀、耐应力腐蚀性能产生影响。而据统计结果[2]，对于一般的集输管线或静态管柱，由力学作用而引起的性能降级时间较长，一般会在20年以上才会显现。因此，在高含硫气田的耐久性评价中，氢的渗入是最主要的评定内容，如果管柱或管线的设计寿命小于20年，可以不对进行疲劳等力学作用耐久性测试。
实验室一般采用高温渗氢或电化学充氢引入氢。褚武扬等[5]研究表明，采用电化学充氢方式模拟硫化氢环境中的腐蚀测试，结果表明电化学充氢可以很好的模拟材料在硫化氢环境中所产生的氢脆和应力腐蚀。电化学充氢可以迅速的引入氢，使得材料内部的氢含量达到长期使用后的陷阱氢水平。将一段从普光气田截取的已在现场应用两年的L360QCS管道与原始L360QCS及电化学充氢L360QCS钢的陷阱氢浓度数据对比如表1，数据表明，充氢过后的样品中的氢浓度接近于使用2年的管道氢浓度。但是对于一些氢渗透系数较低的合金材料，高温下氢渗透系数将远大于工作温度，高温渗氢可以有效加速氢的进入，为研究提供便利，因此也需要得到重视。
对于钢的耐久性加速实验，并非每种钢都有必要进行。决定是否进行耐久性加速实验的最重要的指标是氢渗透系数。这里面分为三种具体情况：
1）对于一些氢渗透系数极高的钢，氢渗透管壁仅需几个小时或者几天，则无需做进一步的耐久性加速实验。
2）对于一些氢渗透系数极低的材料，如某些耐蚀合金，由于在预定的使用年限以内氢渗透的距离远低于管壁的厚度，无法影响钢的实际使用效果，因此也可以不必考虑。
3）介于以上两种情况之间的材料，在常规的实验过程中无法对其氢渗透后的性能进行评估，而氢的渗透又会在材料的服役期间影响材料的性能，就需要通过实验专门评估氢的影响。
4、结论与建议
1）高含硫气田材料选择过程中，应考虑实际使用情况，开展耐久性评价实验；
2）充氢方法是开展耐久性实验的有效加速方法。
参考文献：
[1] 王晓香，超高强度管线钢研发新进展，焊管，2010,33（2），5-12
[2] H. Nykyforchyn, E. Lunarska, O.T. Tsyrulnyk, K. Nikiforov , M.E. Genarro, G. Gabetta, Engineering Failure Analysis 17 (2010) 624–632
[3] Yang Q, Qiao L J, Chiovelli S. Effects of Hydrogen on Pitting Susceptibility of Type 310 Stainless Steel Corrosion, 1998, 54(08): 628-634.
[4] Qiao L J, Chu W Y, Mao X Y, The role of hydrogen in stress-corrosion cracking of austenitic stainless steel in hot MgCl2 solution, Metall. Mater. Trans. A, 1995(26), P.1777-1784
[5] 褚武扬，吕荣邦，乔利杰，王燕斌，油井管钢氢致开裂门槛值研究，金属学报，1998,34（10）,1077-1083
论文作者:张 诚
论文发表刊物:《工程管理前沿》2019年第14期
论文发表时间:2019/9/10
标签：材料论文; 耐久性论文; 气田论文; 含硫论文; 硫化氢论文; 方法论文; 应力论文; 《工程管理前沿》2019年第14期论文;