柳 军1,李 强1,余 雷2,罗 杰1,唐 凯2,任国辉2
(1.西南石油大学机电工程学院,成都610500; 2.中国石油测井有限公司西南分公司,重庆400212)
摘 要:用复合磷酸盐完井液对取自13Cr-L80钢油管的紧凑拉伸试样进行预腐蚀处理,再进行 疲劳裂纹扩展试验,通过分析疲劳裂纹扩展区形貌,研究了应力比(0.05~0.25)、加载载荷(10~ 14kN)和载荷频率(0.6~1.8Hz)对腐蚀疲劳裂纹扩展行为的影响。结果表明:随应力比增大,疲 劳裂纹扩展区二次裂纹数量增多,13Cr-L80钢的裂纹扩展速率增大;随加载载荷增大,疲劳裂纹扩 展区二次裂纹数量减少,裂纹扩展速率减小;载荷频率越高,疲劳裂纹扩展区二次裂纹数量越少,但 裂纹尖端应变速率增大,裂尖变形更充分,导致裂纹扩展加快,试验中止时的循环次数减少。
关键词:13Cr-L80钢油管;复合磷酸盐完井液;腐蚀疲劳;裂纹扩展试验 中图分类号:TG142.71 文献标志码:A 文章编号:1000-3738(2023)08-0052-07
0 引 言
为了平衡地层的压力、降低对储层的损害、保持 井中各性能稳定,国内外通常在高产气井完井作业 过程中使用具有高密度和保护性能的复合磷酸盐完 井液[1],这使得油管处于复合磷酸盐完井液的腐蚀 环境中;同时,油管还会受到环空内外压力、弯曲、扭 转等多种载荷作用。在腐蚀与交变载荷的耦合作用 下,油管表面会萌生裂纹并扩展,最终导致油管断 裂,造成重大的经济损失[2-3]。 1963年,研究者对不同金属材料开展了大量试 验研究,提出了预测疲劳寿命的Paris公式,建立了
应力强度因子幅和裂纹扩展速率的关系,为疲劳断 裂问题开辟了主要的研究途径[4-10]。在近期研究 中,袁玲[11]发现13Cr和P110钢在氯酸盐完井液中 的腐蚀速率远高于在甲酸盐中。梁秀娟等[12]在不 同 浓 度 盐 酸 腐 蚀 液 中、不 同 循 环 应 力 下 对 30CrNi2MoV钢进行腐蚀疲劳试验,发现循环应力 对腐蚀疲劳裂纹的影响比盐酸腐蚀液浓度的影响更 大。郑祥隆等[13]研究发现,腐蚀程度的增大会导致 疲劳极限下降,但对高应力范围的疲劳寿命影响不 大,而变幅值疲劳寿命对门槛值的变化比较敏感。 王庆雷等[14]和王恒等[15]研究发现,随着应力比的 增大,E690高强度钢的疲劳裂纹扩展速率也相应增 大,而疲劳裂纹扩展门槛值减小。范镒等[16]研究发 现,载荷频率越低,奥氏体不锈钢在海水环境中的腐 蚀疲劳裂纹扩展越快。 目前,有关油管腐蚀疲劳裂纹扩展研究主要使 用的是酸性腐蚀环境,在碱性腐蚀环境下的研究还 相对较少,特别是在复合磷酸盐完井液腐蚀环境中 的研究尚未见报道。随着我国南海高产气井的大力 开发,在复合磷酸盐完井液与交变载荷的共同作用 下,油管萌生裂纹并扩展失效的案例急剧增多[17], 造成的经济损失也急速增加。为此,作者开展了高 产气井油管用13Cr-L80钢的腐蚀疲劳裂纹扩展行 为研究,分析了在复合磷酸盐完井液腐蚀环境中应 力比、加载载荷以及载荷频率对其腐蚀疲劳特性的 影响规律。
1 试样制备与试验方法
试验材料取自南海西部高产气井现场尚未使用 的13Cr-L80钢油管,油管规格为4???″,化学成分见 表1,屈服强度和抗拉强度分别为599.6 MPa和 771.15MPa,硬度为263.1HV。根据 GB/T6398- 2017在油管上取样,加工成如图1所示的紧凑拉伸 (CT)试样,预制裂纹长度为23mm [18-21为模拟真实的腐蚀环境,采用现场用的完井液 作为腐蚀介质,完井液组成(体积分数)为 H2O+ 0.2%NaOH+0.3%硫代 硫 酸 盐 (PF-OSY)+3% JLB缓蚀剂+K4P2O7,在配制好其他组分后,通过 加入 K4P2O7 将完井液密度控制在1400kg·m-3。 将CT试样裂纹待扩展区浸泡在腐蚀介质中进行预 腐蚀[22],腐蚀时间为30d。腐蚀完成后取出试样, 使用吹风机吹干试样(表面残存腐蚀介质),再安装 在 MTS809型电液伺服拉扭疲劳机上进行疲劳裂 纹扩展试验。 当温度一定时,应力比、加载载荷和载荷频率 对试样腐蚀疲劳行为的影响最大。根据前期试验 结果[23],计算得到服役时高产气井油管的振动频 率在0.6~1.8Hz,加载载荷在10~14kN,应力比 在0.05~0.25。为此,设置如下疲劳裂纹扩展试验 参数:应力比分别为0.05,0.10,0.15,0.20,0.25,加 载载荷为10kN,载荷频率为2.0 Hz;应力比为 0.10,加载载荷分别为10,11,12,13,14kN,载荷 频率为2.0Hz;应力比为0.10,加载载荷为11kN, 载荷频率分别0.6,0.9,1.2,1.5,1.8Hz(将振动 频率作为输入参数设定为试验的载荷频率)。当 疲劳裂纹长度达到35mm或裂纹扩展速率连续3 次超过0.01mm·周次-1时结束试验。使用 FEI Quanta450FEG型环境扫描电子显微镜(SEM)对 试样断面的疲劳裂纹扩展区进行表面形貌分析。 通过试验可得到应力循环次数、裂纹长度及 应力强度因子等参数。应力强度因子幅 ΔK 反映 的是裂纹顶端附近区域内各点的应力强弱程度, 为一个循环内应力强度因子最大与最小值之差, 其计算公式为 ΔK =Kmax-Kmin=(Pmax-Pmin) 1 BW1/2g a Wg a W = (2+α)(0.886+4.64α-13.32α2 +14.72α3 -5.6α4) (1-α)3/2 (2)式中:Kmax,Kmin 分别为最大和最小应力强度因子; Pmax,Pmin 分别为施加在试样两端的最大和最小载 荷;B 为试样厚度;a 为裂纹长度;W 为试样宽度;α 为裂纹长度与试样宽度的比值,即α=a/W。 裂纹扩展速率 da dN 与应力强度因子幅 ΔK 之间 的关系可由Paris公式得到,即 da dN =C(ΔK)m (3) 式中:N 为载荷循环次数;C,m 均为材料常数。
2 试验结果与讨论
2.1 断口宏观形貌
在不同条件下进行疲劳裂纹扩展试验后,所有试 样的断口宏观形貌相似。由图2可见,疲劳裂纹扩展 试验后,试样断口中有3个明显不同的区域,依次为 预制裂纹区、疲劳裂纹扩展区和塑性断裂区。采用电 子显微镜对试样断口的疲劳裂纹扩展区进行形貌分 析,从而探索不同影响因素下13Cr-L80油管钢的腐 蚀疲劳裂纹扩展行为。
2.2 应力比对腐蚀疲劳裂纹扩展行为的影响
由图3可见:不同应力比下试样的疲劳裂纹扩展 区均有明显的疲劳条带和二次裂纹,疲劳条带呈相互 图2 疲劳裂纹扩展试验后试样的断口宏观形貌 Fig.2 Macroscopicfracturemorphologyofspecimenafter fatiguecrackgrowthtest 平行的沟槽状,这是最典型的疲劳断口微观特征[24]; 随着应力比增加,二次裂纹数量呈现增多的趋势。根 据断裂力学的基本原理[25],二次裂纹能够松弛裂纹 尖端塑性变形区的局部应力,消耗裂纹扩展的能量, 阻碍裂纹扩展进程。 由图4可见,随着应力比增大,试样的应力强度 因子幅最大值减小。应力比越大,试样受到的平均应 力越大,其断裂所需的临界应力强度因子越低,使得 应力强度因子幅最大值越小;同时试样疲劳裂纹扩展 区的二次裂纹数量增多,消耗了裂纹扩展的能量,导 致应力强度因子幅最大值减小。但是应力比增大后,交变载荷周期内裂纹张开时间占比增加,“闭合效 应”相应减弱,导致裂纹开始扩展的门槛值降低,从 而提高了裂纹扩展速率。随着应力比的增加,试验 中止时的循环次数逐渐增加,这是因为高应力比降 低了应力强度因子幅最大值,即在裂纹扩展阶段,应 力强度因子处于较低水平,而裂纹扩展速率与应力 强度因子幅存在正相关关系,因此裂纹扩展速率也 处于较低水平。
2.3 加载载荷对腐蚀疲劳裂纹扩展行为的影响
由图5可见:不同加载载荷下试样的疲劳裂纹 扩展区都存在二次裂纹,二次裂纹数量随加载载荷 增大呈现减少的趋势;随着加载载荷增大,疲劳裂纹 扩展区的沿晶断裂形貌中逐渐出现韧窝等塑性断裂 特征。其原因是加载载荷增大使得裂纹待扩展区产 生明显的宏观塑性变形,塑性变形区在随后的裂纹 扩展过程中形成了韧窝等断裂特征。 在加载载荷为14kN下,试样未达到裂纹扩展 试验的终止条件就发生塑性断裂,所以未测得应力 强度因子幅最大值。由图6可见,随着加载载荷的 增大,应力强度因子幅最大值和最小值呈现上升趋 势。其原因是加载载荷增大,应力强度因子幅增大, 裂纹扩展需要克服的裂尖塑性变形区的能量增大, 导致裂纹扩展速率减小。若载荷过大(14kN),应 力循环中最小应力强度因子大于张开应力(Kmin> Kop),“闭合效应”消失,裂纹在整个应力加载过程 中都处于张开状态,裂纹扩展速率快速增大。
2.4 载荷频率对腐蚀疲劳裂纹扩展行为的影响
由图7可见:当载荷频率在0.6~0.9Hz时,疲 劳裂纹扩展区的二次裂纹数量较多,随后随着载荷 频率增大,二次裂纹数量逐渐减少;当载荷频率为 1.8Hz时,疲劳裂纹拓展区未出现明显的二次裂 纹,疲劳条带比较明显。由图8可见,随着载荷频率增加,裂纹扩展速率 不断增大,试验中止时的循环次数不断减少。其原 因是裂纹尖端应变速率加快,导致裂尖变形更加充 分,加快了裂纹扩展速率[26],使得试验中止时的循 环次数减少。
3 结 论
(1)随着应力比增大,13Cr-L80钢的应力强度 因子幅最大值减小,但疲劳裂纹扩展区上的二次裂 纹数量增加,腐蚀疲劳裂纹扩展速率增大,试验中止 时的循环次数增加。 (2)随着加载载荷增大,疲劳裂纹扩展区上的 二次裂纹数量减少,腐蚀疲劳裂纹扩展速率减小,试 验中止时的循环次数减少。 (3)随着载荷频率增大,疲劳裂纹扩展区上的 二次裂纹数量减少,但裂纹尖端应变速率加快,裂尖 变形更充分导致腐蚀疲劳裂纹扩展速率增大,试验 中止时的循环次数减少。
来源：材料与测试网