氯離子、硫化氫、二氧化碳是油、氣開采井下的介質環境,在這種環境下服役的材料, 既需要耐此環境引起的應力腐蝕又要求具有較高的屈服強度(屈服強度水平在 758~1103 MPa),井下部件或裝備(如管件、殼(盒)體和閥門)主要使用固溶強化的鎳基耐蝕合金,其屈服強度通過冷加工達到所要求的水平。對于需焊接和厚壁部件(如管件、安全閥、管道吊鉤)難于進行低成本的均勻冷加工,則采用沉淀強化的鎳基耐蝕合金制造。
氯離子、硫化氫、二氧化碳、硫的腐蝕環境對固溶強化耐蝕合金的應力腐蝕的影響十分復雜,包括溫度、pH值,各個成分含量及交互作用等,概括起來是氯離子、硫化氫、硫等加速了鎳基合金的應力腐蝕,而二氧化碳稍具緩蝕作用;介質溫度的提高和酸度增 加(pH值下降)增加了合金對應力腐蝕的敏感性。針對酸性氣井的介質環境,在 20%NaCl + 0. 5% CH3COOH +10atm H2S + 10atm CO2 + Ig/L S8(latm = 1. 01 x 105Pa)中評價了鎳基耐蝕合金的SCC行為,結果指出,不產生應力腐蝕的Cr、 Mo含量與介質溫度相關,在180℃,對62Ni-20Cr的合金需加入大于13% Mo才 能使合金不產生應力腐蝕;在200℃,對于含13% Cr, 15% Cr, 20% Cr的鎳基合金不產生應力腐蝕的Mo量分別是15%、13%和14%,詳見圖2-46,顯然高鉬含量的Ni-Cr合金具有優異的耐應力腐蝕性能。在這種酸性氣井環境中,除應力腐蝕外,尚存在氫脆和因金屬間相析出所構成的負面影響的冶金穩定性問題。因此 在確定合金的適宜鉻、鉬含量時必須兼顧上述三個因素?;赟CC (230℃, 25%NaCl + IMPa H2S + IMPa CO2 + lg/L S8, 336h,四點彎梁試驗)和氫脆 (25℃, 5% NaCl + 0. 5% CH3COOH + 0. 1 MPa H2S, 720h,應力=Rp0.2,與鐵偶合,四點彎梁試驗)以及利用心」基本原理計算的合金熱穩定性的綜合數據,給出了鎳基合金(55% ~60%Ni)適宜的Cr、Mo含量范圍(圖2-47)。圖中線1、 線2和線3所構成的三角形區域是合金的含Cr量和含Mo+0.5W量的可變動范圍,當Mo+0.5W小于12%時合金不具備耐SCC性能,線2和線3分別是 氫脆和合金冶金穩定性的限制線。按此圖,Hastelloy C-276、Hastelloy C-22、Inconel 686、Hastelloy C-2000 處于三角形所圈定成分之內。事實上,Hastelloy C-276 已 成功用于酸性氣井井下部件。
冷加工強化對固溶強化線基合金在氯離子、硫化氫、二氧化碳、硫環境中耐應力腐蝕的影響取決于介質條件腐蝕的嚴苛性,溫度的影響最明顯,對C-276合金的試驗結果見表2-41,在177℃未產生SCC,在232℃卻產生了應力腐蝕。
在含氯離子、硫化氫、CH3COOH 的環境中,沉淀硬化型鎳基合金的耐應力腐蝕性能與析出相的類型密切相關。 對于沉淀硬化型合金,為獲得所需的強度水平,沉淀硬化處理是必須實施的工藝手段,這種處理將導致這類合金的)γ'、γ”共格相和非共格相σ、η、 碳化物的析出,析出相類型和數量受合金成分、熱處理溫度和時間所制約。通常σ、碳化物的析出有害于合金的耐應力腐蝕性能,γ”的析出未影 響合金的耐應力腐蝕性能,γ” + γ'和 γ'析岀的時效硬化耐蝕合金的耐應力腐蝕性能較退火態有較大程度下降。圖2-48為 Incoloy 925 合金的(時間-溫度-相變)圖和慢速拉伸試驗的SSCC的結果(硫化物誘發的應力腐蝕破裂),可見,730℃時效硬化處理8h、24h,該合金出現SSCC, 這證實了碳化物(M7C3-M23C6)、σ相和γ'相的析出有害于合金的耐應力腐蝕 性能,而高溫析岀的σ相和η相未呈現不良作用,多半是由于在高溫利于擴散使貧化區得到修復所致,與 Inconel 600 和 Inconel 690 的脫敏處理原理一致。表 2-42的數據說明了γ”和γ'析出對沉淀硬化鎳基合金的硫化物誘發的應力腐蝕行為的影響,γ”的析出未呈現出不良影響,γ”和γ” +γ'析出的合金耐應力腐蝕性能受損,這一結果表明,在硫化物誘發應力腐蝕的環境中使用含鈮合金是適宜的。