（材料加工工程专业论文）s135钻杆钢氧腐蚀和腐蚀疲劳影响因素的研究.pdf

摘要 摘要 在石油钻井工程中，钻杆腐蚀和腐蚀疲劳是引发钻具失效的主要因素。近年 来，随着钻井向深井、大位移井、水平井等高难度井的发展，钻杆腐蚀和腐蚀疲 劳失效问题同趋严重，亟待解决。本文选用s 1 3 5 钻杆钢作为研究对象，进行钻 杆铜的氧腐蚀和腐蚀疲劳行为研究。 基于系统的理论分析和现场腐蚀产物的x 衍射分析，研究钻杆钢在3 n a c i 溶液中的氧腐蚀机理，得出钻杆钢在中性或弱碱性溶液中的腐蚀是氧去极化作 用，同时指出氧气在3 n a c i 盐水钻井液中的扩散过程控制着整个吸氧腐蚀的速 度。通过室内高压釜动态模拟试验，分别研究了钻井液中含氧量、钻井液温度、 电机钻速和钻井液盐浓度对钻杆钢的氧腐蚀速率影响规律。结果表明钻井液含氧 量和电机钻速的增加会促进钻杆钢的氧腐蚀速率，而钻井液温度和含盐量对钻杼 钢的氧腐蚀速率具有双重作用。 本文通过钻杆钢在3 5 n a c i 溶液中的三点弯曲腐蚀疲劳实验，结合理论分 析，系统深入地研究了b n k 钻杆钢和n k k 钻杼钢的近门槛区和p a r i s 区的腐蚀 疲劳行为。在对钻杆钢在p a r i s 区的腐蚀疲劳裂纹扩展速率曲线分析中采用o r i g i n 软件进行线性拟合，建立了两种铂秆钢的腐蚀疲劳裂纹扩展速率与应力强度因子 幅值之间的关系，为带有缺陷钻杆钢的剩余疲劳寿命预估提供了理论依据。运用 金相电子显微镜、图像分析仪等检测仪器揭示了钻杆钢腐蚀疲劳裂纹扩展与钻杆 钢的组织之间的关系，结果表明材料的冲击韧性和材料偏析对腐蚀疲劳裂纹扩展 速率有较大影响。最后采用数码相机和扫描电子显微镜等设备进行钻杆钢的宏观 形貌和微观形貌的特征研究，全面系统地揭示了钻轩钢在3 5 n a c l 溶液中的腐 蚀疲劳机制，即在近门槛区，钴杆钢的腐蚀以氧去极化为主，但随着应力强度因 子幅值的增大，钻杆钢的腐蚀疲劳机制是阳极溶解与氢脆共同作用。 关键词：s 1 3 5 钻杆钢，氧腐蚀，腐蚀疲劳，门槛值，裂纹扩展速率 曲北1 j 业人学l 学硕f 侥论文 a b s t r a c t i nt h ep e t r o l e u mw e l ld r i l l i n gp r o j e c t ，d r i l lp i p ec o r r o s i o na n dc o r r o s i o nf a t i g u e a r em a i nf a c t o r st oc a u s ed r i l lp i p ef a i l u r e i nr e c e n ty e a r s ，w i t ht h ew e l ld r i l l i n gt ot h e d e v e l o p m e n to fh i g h l yd i f f i c u l tw e l l s ，s u c ha sd e e pw e l l ，l a r g ed i s p l a c e m e n tw e l l ， h o r i z o n t a lw e l l e t c t h ep r o b l e mo fd r i l lp i p ec o r r o s i o na n dc o r r o s i o nf a t i g u ei s b e c o m i n gm o r es e r i o u s ，d e m a n d i n gp r o m p ts o l u t i o n t h es 1 3 5d r i l lp i p es t e e lw a s s e l e c t e da st h er e s e a r c ho b j e c ti nt h ep a p e r ；t h eo x y g e nc o r r o s i o na n dc o r r o s i o n f a t i g u eb e h a v i o ro f d r i t ip i p es t e e lw a ss t u d i e d o nt h eb a s i so ft h et h e o r ya n a l y s i ss y s t e m a t i c a l l ya n dt h ex r a yd i f f r a c t i o n a n a l y s i so fc o r r o s i o np r o d u c t s ，t h eo x y g e nc o r r o s i o nm e c h a n i s mi n3 n a c ls o l u t i o n o fd r i l lp i p es t e e lw a ss t u d i e d t h ec o r r o s i o no fd r i l lp i p es t e e li nt h en e u t r a lo rw e a k a l k a l i n es o l u t i o nw a st h ef u n c t i o no fo x y g e nd e p o l a r i z a t i o n ；a tt h es a m et i m eo x y g e n c o r r o s i o nw a sc o n t r o lb yo x y g e ni n3 n a c ld r i l lf l u i dd i f f u s i o nc o u r s eo ft h el i q u i d t h o u g ht h ed y n a m i cs i m u l a t e dt e s to ft h ei n d o o ra u t o c l a v e ，t h ei n f l u e n c el a wt h a t o x y g e nc o n t e n t ，d r i l lf l u i dt e m p e r a t u r e ，d r i l lf l u i dv e l o c i t yo ff l o wa n ds a l td e n s i t yo f t h ed r i l lf l u i dh a ds t u d i e ds e p a r a t e l y t h er e s u l ti n d i c a t e st h a tt h ei n e r e a s eo ft h e o x y g e nc o n t e n to f t h ed r i l lf l u i da n dv e l o c i t yo ff l o ww i l lp r o m o t eo x y g e nc o r r o s i o n r a t eo ft h ed r i l lp i p es t e e l ，a n di th a v ed o u b l ea f f e c t i o nt h a td r i l lf l u i dt e m p e r a t u r ea n d s a l tc o n t e n to nt h eo x y g e nc o r r o s i o nr a t eo f t h ed r i l lp i p es t e e l a t h r e e - p o i n tb e n d i n gt e s to fc o r r o s i o nf a t i g u ei n3 5 n a c ls o l u t i o n f o rd r i l l p i p es t e e lw a sc a r r i e do u ti nt h ep a p e r , c o m b i n ew i t ht h et h e o r ya n da n a l y s i s ，t h e b e h a v i o ro f c o r r o s i o nf a t i g u eo f n e a rt h r e s h o l da r e aa n dp a r i sa r e ao f d r i l lp i p es t e e lo f b n ka n dn k kd r i l lp i p es t e e lh a ss t u d i e dd e e p l ya n ds y s t e m a t i c a l l y o r i g i ns o f t w a r e w a sa d o p t e dt of i tt ot h ed r i l lp i p es t e e ll i n e a r l yw h i l ea n a l y z i n go nt h ec o r r o s i o n f a t i g u ec r a c ko fp a r i sa r e a ，t w ok i n d so fd r i l lp i p es t e e le x p a n d st h er e l a t i o nb e t w e e n t h ec o r r o s i o nf a t i g u ec r a c kr a t ea n da m p l i t u d eo ff a c t o ro fi n t e n s i t yo fs t r e s sh a d e s t a b l i s h e d ，t h et h e o r e t i c a lf o u n d a t i o ni na d v a n c ef o rt h es u r p l u sf a t i g u el i f ew i t h d e f e c td r i l lp i p es t e e lh a de s t i m a t e da n do f f e r e d d e t e c t i n gi n s t r u m e n t s ，s u c ha st h e m e t a l l o g r a p h i c e l e c t r o nm i c r o s c o p e ，p i c t u r ea n a l y s i si n s t r u m e n t ，e t c u s e dt o a i l r o u l c et h a tt h er e l a t i o nb e t w e e nt h ec o r r o s i o nf a t i g u ec r a c ka n dm i c r o s t r u c t u r eo f 摘要 t h ed r i l lp i p es t e e l ，t h er e s u l ti n d i c a t e st h a tt h ei m p a c tt o u g h n e s sa n dm a t e r i a l s e g r e g a t i o no ft h em a t e r i a lh a so b v i o u si n f l u e n c et op r o p a g a t et h ec o r r o s i o nf a t i g u e c r a c k t h em o r p h o l o g yo ft h ed r i l lp i p es t e e lw a ss t u d i e db yu s i n ge q u i p m e n t s ，s u c h a sd i g i t a lc a m e r aa n ds c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p e ，e t c w e r ea d o p t e d f i n a l l yt h e c o r r o s i o nf a t i g u em e c h a n i s mi n3 5 n a c is o l u t i o no fd r i l lp i p es t e e ls y s t e m a t i c a l l y h a do v e r a l la n n o u n c e d ，t h ec o r r o s i o no ft h ed r i l lp i p es t e e lr e l i e sm a i n l yo no x y g e n d e p o l a r i z a t i o ni nn e a rt h r e s h o l da r e a ，b u tw i t ht h ei n c r e a s eo ft h ea m p l i t u d eo ff a c t o r o f i n t e n s i t yo f s t r e s s ，t h ea n o d ed i s s o l v e sa n d a c t so nt h eh y d r o g e nb r i t t l e n e s st o g e t h e r w a st h em e c h a n i s mo f c o r r o s i o nf a t i g u eo f t h ed r i l lp i p es t e e l k e yw o r d s ：s 1 3 5d r i l lp i p e ，o x y g e nc o r r o s i o n ，c o r r o s i o nf a t i g u e ，t h r e s h o l d v a l u e ，c r a c kg r o w t hr a t e f h 第一掌绪论 1 1 前言 第一章绪论 随着现代工业的快速发展，当今社会对石油资源的需求越来越大。伴随着浅 部油气层的长期开采，各大主力油田大多已进入开发的中后期，浅层勘探很难发 现大型的油气资源，因此在今后的油气勘探中，深并、超深井和大位移井等高难 度井将成为国内外各大油气田增产上储的主要手段。近年来随着定向井、大位移 井、水平井、深井等高难度井应用的逐年增多，钻具失效断裂事故也随之增加。 钻具失效在石油钻井界是普遍存在的。在深井、超深井、大位移井等高难度井钻 井过程中，钻具的受力状况复杂，井下环境异常恶劣，处在内、外充满钻井液的 狭长井眼里工作，通常承受弯曲、挤压、扭转、液体压力等载荷，因此钻具在井 下的运动是一个复杂的动力学系统。钻井液是由固体、液体和化学处理剂组成的 复杂混合液，碱性极强，p h 值大多在7 1 1 之间。在钻井过程中，由于钻井液及 其它腐蚀介质( 如硫化氢、二氧化碳等) 和复杂交变应力的共同作用，会严重降低 钻具的疲劳寿命，使钻具极易发生腐蚀疲劳断裂事故。钻具的腐蚀疲劳断裂没有 疲劳极限，因此很难预测其疲劳寿命，危害性极大。钻井过程中钻具在任何部位 断裂都会造成严重的后果，导致油井报废。美国的统汁和估算表明：1 4 的钻柱 断裂事故发生在井上，平均每发生一次损失约1 0 6 0 0 0 美元，这是正常消耗以外 的巨额费用。据统计我国每年必须用数亿元人民币的外汇进口各种规格的钻杆和 钻铤。 在塔里木、中原、江汉、胜利等一些油田，部分井采用欠饱和甚至饱和氯化 钠泥浆作为钻井液。在这种工况下，钻杆同时处于氧腐蚀、冲蚀和应力腐蚀状态。 在这种工作环境下，钻杆的疲劳强度显著降低。钻杆内涂层在这种交变载荷和腐 蚀性很强的介质的联合作用下，极易发生龟裂和脱落，使钻杆钢的腐蚀疲劳速率 明显加快，大大缩短了钻杆的使用寿命。另外，在钻入油气层、欠平衡钻井之后 为了保护油气层，常需改用氯化钠盐水或天然卤水压井。有时也直接用这种盐水 做钻井液。钻轩在这类腐蚀介质中工作或起钻、完钻后未按照操作规程对钻杆认 真地用淡水清洗，致使一些残留的腐蚀液附着在钻杆内壁导致内壁发生严霞腐蚀 以及对钻杆内涂层产生不同程度的损坏。 根据管材研究所2 0 0 3 年对国内十几个油田调查资料统计：全国每年发生钻 p q 北i 业人学i 学硕十学侍论文 具断裂事故约1 0 0 0 起，其中约7 0 发生在深，牛、定向井、大位移井、水平井等 高难度井中。在管材研究所1 9 9 9 年到2 0 0 3 年完成的钻具失效分析中，有7 2 的事故与高弯f j 应力、高摩阻、腐蚀介质等复杂厂况有关。在复杂f ：况下钻柱主 要失效类型为钻柱腐蚀、钻柱腐蚀疲劳断裂、钻柱接头摩擦热纵向开裂、钻铤螺 纹疲劳断裂以及钻杆的氢脆等。钻柱腐蚀疲劳失效，在钻柱失效中约占4 0 ，且 以钻杆为主。统计表明：住钻卡t 失效巾，约8 0 为腐蚀疲劳。由此可见，石油钻 杆钢的腐蚀和腐蚀疲劳倍受钻杼采购商和生产商的广泛关注。 1 2 腐蚀疲劳的概况 腐蚀疲劳( c f ) 是工程结构或构件在腐蚀环境与交变应力协同、交互作用f ， 因丌裂而提前失效的现象。众所周知，任何结构或构件是在一定的环境下使用的。 恶劣的环境不仅会损伤材料的表面，更重要的是会降低材料的断裂韧性，加快裂 纹的形成与扩展，甚至产生无预兆的突然断裂。当交变应力的频率为f 应力为 。时，应力条件有两种：静态载荷o ( 仁o ) 及交变载荷o ( 1 o ) 。它们与腐蚀条件 ( c o 表示腐蚀环境，c = 0 表示非腐蚀环境) 可有如下的五种组合1 1 1 ： ( 1 ) o = 0 ，f = 0 ，c 0 一腐蚀 ( 2 ) o o ，f = 0 ，c = 0 一形变断裂 ( 3 ) o 0 ，f 0 ，c = 0 一疲劳 ( 4 ) o o ，f = 0 ，c 0 一应力腐蚀 ( 5 ) o 0 ，f 0 ，c 0 一腐蚀疲劳 由此，我们可以看出腐蚀疲劳与疲劳、应力腐蚀的关系密切，并且比它们更 为复杂；在疲劳研究的基础上，考虑腐蚀介质的协同作用：在应力腐蚀研究的基 础上，引入交变应力的影响。 腐蚀疲劳与疲劳相比，除了具有疲劳的特性之外，更有其独特的特点【2 ： ( 1 ) 腐蚀疲劳的裂纹形成寿命比疲劳短，裂纹扩展寿命占总寿命比例很大； f 2 1 腐蚀疲劳的s n 曲线没有水平段，即使在淡水中也一样，这就意味着腐 蚀疲劳没有疲劳极限： ( 3 ) 腐蚀疲劳强度与应力循环的频率有关，在整个试验范围内都是这样。而 疲劳在交变应力频率小于1 0 0 0 h z 时，频率基本上对疲劳极限没有影响： ( 4 ) 腐蚀疲劳断口有铁锈产生( 不锈钢除外) ； r 5 ) 同种材料的腐蚀疲劳强度比疲劳强度低。 比较应力腐蚀与疲劳腐蚀，也可以得到如下的差别i 7 】： 2 第一罩绪论 ( 1 ) 产生条件：应力腐蚀的条件：1 ) 敏感的金属；2 ) 特定的介质环境；3 ) 应力 状态，特别是拉应力分量的存在。腐蚀疲劳的条件：1 ) 环境介质；2 ) 交变应力。 ( 2 ) 裂纹的靖生和扩展：应力腐蚀裂纹和腐蚀疲劳裂纹均起源于材料表面。 在较强的腐蚀介质和较大的应力条件下，应力腐蚀裂纹甚至可以从光滑表面产 生，而腐蚀疲劳裂纹无一例外地起源于应力集中出。应力腐蚀多分叉，而腐蚀疲 劳裂纹在大多数情况下是穿晶，很少分叉。 ( 3 ) 裂纹的皿临界扩展速率、应力强度因子和频率的关系：腐蚀疲劳裂纹扩 展速率虽受到频率的影响，但在大多数情况下起控制作用的还是应力强度因予。 应力腐蚀开裂发生在应力强度因子之上，主要是时间控制的。 ( 4 ) 断口形貌：应力腐蚀裂纹的慢速扩展区通常比腐蚀疲劳断口显得粗糙， 而且没有腐蚀疲劳的贝壳花样。 1 3 腐蚀疲劳的历史回顾 金属的腐蚀疲劳是化学工业、油气开采及加工工业、热能工业、造船工业、 海洋丌发业中常见的失效方式之一。自从1 9 1 7 年h a l 曲首先在腐蚀疲劳实验室 试验报告中提出腐蚀疲劳现象以来，距今已有近1 0 0 年的历史。此后直到1 9 2 6 年才有m c a d a m 和l a h m a n n 出版了著名的有关腐蚀疲劳的论文，前者并引进了 新词“腐蚀疲劳”。他们发表的论文激发了大家的兴趣，随后大量的研究均围绕 该题目展开。1 9 3 0 年，h a r v e y 写道：“现在，腐蚀疲劳现象的发现是二十世纪冶 金学的重大进展，最初四年的研究显示，腐蚀疲劳是遭受重复应力的产品的主要 问题”。在这之后人们逐渐认为腐蚀疲劳是许多失效的原因，主要包括海军的传 动轴，驾驶杆和摩托车轴，锅炉和耐热管，泵杆，以及其他设备。从上个世纪 4 0 年代到5 0 年代，腐蚀疲劳的研究主要围绕油田的抽油管，矿山的岩石输管， 火车轴，船壳等方面而展开。 自5 0 年代初期起，随着断裂力学学科的发展，疲劳裂纹扩展问题日益得到 重视，人们认识到在绝大多数工程结构应用实例中的疲劳损伤是由循环作用的应 力和外界环境因素共同作用的结果所造成的，因此腐蚀疲劳裂纹扩展的研究便成 为评估结构完整性、耐久性和可靠性以及优化结构的主要内容。6 0 年代中期 b r o w n 和b e a c h e m 开创了s c c 测试采纳线性弹性断裂机理方法取得的结果，吸 引了大批的研究人员进行腐蚀疲劳的研究。另外l e c k i e 首先采用施加电位的方 法来硪究静止放置的带有裂纹试样的裂纹生长速率与施加电位的关系。这种方法 后来成为腐蚀疲劳裂纹生长( f c g ) 和丁作条件下预防腐蚀疲劳的主流方法。不过 阳北1 业人。学i 。学硕十学位沧文 当时人们对腐蚀疲劳的认i ： 还局限于腐蚀疲劳机理和腐蚀疲劳性能的基础研究 方面。环境凶素对疲劳裂纹扩展影响的研究在6 0 年代中期得到迅速的开展，并 延续了近2 0 年的时l 日j 。 后来随着人们对工程结构和构件的使用寿命不断提高，特别是随着飞机、船 舶等工程构件使用中暴露出来的腐蚀疲劳问题越来越严重，自7 0 年代以来，腐 蚀疲劳引起了各国科学家和工程技术人员的广泛重视，研究工作由5 0 一6 0 年代的 基础研究方面逐渐转到腐蚀疲劳的应用研究方面。在这期间腐蚀疲劳研究分析方 面呈现两个明显特征。首先，大力研究腐蚀疲劳生长速率；首要的任务是确定丌 裂生长机理，主要从以下因素中确定：合金元素，热处理，阴邝日极保护参数， 以及缓蚀剂等。其次发展了两种重要的物理检测方法( 一种是采用预裂纹试样和 应用裂纹力学方法，另一种是慢应变速率测试技术( s s r t ) ) ，极大地提高了材料 检测数据的可信度。此外，这期间还出版了很多成绩斐然的研究成果：如1 9 7 1 年，b a r s o m 首先指出低于k 【s c c 时环境对腐蚀疲劳的作用只在逐渐增大的张应 力下才有效；1 9 7 7 年，a u s t i n 和w a l k e r 认为在腐蚀疲劳裂纹生长的模型中，独 立的机械和化学作用是竞争而不是叠加的：他们提出假设，在环境疲劳裂纹生长 速率中取决于两个因素哪个更占优势，这也包括机械疲劳或循环腐蚀疲劳。8 0 年代主要的进展是在静态、动态和环形载荷下建立精确的模型，测定裂纹和裂缝 的化学以及生长的结果。t u m b u l l 和f e r r i s s 报道了在腐蚀疲劳裂纹生长条件下， 化学因素对裂纹的限制。该研究支持了b r o w n 早期的研究成果，并对b r o w n 的 遗漏部分作了科学的补充和分析。此间发表的论文对今后研究环境对裂纹生长的 影响研究起了引导作用。不久之后人们就开始采用预裂纹试样或断裂力学来解释 腐蚀疲劳试验。预裂纹试样和断裂力学的使用变得很普遍。 近2 0 年多年来，物理学家和冶金学家使用扫描隧道显微镜、俄歇电子显微 镜、扫描电子显微镜和透射电镜等现代分析检测手段，并借助位错理论，力图从 微观方面解释腐蚀疲劳的基本现象，研究腐蚀疲劳失效机制：工程技术人员借助 高速计算机和断裂力学的发展，从宏观方面力图采用简单的实验室试验数据和半 经验的设计理论去设计零件及系统。大量的研究工作集中在腐蚀疲劳裂纹门槛、 疲劳短裂纹、变幅疲劳、环境介质及复合加载下的疲劳，但总的看来，尚无重大 的突破性进展。值得注意的是随着材料使用条件的苛刻，对材料本身的质量和性 能提出了更高的要求，而随之产生的腐蚀疲劳问题也将同益受到人们的重视【3 4 j 。 第一章绪论 1 4 腐蚀疲劳机理 1 4 1 气相腐蚀疲劳机理 气相腐蚀疲劳又称干腐蚀疲劳，指在不含水的气体介质中的疲劳现象。在气 相腐蚀疲劳过程中，腐蚀性气体与金属材料通过化学腐蚀起作用，降低疲劳寿命。 气相腐蚀疲劳的机理，主要有4 种模型【6 】： 1 ) 气体介质溶解模型； 2 ) 氧化膜阻碍滑移模型； 3 1 氧化膜强化表面模型； 4 ) 气相吸附表面能降低模型。 这些模型适应于不同条件下的腐蚀疲劳。由于本文研究的腐蚀疲劳属于液相 腐蚀疲劳范畴，所以仅讨论液相腐蚀疲劳枫理。 1 4 2 液相腐蚀疲劳机理 液相腐蚀疲劳是指在电解质溶液，尤其是含水的液体介质中的疲劳现象。在 液相腐蚀疲劳过程中，腐蚀性电解质与金属材料通过电化学腐蚀起作用，降低疲 劳寿命。液相腐蚀疲劳，与空气中的疲劳有很大的不同。就光滑试样丽言，空气 中疲劳时裂纹形成寿命约占总寿命的9 0 ，而裂纹扩展寿命仅占1 0 。腐蚀疲 劳则相反，裂纹形成寿命减少到仅占腐蚀疲劳总寿命的1 0 ，裂纹扩展寿命则要 占9 0 t 6 1 。 对腐蚀疲劳过程的认识可以从两个方面考虑，一是介质如何加速了裂纹的萌 生和扩展；二是循环形变怎样促进腐蚀过程的发展。介质、形变对材料的交互作 用在过程各个阶段所起作用是不同的，腐蚀疲劳规律是比较复杂的，e l 前对腐蚀 疲劳的机理仍有不少争论，比较流行的观点f i 是腐蚀应力集中、选择性电化学侵 蚀、钝化膜的开裂、介质吸附和氢致开裂等。 1 1 腐蚀应力集中：这种观点认为腐蚀造成的表面蚀坑引起应力集中，促迸 裂纹萌生。支持这种观点的实验事实是腐蚀疲劳裂纹多在半圆形的蚀坑底部出 现，如钻杆的腐蚀疲劳失效即是如此。在先腐蚀的疲劳试验中，预腐蚀时间越长， 腐蚀强度下降越多。但后来有人发现蚀坑不完全是产生腐蚀疲劳的必要条件，如 低碳钢在酸性介质中不产生蚀坑，腐蚀疲劳强度仍然显著下降，而在p h 值为1 2 的盐水溶液中，金属表面尽管产生了一些蚀坑，但腐蚀疲劳强度却变化不大，腐 曲北i 业人学【学顷十学 帝论文 蚀疲劳裂纹并沿着蚀坑萌，卜。冈此这种观点比较适用丁解释活性腐蚀疲劳。 2 ) 选择性电化学侵蚀：这种观点认为疲劳过程中产生集中形变区，这种区 域中的位错组念或杂质沉淀与基体不同，在动念过程中这个形变集中区首先发生 阳极溶解。随着疲劳过程的滑移形态的反复进行，溶解不断进行，从而出现腐蚀 沟，引起应力集中而导致裂纹萌生。 3 ) 钝化膜开裂：这种观点仅适用于钝化态腐蚀疲劳。许多金属都能形成钝 化膜，但疲劳过程表面滑移台阶能破坏钝化膜，裸露出的金属在介质中发生阳极 溶解。当钝化膜被修复后溶解停止，下一循环的滑移开始又重复同一过程，其结 果形成了微观沟槽，并使滑移越来越集中在该处，以至最终形成腐蚀疲劳裂纹。 4 ) 介质吸附和氢致开裂：这种观点与应力腐蚀丌裂性质的溶解很相似，一 般认为在金属材料表面分解的氢通过扩散进入金属，在三轴应力状态的裂纹尖端 塑性区聚集成原子团使微裂纹形成，微裂纹与主裂纹前缘相连接而使裂纹向前推 进。这种观点的另一说法是由于裂纹尖端金属表面吸附氢之后表面能降低，使裂 纹尖漏以张歹t 型断裂方式扩展。支持上述这种观点的实验事实有：钢在水溶液或 水蒸汽中的疲劳断口有准解理和沿晶小平面状形貌，这些小平面在铁索体中出 现，并非由裂纹一次向前推进造成上面有规则的疲劳纹。研究人员认为这些脆性 条纹是在主裂纹前形成的微裂纹，然后通过撕裂使微裂纹与主裂纹相连。 上述四种流行观点前三种着重于解释腐蚀疲劳裂纹的萌生，而后一种观点着 重于解释裂纹的扩展。如前所述，腐蚀疲劳与应力腐蚀既有区别又有联系，在同 一过程中可能既存在腐蚀疲劳问题，也有应力腐蚀开裂问题。对腐蚀疲劳过程裂 纹扩展的贡献可用应力腐蚀开裂的裂纹扩展速率来描述。在钝化体系中，裂纹萌 生行为主要受膜破裂机制或点蚀机制控制，而在活化体系中，阳极溶解和氢脆机 制的作用更明显。 1 5 腐蚀疲劳影晌因素 腐蚀疲劳是涉及多个学科的复杂问题，来自力学、化学、冶金学等各个方面 的因素都会对其产生影响。科学家和工程研究人员通过大量的试验，研究发现： 影响腐蚀疲劳的因素很多，主要包括力学因素、环境因素和材料因素。力学因素 包括：平均应力、应力范围、应力比、频率以及载荷波形。环境因素包括溶液的 p h 值、溶解氧的浓度以及温度。材料因素包括机械方面和冶余方面：前者主要 是几何的不连续性，如钻杆过渡区、表面凹坑和表面划痕；后者主要与晶粒的尺 寸以及分靠、相和二次相( 夹杂物) 有关【8 i 。下面分别从环境因素、加载频率、力 6 第一章绪论 学凶素等各个方面阐述它们对腐蚀疲劳的影响。 1 5 1 环境因素 环境介质是影响金属腐蚀疲劳的主要因素之一，其中包括介质温度、成分， p h 值等。石油钻杆运行时所处的环境介质是泥浆，而泥浆的种类繁多，成分复 杂，p h 大多在7 1 1 之间，为弱碱性介质。泥浆的温度与油井深度有关，一般地 温梯度为2 ，46 c 1 0 0 m 3 0 。| c 1 0 0 m 。 1 51 1 介质温度 腐蚀和疲劳都是温度活化过程，所以温度的升高会加速裂纹扩展。研究表明 ：1 0 1 ，低碳钢在人造海水中，当海水由1 5 升温至4 5 c 时，其疲劳性能下降，如 图1 - i 所示，研究表明：温度从1 5 。c 升至3 5 。c ，疲劳寿命约降低一半。 口 雹 u 罂 r 谢 铰 循环寿命( 1 0 次) 幽l - l 温度对低碳钢在人造海水中疲劳特性的影响”1 f i g 1 1e f f e c t o f t e m p e r a t u r e o n f a t i g u e p r o p e r t y o f m i l d s t e e l i n t h ea r t i f i c i a ls e a w a t e r l i o j 对于g 1 0 5 钻杆钢而言，在低k 区域，介质温度从2 5 升至6 0 时对腐 蚀疲劳裂纹扩展速率影响不大；而在中等k 区域，试样在6 0 c 介质中的裂纹 扩展速率要明显高于2 5 时的d a d n 值【9 l ，如图l 一2 所示。 两北f ：业人学1 学硕十学僦论文 三 望 鼍 王 k w p & m 2 7 2 图l - 2 温度对钻杆钢腐蚀疲劳裂纹扩展速率的影响9 l f i g 1 2e f f e c t o f t e m p e r a t u r eo n t h ec o r r o s i o n f a t i g u ec r a c k g r o w t hr a t e o f d r i l l p i p es t e e l f 9 】 1 5 1 2p h 值 研究表明【1 0 l ，低碳钢在3 n a c i 溶液中，当溶液p h 在4 l o 范围内变化时， 疲劳寿命没有随之发生变化；当p h = 1 2 时，寿命突然增大；而p h = l 时，寿命减 图1 - 3 溶液p h 值对低碳钢在3 n a c i 溶液中的疲劳寿命影响m 1 f i g 1 3e f f e c to f p ho i lf a t i g u el i f eo f t h em i l ds t e e li na3 n a c i s o l u t i o n 【1 q 8 第章绪论 少。当p h = 1 2 时，寿命突然增大；而p h = l 时，寿命减少，如图1 3 所示。在溶 液p h 在4 1 0 范围内寿命不发生变化的原因，可以解释为疲劳裂纹尖端区溶液 的酸度由于腐蚀过程的自催化作用而始终保持在3 , - - 4 的范闱内，当p h 1 0 或p h c 2 时，裂纹尖端区p h 值难以保持恒定，从而寿命受到影响。 美国的a z a r , j a m a lj 等人【1 1 1 研究了钻井液的p h 值( p h 在8 1 0 之间) 对钻杆 钢腐蚀疲劳性能的影响，结果表明：p h = 8 时的腐蚀疲劳性能要优于p h = 9 ，并且 仅比p h = 1 0 时的腐蚀疲劳寿命期望值减少1 ，如图1 - 4 所示。c r a w f o r d 的研究 表明【8 i ：水溶液的p h 值升高到9 5 的时候将增加腐蚀速率。进一步的研究结果 表明：p h 值的持续增加将会减慢材料腐蚀速率。然而当p h = 1 0 5 时的腐蚀速率 仍要高于p h - - 4 时的腐蚀速率。w i l s o n 等人m 链一步研究了p h 值对疲劳寿命的 影响，结果表明：为了预防腐蚀，应将泥浆的p h 值控制在l o 5 或是更高。 图1 4p h 值对d 级钻杆材料的腐蚀疲劳寿命的影响| 1 1 1 f i g 1 - 4e f f e c to f p ho nc o r r o s i o nf a t i g u el i f eo f g r a d ed d r i l lp i p es t e e l 【“ 1 5 1 3 介质成分 金属在蒸馏水中的疲劳强度要低于空气中的疲劳强度，而金属在盐水中的疲 劳强度又总是比纯水中的更低。但这种疲劳强度的降低，并不总是随溶液浓度的 增加而增加。例如，低碳钢在n a c l 溶液中当浓度在0 0 2 5 l m o l d m 3 内变化时， 疲劳强度变化显著。但当浓度在l 2 1 m o l d m 3 内变化时，疲劳强度的降低差别不 大【3 】。d a l e t 踟于1 9 8 8 年发布了钻杆钢项目的数据，该项目主要是考察钻井液环境 对腐蚀疲劳裂纹扩展速率的影响，尽管该项目主要研究钻铤的全尺寸腐蚀疲劳， 9 荫北f 业人学j 学硕十学侮论文 但也包括在不同钻井液中的一系列挂片腐蚀疲劳试验。在5 h z 的实验条件下， 其结果表明，钻井液的成分变化对腐蚀疲劳裂纹的扩展速率没有明显的影响作 用。 此外，a z a r 1 6 1 还研究了0 2 、c 0 2 对钻杆钢腐蚀疲劳寿命的影响。他指出： 与不含溶解氧的泥浆相比，仅含3 p p m 的溶解氧就可以使其疲劳寿命可以减少一 半：增加c o z 的浓度也可以减少疲劳寿命，但没有溶解氧那么明显。 1 5 2 力学因素 1 。5 2 1 加载频率 加载频率决定裂尖的应变速率和电化学反应时间，决定裂纹扩展单位长度的 电化学时间。随着循环加载频率的降低，材料的腐蚀疲劳寿命也会降低，频率降 低使对材料的腐蚀疲劳寿命降低的个主要原因是腐蚀是时间的函数。在同等应 力下，试样断裂前在腐蚀介质中的时间大大增加，试样表面被侵蚀形成腐蚀坑而 成为裂纹源的几率增加，此外在同一周期内，低频下应力上升的时间增长，即每 一个周期是应力与介质交互作用的时问增加，从而导致在低频下材料表面更易破 坏而降低疲劳寿命。 加载频率对腐蚀疲劳性能的影响，不仅直接同环境作用时间( 每循环内) 长 短有关( 无论是阳极溶解、膜破裂还是氢脆损伤，都与反应速率和传质过程速率 有关，即与时间有关) ，更与裂纹尖端应变速率有直接关系，当频率很高时，裂 纹尖端应变速率很快，环境作用来不及进行，对疲劳损伤的促进作用便降低；频 率降低，使应变速率与电化学反应速率相当，环境对疲劳破坏便起着显著的加速 作用。这是加载频率对腐蚀疲劳裂纹扩展影响的共同规律【3 l 。宋余九等【l2 1 人的研 究了载荷频率对石油钻杆钢腐蚀疲劳的影响。研究结果表明：对于曼内斯曼生产 的o 一1 0 5 钢在0 5 h z 和5 h z 时的d a j d n k 曲线如图1 - 5 ，在两种频率下，虽然 g 1 0 5 钢都是腐蚀疲劳破坏，但是载荷频率不同其裂纹扩展速率有明显差别。低 k 时两种频率的d a d n 值重合，但随着k 值的增加，两者d a d n 值的差别也 随之加大，低频下的腐蚀疲劳速率要睨显高于高频下的腐蚀速率。p e t t i t 1 5 1 研究 了s 1 3 5 钻杆钢在海水中频率对材料疲劳寿命的影响。研究结果表明：如果频率 从2 0 i - i z 下降至1 h z 时，材料的疲劳寿命降低5 0 ，如果从l h z 再下降至0 , 2 h z 时，材料寿命仅降低2 0 。这为我们今后进一步研究钻杆钢的腐蚀疲劳影响因素 的试验方案设计提供了实验依据。 1 0 第一章绪论 蚩 崔l o 墨 兰 是 1 0 图1 - 5 加载频率对腐蚀疲劳裂纹扩展速率的影响 f i g 1 5e f f e c t o f l o a d f r e q u e n c y o nc o r r o s i o n f a t i g u ec r a c k g r o w t hr a t e 1 5 2 2 平均应力和应力范围 大量的试验研究表明，平均应力对碳钢在氯化物溶液和盐水溶液中的疲劳强 度有影响。压缩平均应力对提高腐蚀疲劳性能有促进作用，而拉伸平均应力则降 低腐蚀疲劳强度。g y g r o n d i n 等 1 3 1 人在3 5 n a c l 溶液中进行了平均应力和应力 范围对e 级钻杆钢的腐蚀疲劳寿命影响的研究。试验结果如图l - 6 所示：随着应 ( ) 应力范围对疲劳寿命的影响 l l _m尊。目出l暑 骨白b-善篇n篁 幽北j 业人了：17 学颂十学位论文 f 薏弋”弦 ；r e s t 过蛩 ( b ) 平均应力对疲劳寿命的影响 图1 6 应力范围和平均应力对钻杆钢疲劳寿命的影响i ”】 f i g 1 6e f f e c to f s t r e s sr a n g ea n dm e a ns t r e s so nd r i l lp i p es t e e lf a t i g u el i f e ( a ) e f f e c to fs t r e s sr a n g eo nf a t i g u el i f ea n d ( b ) e f f e c to fm e a ns t r e s so nf a t i g u el i f e 力范围的降低，腐蚀疲劳寿命增加，并且随着平均应力的降低，钻杆钢的腐蚀疲 劳寿命也增加，但是增加的幅度要低于应力范围对疲劳寿命的影响。 1 5 3 冶金因素 研究表明，高强度钢在水介质中的抗腐蚀疲劳行为受很多因素的影响。除了 载衙和环境的因素外，还同一系列冶金和结构的因素如晶粒度、晶界夹杂偏聚、 硫化物夹杂、淬火组织类型、马氏体精细结构、残余奥氏体的数量和分布形态等 有关。徐培元等人f 1 4 1 研究了冶金质量和淬火温度对4 0 c r n i m o a 钢腐蚀疲劳性能 的影响。试验结果表明：对于不同淬火温度得到的真空钢和电炉钢，电炉钢的腐 蚀疲劳裂纹扩展速率均要高于相同的应力强度因子范围值下真空钢的值。另外， 对于冶炼工艺相同而淬火温度不同得到的4 0 c r n i m o a 钢，淬火温度越高，其腐 蚀疲劳裂纹扩展速率越快。最后得出：决定4 0 c r n i m o a 钢在水介质中腐蚀疲劳 裂纹扩展速率的主要因素是断裂机制，而断裂机制在这里主要由裂纹扩展过程中 裂纹莳端塑性区尺寸r ，和材料的原始奥氏体晶粒尺寸孑的相对大小决定。同时， 金属的成分、组织等材质因素对材料的腐蚀疲劳也有影响，但目前尚无规律性的 研究。 2 叫皂竹竹p暑再_毒焉-ils 第一章绪论 = = j 鼻= i , i i e = | = = = ! ! ! ! = ! ! = ! ! = ! = ! = = = = = | = _ _ _ _ e 自= j = ! e = ! = ! ! = = = ! = | = = _ 目# # # ! = = ! ! ! ! ! ! = = i 一 1 6 腐蚀疲劳裂纹扩展 随着断裂力学学科的发展，疲劳裂纹扩展l 口j 题f l 益得到重视。人们 认识到在 绝大多数工程结构应用实例中的疲劳损伤是由循环作用的应力和外界环境因素 共同作用造成的。因此，腐蚀疲劳裂纹扩展的研究便成为评估结构完整性、耐久 性和可靠性以及优化结构的主要内容。由于腐蚀疲劳是涉及多个学科的复杂问 题，来自力学、化学及冶金学等方面的因素都会对其产生影响，这就会带来应用 各种环境参与的裂纹扩展模型时诸多困难与不便，因而，人们转而去寻求适合工 程应用的方法。根据各种高强度材料和环境介质所构成的不同系统的腐蚀疲劳试 验结果可以发现腐蚀疲劳裂纹扩展速率与应力强度因子幅之间存在有3 种典型 的关系图f l s j 9 j 0 ，如图1 7 所示。 类型a 墨w d i 凡 i g 从 ( b ) 袭掇b“) 类貔c 图1 7 腐蚀疲劳裂纹扩展速率与应力强度因子关系的分类 f i g 1 - 7c l a s s i f i c a t i o nb e t w e e nc o r r o s i o nf a t i g u ec r a c kg r o w t h r a t ea n ds t r e s si n t e n s i t yr a n g e ( a ) t y p e a ，( b ) t y p e ba n d ( c ) t y p e c a 型：( d a d n ) 。，一a k 曲线类似常规疲劳( d a m n ) r 置曲线的规律。介质 的存在使( d a d n ) 。，一a k 曲线的应力强度因子门槛值脯。较常规疲劳的相应值 小，而裂纹扩展速率较常规疲劳的裂纹扩展速率大，当a k 接近金属材料的断裂 韧性时，介质的影响减小，裂纹扩展很快。铝合金和水介质系统属于这种类型。 b 型：在( d a d n ) 。随应力强度因子幅变化的曲线类似应力腐蚀裂纹扩展曲 线，当a k 置，。时，介质对 腐蚀疲劳裂纹扩展速率的影响极大，出现水平台阶。一般情况下高强度钢和氢介 p t i 1 li 业人学i ：学硕十。学俯论义 质属于这种类型。 c 型：这一类型是a 型和b 型的混合型，大多数材料和介质组成的系统属于