稠油热采工具30CrMo和1Cr13材质的腐蚀试验研究

(中海油能源发展股份有限公司 工程技术分公司，天津 300452)

目前，渤海油区主要采用多元热流体开采方式，发生器注入温度260～280 ℃，井底温度240 ℃左右。蒸汽吞吐井数较少，井底温度可达330～360℃[1-4]。渤海旅大、南堡油田在热采井作业过程中，由于热腐蚀和热应力作用[5-6]，热采井口装置出现结构腐蚀刺漏、井下工具(隔离封隔器、生产封隔器等)腐蚀破坏等问题，对热采井生产作业造成较大影响[7-8]。

30CrMo和1Cr13是稠油热采井口装置和井下工具常用材质。通过研究这两种钢材的高温腐蚀性能，确定工具在热采井内的腐蚀类型和腐蚀速率，推测正常生产的耐腐蚀年限和工作寿命。试验模拟蒸汽吞吐热采的注热阶段和生产阶段环境条件，通过扫描电镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)和金相显微镜(EDS)等手段进行分析，研究材质的腐蚀规律，确定其耐蚀性能，为井下工具的寿命预测提供依据。

1 试验方法

1.1 试验材料及设备

试验材料选用30CrMo和1Cr13。30CrMo取自稠油热采井现场使用的井口装置，1Cr13取自生产封隔器。试样尺寸为50 mm×10 mm×3 mm，每次试验取3个平行试样，试样用1 200#水砂纸打磨，表面粗糙度≤1.6 μm[9-10]。试验设备选用TFCZ5-35/250型和C276-50/600型磁力驱动反应釜。

1.2 试验条件

模拟注热阶段和生产阶段的流体组分、压力条件、注入速度，制定了相关试验参数，如表1。

表1 试验参数

2 试验过程

将试样清洗、丙酮除油、冷风吹干后测量试样尺寸并称重，将试样相互绝缘安装在特制的试样架上，放入高压釜内的腐蚀介质中，进行腐蚀试验。试验结束后，将试样表面用蒸馏水冲洗去除腐蚀介质，无水酒精除水后烘干待用[11]。用电子天平称重并根据式(1)和(2)计算腐蚀速率，根据表2《NACE SP 0775—2013》标准判断腐蚀程度。试验后，用JSM-5800型扫描电镜观察其表面腐蚀形貌；采用金相显微镜观察试样表面是否有点蚀，并测量最深点蚀深度；XRD分析图谱结合EDS分析结果，分析腐蚀产物成分。

均匀腐蚀速率：

(1)

式中：vcorr为均匀腐蚀速率，mm/a；Δg为试样失重，g；γ为材料密度，g/cm3；t为试验时间，a；S为试样表面积，mm2。

局部腐蚀速率：

(2)

表2为NACE SP 0775—2013标准对腐蚀程度的界定。

表2 NACE SP 0775—2013标准对腐蚀程度的界定

3 试验结果及分析

3.1 生产阶段

生产阶段腐蚀试验完成后，观察试样腐蚀形貌，并测量均匀腐蚀速率，30CrMo和1 Cr13腐蚀形貌如图1。30CrMo在生产阶段均匀腐蚀速率为0.082 0 mm/a，为中度腐蚀，无局部腐蚀发生，表面腐蚀产物较少；1Cr13在生产阶段均匀腐蚀速率为0.009 7 mm/a，为轻微腐蚀，表面无明显腐蚀产物。

图1 生产阶段腐蚀产物清洗后微观形貌

3.2 注热阶段

注热阶段腐蚀试验完成后，观察试样腐蚀形貌并测量均匀腐蚀速率，30CrMo和1 Cr13腐蚀形貌如图2～5，腐蚀规律如图6。

图2 注热7 d腐蚀产物清洗后微观形貌

图3 注热21 d腐蚀产物清洗前微观形貌

图4 注热21 d腐蚀产物清洗后微观形貌

图5 30CrMo表面腐蚀产物膜微观形貌

图6 腐蚀规律

由图2～6可知：30CrMo注热7 d时，均匀腐蚀速率为8.730 1 mm/a，为极严重腐蚀；注热21 d时，均匀腐蚀速率为0.403 mm/a，为极严重腐蚀；注热阶段，随腐蚀时间延长，平均腐蚀速率显著减小。对比注热7 d后和注热21 d后30CrMo表面腐蚀产物微观形貌，由图5可见，注热7 d后30CrMo表面腐蚀产物疏松多孔，这种不致密的腐蚀产物膜增加了物质传输的通道，从而降低了腐蚀产物膜的保护性能，加速30CrMo的腐蚀。随着腐蚀时间延长，腐蚀产物晶粒变得更加细小、致密，腐蚀产物由疏松多孔而逐渐致密化，隔离基体与外界腐蚀液，提高腐蚀产物膜对基体的保护性，减缓30CrMo的腐蚀。

1Cr13在注热7 d时的均匀腐蚀速率为0.258 4 mm/a，为极严重腐蚀，且有局部腐蚀发生，局部腐蚀最大深度为32 μm，局部腐蚀速率为1.927 mm/a；注热21 d时，均匀腐蚀速率为0.176 6 mm/a，为严重腐蚀，以均匀腐蚀为主；注热阶段，随腐蚀时间延长，平均腐蚀速率减小不明显。

在生产阶段，1Cr13良好的耐蚀性在于其表面存在致密的、保护性好的钝化膜。在注热阶段，环境中含有一定的O2，一定的氧含量会促进1Cr13的钝化，但氧含量过高，钝化膜发生氧化，钝化膜破坏，腐蚀产物发生开裂，对基体保护作用不强，开裂的腐蚀产物膜为腐蚀性的气体和介质提供通道，加速1Cr13的腐蚀。

由于生产阶段比注热阶段温度明显降低，且不含氧，30CrMo和1Cr13在生产阶段腐蚀速率小于注热阶段。

30CrMo和1Cr13在注热阶段腐蚀严重，采用EDS分析技术对表面腐蚀产物元素进行分析，两种材质表面腐蚀产物主要元素为Fe和O。图7为试样表面腐蚀产物XRD分析图谱，通过图8腐蚀产物XRD衍射峰图谱与PDF标准卡片衍射峰图谱的对比，结合EDS分析结果，30CrMo和1Cr13试样表面腐蚀产物均为Fe3O4。

图7 腐蚀产物XRD分析图谱

图8 腐蚀产物XRD衍射峰图谱与PDF标准卡片衍射峰图谱对比

4 结论

1) 对于30CrMo材料，在注热阶段，试验时间为7 d和21 d时，出现极严重腐蚀，主要以均匀腐蚀为主，表面腐蚀产物为Fe3O4；在生产阶段，均匀腐蚀速率为0.082 0 mm/a，为中度腐蚀，无局部腐蚀发生。

2) 对于1Cr13材料，在注热阶段，试验时间为7 d时，均匀腐蚀速率为0.258 4 mm/a，为极严重腐蚀，且有局部腐蚀发生，局部腐蚀速率为1.927 mm/a，表面腐蚀产物主要为Fe3O4；试验时间为21 d时，均匀腐蚀速率为0.176 6 mm/a，为严重腐蚀，以均匀腐蚀为主，表面腐蚀产物主要为Fe3O4。在生产阶段，均匀腐蚀速率为0.009 7 mm/a，为轻微腐蚀，无局部腐蚀发生。

3) 与生产阶段试验结果比较，由于注热阶段温度明显升高，且含有O2，体积分数为1%，两种材质腐蚀程度均加重。

4) 在注热阶段，随腐蚀时间延长，30CrMo材质平均腐蚀速率显著减小，主要与表面所形成的腐蚀产物膜的完整性和致密度有关，1Cr13的腐蚀速率减小不明显。

5) 在注热阶段和生产阶段，1Cr13材质较30CrMo具有更好的耐腐蚀性。

6) 为提高井口装置和井下工具的耐高温耐腐蚀性能，延长使用寿命，可以采用等离子热喷涂陶瓷或碳化钨涂层工艺进行表面处理。