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Nb 在油井管中的作用

Nb 在油井管中的作用. 刘克明. 主要内容. 一、课题背景 二、国内外研究现状 三、下一步实验计划. 课题背景. 油井中使用的套管在含有 H 2 S 的微酸环境中，往往会在受力远低于其本身的屈服强度时就突然发生脆断 ( 这种现象被称作为硫化物应力腐蚀断裂 , 简称（ SSCC ） ) ，从而造成油井套管或整口井的报废，如剧毒硫化氢外泄，将会对钻井周围的人、生态环境、设备造成巨大的破坏。因此，开采含硫化氢的油气田必须使用抗 SSC 的管材。

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Nb 在油井管中的作用

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Presentation Transcript

  1. Nb在油井管中的作用 刘克明

  2. 主要内容 一、课题背景 二、国内外研究现状 三、下一步实验计划

  3. 课题背景 油井中使用的套管在含有H2S的微酸环境中，往往会在受力远低于其本身的屈服强度时就突然发生脆断( 这种现象被称作为硫化物应力腐蚀断裂, 简称（SSCC）)，从而造成油井套管或整口井的报废，如剧毒硫化氢外泄，将会对钻井周围的人、生态环境、设备造成巨大的破坏。因此，开采含硫化氢的油气田必须使用抗SSC的管材。 随着含H2S气体的高温高压油气田的开发，人们对高强度耐硫化物应力腐蚀油套管的需求越来越的大。要求不仅在强度上达到更高的级别，而且要具有优良的耐硫化物应力腐蚀性能。因此，为了满足能源开发的需要我们开展了对强度级别在110ksi的抗SSC套管的研究。

  4. 普通调质油井管中Nb的作用 Nb在普通调质油井管中发挥强化作用的工艺条件和相关机理可能是： （1）油井管一般规格较小、冷速较快，轧制后仍有大部分Nb保持固溶。轧管热处理时，先经淬火炉加热至≥900℃，固溶Nb部分析出细小Nb(C,N)，阻止γ晶粒长大，起细化作用； （2）再经“外淋内喷”式淬火，Nb(C,N)细化马氏体微结构，且其中仍保持部分固溶Nb；最后经高温回火，固溶Nb析出细小Nb(C,N)，起到析出强化作用。

  5. 国内外文献的调研 日本学者[1]在原奥氏体晶粒尺寸对微合金马氏体钢的研究结果表明在相同的奥氏体条件下含Nb钢具有更加细小的原奥氏体晶粒。作者通过实验结果认为Nb主要是通过细化原奥氏体晶粒提高抗硫化物应力腐蚀的能力。 [1] H.Asahi, M.Ueno. ISIJ Int, Vol. 32, No.9, 1992, pp. 1021-1026.

  6. [2] Y. Komizo, Proc. Conference Niobium (2001) p673. Komizo等人[2]研究了Nb在高强度油井管中的应用，认为Nb在钢中的主要作用有两方面：以细小的Nb(C,N)的钉扎作用，促使细小的奥氏体组织的形成；在后续的回火过程中细小的Nb(C,N)析出物可以有效提高后续的回火软化抗力，在保证强度的前提下使提高回火温度，显著利于提高抗SSCC能力。文中还提出铌对硫化物应力腐蚀抗力的有利影响可以用碳化物形貌的改善解释，0.03％铌钢中片状渗碳体沿晶界析出，在硫化物应力腐蚀试验中表现为沿晶断裂。0.1％铌钢的碳化物在高温回火过程中呈均匀分布并得到了球化，导致较低的硫化物应力腐蚀断裂倾向。

  7. [3] G.Echaniz, C.Morales, T.Perez. CORROSION/98, paper no120. 阿根廷佩雷斯等人[3]通过对三种不同类型的显微组织进行抗硫化氢应力腐蚀实验得出淬火后具有细小原奥氏体晶粒，回火后在回火的板条马氏体以及铁素体基体上分布有细小弥散的Nb(C,N)具有最优的抗硫化氢应力腐蚀性能。其中，细小弥散的碳化物被认为是氢陷阱而起到提高材料的抗硫化物应力腐蚀性能。 非等温转变的上贝氏体 回火的马氏体板条+铁素体，碳化物 弥散分布有细小的Nb(C,N) 大量的回火的马氏体板条+铁素体，碳化物 Nb(C,N)的分布较差，PAG粗大， 马氏体Packet尺寸较

  8. [4] A.D. Schino,G.L. Turconi,M. Longobardo,G. Porcu. CORROSION/06, paper no06125. 特纳[4]在开发125ksi级别的抗硫化氢应力腐蚀油井管的研究中通过添加V和Nb微合金元素，在淬火过程中利用(Nb,V)C的复合析出相细化原奥氏体晶粒尺寸和马氏体板条束的尺寸；在回火过程中(Nb,V)C的符合析出提高了材料的回火抗力，更高的回火温度降低材料中的位错密度，减少了氢的扩散路径；并利用Nb,V的复合析出的弥散球状碳化物是氢的强陷阱的特点使扩散氢重新分布进而提高了材料的抗硫化物应力腐蚀能力。

  9. [5] Shuji HASHIZUME, Tatsuo ONO, Tareq ALNUAIM. CORROSION/07, paper no07089 NKK公司在开发低碳高强度的13Cr马氏体不锈钢的研究中认为Nb是最有效的强化元素之一[5]。在研究中达到相同强度级别的含0.03%Nb钢的回火温度要比不含Nb钢高出75℃，在文中指出这是由于回火过程中NbC的析出造成的，而更高的回火温度能够有效的降低材料中的位错密度，提高抗SSCC的能力，随后的抗SSC试验也验证了含Nb钢具有更优异的抗硫化氢应力腐蚀性能。

  10. [6] Ming-Chun Zhao, Yi-Ying Shan, Fu Ren Xiao, Ke Yang,Yu Hai Li. Materials Letters, 2002 ,57:141-145 [7] Ming-Chun Zhao, Ke Yang. Scripta Materialia,2005,52:881–886. 赵明纯等人[6]在对针状铁素体和超细晶铁素体在抗H2S腐蚀行为的研究中认为细小弥散分布的(Nb,V)C是良性的氢陷阱；通常来说位错是氢扩散的通道，但被细小碳化物钉扎的缠结位错也被认为是良性的氢陷阱，它们能够改善钢中氢的分布，降低材料裂纹萌生和扩展的临界条件，提高材料的耐应力腐蚀能力。作者在纳米级碳化物对钢的强度和抗硫化物应力腐蚀性能的研究中也提到了上述观点[7]，并强调了Nb、V、Ti的纳米级碳化物的析出强化作用。

  11. [8] K. Tsukada, K. Minakawa, A.J. Mcevily. Metallurgical Transactions A,1983,14:1737-1742. [9] P. J. Grobner,D. L. Sponsaller,D. E. Diesburg. Journal of Engineering for Industry, 1976:708-716. K. Tsukada等人[8]在对修正成分后的SAE4135钢的腐蚀行为的研究中也提到了赵明纯等人的观点，在原有的SAE4135钢的基础之上添加了微合金元素Nb和Mo，细化了原奥氏体晶粒，显著的提高了回火温度，降低了P在晶界处的偏聚，提高了材料的抗硫化物应力腐蚀性能。在P. J. Grobner等人[9]的研究中也提到了上述的观点，同时还提出了在更高回火温度下NbC的析出强化作用。

  12. [10] Christophe Mendibide, Corrosion Science, 2009,51:2878–2884 Christophe Mendibide等人[10]在优化成分来提高抗硫化氢应力腐蚀性能的研究中认为Nb在抗硫化氢应力腐蚀中发挥的作用是：提高了材料的抗回火软化能力，保证强度的同时提高了材料的回火温度。Nb的加入使实验钢的临界应力从35%SYMS提升到65%SYMS。Christophe Mendibide在试验中分别对含Nb钢和不含Nb钢的氢扩散曲线进行了测定，实验结果表明不含Nb钢中含氢量是含Nb钢的两倍，这一结果充分证明Nb的加入有效的阻止了氢向材料中的扩散，提升了材料的抗硫化物应力腐蚀性能。

  13. 总结 • 通过对上述文献的阅读分析可见Nb在抗硫化物应力腐蚀油井管中可能发挥的作用可以概括为四个方面： (1)在淬火过程中析出细小的Nb(C,N)，通过Nb(C,N)的钉扎作用，阻止奥氏体晶粒长大； (2)在回火过程中析出细小的Nb(C,N)，提高回火抗力，在保证强度的前提下使材料在更高温下回火成为可能，进而降低材料中的位错密度，减少氢扩散通道； (3) 细小的Nb(C,N)发挥其良性氢陷阱的作用，改善氢的分布； (4) 细小的Nb(C,N)钉扎可动位错团，降低氢随缠结位错的运动，改善氢在钢中的分布。上述Nb可能发挥的种种作用都与Nb在钢中的状态有关。

  14. 下一步工作计划 已完成热处理实验 1、后续热处理实验： a. 一次淬火温度对析出物对组织、性能影响 b.一次回火温度、回火时间对组织、性能的影响 c.二次淬火温度对组织、性能的影响 2、B类夹杂的分析 3、测定A法实验试样过渡段粗糙度 4、查阅文献资料修正及补充热处理实验

  15. 谢谢！

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