石油钻井由于深度增加，需采用高强度油套管材。高强度油套管在酸性环境中会面临更严峻的环境开裂风险[1-6]，因此，探究酸性环境下油套管的充氢及氢损伤行为对油气田安全生产具有重要意义[7]。
C110钢因具有强度高、抗酸性能好的特点，被广泛应用于含硫油气田的开发[8]。随着钻井深度的增加，高强度油套管钢材被更多地应用在油气生产中，如Q125和Q140钢。油套管钢氢损伤研究目前主要采用的是NACE A法，但该方法条件苛刻，实验周期长，不能快速便捷评价钢材的氢损伤行为，对钢材进行电化学充氢是研究氢损伤行为的一种快速实验方法。钟强等[9]依据NACE TM 0177-2016《Laboratory Testing of Metals for Resistance to Sulfide Stress Cracking and Stress Corrosion Cracking in H2S Environments》，指出相较于普通P110钢，抗酸性高强度低合金钢的固溶氢含量及氢的有效扩散系数较小，抗SSC性能更好。杨勇进等[10]研究了不同充氢电流密度下S135钻杆的充氢行为，并计算出了S135钻杆氢致开裂门槛应力。袁曦等[11]指出L245钢在饱和H2S气田模拟水与缓蚀剂条件下，充氢作用显著降低。Wang等[12]指出充氢和应力腐蚀会导致80SS合金钢发生损伤并导致应力腐蚀敏感性增强。Liu等[13]发现在湿H2S环境中C110钢的表面氢浓度随着H2S含量的增大呈指数级增大。由上述研究可知，对于C110及更高强度钢材的氢损伤行为研究还鲜见报道。
为此，开展了充氢前后C110、Q125和Q140油套管钢的拉伸力学性能测试和断口形貌分析。通过对比充氢前后的拉伸力学性能变化以及宏微观断口形貌，分析充氢对高强度油套管钢的损伤影响规律和氢损伤机制，为酸性油气田高强度油套管选材提供依据。
采用C110、Q125和Q140 3种高强度钢，研究酸性环境下油井管材的氢损伤行为。管材的化学成分见表 1，3种管材均符合ISO 11960：2020《Petroleum and natural gas industries-Steel pipes for use as casing or tubing for wells》。
采用洛式硬度计(华银200HRS-150)，依据GB/T 230.1-2018《金属材料洛氏硬度试验第1部分：试验方法》测试3种钢的硬度，C110钢的平均硬度为27.4 HRC，Q125钢的平均硬度为47.4 HRC，Q140钢的平均硬度为33.6 HRC。采用金相显微镜(ZEISS HAL-100)观察3种钢的金相组织及夹杂分布(图 1)，3种钢材的非金属夹杂物均为环状氧化物D类1级细，金相组织均为回火索氏体，其中C110钢的晶粒度为6.0级，Q125钢的晶粒度为6.0级，Q140钢的晶粒度为6.5级。
按照NACE TM 0177-2016采用试样尺寸见图 2。实验分为两组进行，其中一组使用恒电流仪对试样进行恒电流充氢，另一组不充氢，作为对照实验。充氢电流密度为10 mA/cm2，充氢时间为48 h，充氢溶液为NACE B溶液(饱和H2S+3.5%(w) NaCl溶液，下同)。模拟油气田生产中的酸性环境，辅助电极为铂片，实验开始前需先向溶液中通入N2除氧，充氢装置如图 3所示。
采用MTS810拉伸试验机测试C110、Q125和Q140 3种套管钢的拉伸性能。试样依照NACE TM0177-2016中φ=6.35 mm标准进行加工，拉伸实验参照GB/T 228.1-2021《金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》执行，实验温度为室温(23 ℃)，拉伸速率为1 mm/min，实验设置两组试样对照进行，分别为未充氢的原始材料和充氢48 h后的实验材料。通过充氢前后钢材拉伸力学性能的变化，评价钢材在酸性环境下的适用性。
油套管现场服役环境恶劣，受力情况复杂，通过充氢前后钢材的拉伸力学性能变化分析不同强度钢材在酸性环境下的氢损伤行为[14-16]。3种钢材充氢前后的力学性能测试结果见表 2和图 4。
由表 2可知，3种钢材中Q140钢的屈服强度、抗拉强度均最大，Q125钢次之，C110钢的强度最小。同时，3种钢材充氢后的屈服强度和抗拉强度均有所降低，断后延伸率也发生了程度不一的下降，其中C110的屈服强度、抗拉强度和断后延伸率的下降幅度最小，而Q140钢的下降幅度最大。表明钢材强度会影响材料的抗氢损伤能力，钢材强度越高，环境开裂风险越大。根据实验数据结果绘制的3种钢材的应力-应变曲线如图 4所示。
3种高强度钢充氢前后的力学性能变化见图 5。由图 5可知，充氢实验后管材的屈服强度和抗拉强度均不同程度减小，表明3种钢材均发生了氢损伤。其中，Q140钢和Q125钢的屈服强度和抗拉强度降低幅度均在5%左右，而C110钢的屈服强度和抗拉强度下降幅度仅为1.7%左右，说明管材强度越高，对氢损伤越敏感。3种钢材中C110钢夹杂物含量最少，强度最低，其屈服强度和抗拉强度降低幅度也最小。由图 5(c)可知，C110钢充氢后的断后延伸率依然大于Q125钢和Q140钢，且充氢后的断后延伸率降低幅度最小，表明3种材质中C110钢的塑性最好，最不易引发氢脆。
3种钢材充氢前后的断口形貌见图 6。由图 6(a1)、图 6(b1)和图 6(c1)可以看出，充氢前试样断口为韧性断裂，由内向外分布为纤维区、放射区、剪切唇区3个特征区。中央呈现出粗糙的纤维状，判断为正断型断裂。进一步向外可以观察到典型的放射线纹路，其中纹路方向代表裂纹扩展方向，为放射区，标志着裂纹由缓慢扩展转化为快速的不稳定扩展，断口最外侧较光滑的区域则为剪切唇区，是断裂最后阶段[17-18]。
进一步对断口形貌进行微观分析可知(图 6(a3)、图 6(b3)和图 6(c3))，C110钢在充氢前即分布有微小的孔洞和韧窝，也可观察到明显的撕裂纹，Q125钢和Q140钢也有少许的微孔洞分布，结合宏观断口处的裂纹，判断是由于金属材料内部的夹杂分布不均匀导致拉伸断裂过程中产生了宏观裂纹。对比3种钢材充氢后的断口形貌(图 6(a2)、图 6(b2)和图 6(c2))可知，充氢后的试样断口出现很多的台阶状形貌，且裂纹的数量分布更不均匀，同时裂纹的尺寸更大、孔洞数量更多(图 6(a4)、图 6(b4)和图 6(c4))，表明充氢后3种钢材的抗环境开裂性能均有一定程度下降，产生了不同程度的氢损伤。同时，对3种钢材充氢前后的断口形貌进行对比可以发现，C110钢充氢前后裂纹的数量和尺寸最小，Q140钢的裂纹数量最多，裂纹尺寸最大。表明C110钢材的抗环境开裂能力最强，3种钢材的抗环境开裂能力从大到小为C110钢>Q125钢>Q140钢。
由前述部分研究结果可知，随着强度的增加，钢材的抗环境开裂能力逐渐减弱。这是由于材料的显微组织结构、热工艺处理等差异所致，金属内部存在一些晶体缺陷，如位错、晶界、夹杂物等。这些晶体缺陷处存在对应的应变场，能够和氢原子自有应变场发生相互作用，氢原子质量较小，当氢原子向金属内部扩散经过晶体缺陷时，会被晶体缺陷捕获并聚集[19]，如图 7所示。
事实上，在酸性环境中，氢原子对金属的损伤主要经历3个过程：①酸性环境下CO2/H2S溶液加速溶液中的氢离子向基体表面运移(图 7(a))；②氢原子在金属内部扩散过程中被晶体陷阱捕获聚集(图 7(b))；③被捕获的氢结合生成氢分子，在应力作用下与产生的氢压加速局部原子键的断裂，产生更多的脆性裂纹。同时，不同钢材由于显微组织结构和处理工艺等的差异，导致金属内部的晶体缺陷不同，因此，对氢原子的运移、捕获和聚集差异较大，最终体现为钢材对氢的敏感性不同，充氢后的屈服强度、抗拉强度及延伸率变化不同。
由第2.1节的分析可知，3种钢材的夹杂物同为环状氧化物D类1级细，但是钢材的微量元素(如Mn、Ni、Mo等)含量不同，同时晶粒度差异较大。其中C110钢的晶粒度最小，而Q140钢的晶粒度最大，表明Q140钢的晶粒尺寸最小。有研究表明，钢材晶粒越小，材料的强度越高，金属内部的晶界也越多，夹杂物分布的不均匀性较大，致使材料的氢陷阱密度大，材料内部捕获氢的位置更多，材料表现出更大的环境开裂敏感性[20]。由此可知，钢材的抗环境敏感性与其本身的强度呈负相关，即Q125钢和Q140钢的环境敏感性更强，环境开裂风险更高。因此，在含H2S酸性环境中不宜使用Q125钢和Q140钢，建议使用C110钢材。
高强度油套管钢氢损伤评价流程见图 8。首先，收集油田常用的高强度油套管钢；其次，对选择的高强度油套管钢进行一系列的理化性能测试，包括化学组分和硬度、金相组织与夹杂分布、钢材的力学性能及拉伸测试后的断口形貌；然后按照NACE TM 0177-2016，采用恒电流仪在NACE B溶液中对其进行充氢实验；充氢实验完成后对试样进行力学性能及拉伸断口形貌分析，并与充氢前的实验数据对比，分析高强度油套管的氢损伤机制；最后，优选出酸性环境中抗氢损伤性能优异的高强度油套管钢。
(1) 充氢后，C110钢、Q125钢和Q140钢的拉伸力学性能均出现了明显降低，表明3种钢材均发生了塑性损伤，钢材强度越大，降低幅度越大，表明材料的氢脆敏感性越强。
(2) 3种钢材中，C110钢最不易引发氢脆，抗环境开裂性能最好。钢材的抗环境敏感性与其本身的强度呈负相关，钢材的晶粒度越高，强度越大，氢陷阱密度越大，更易捕获氢，从而表现出更大的环境开裂敏感性。
(3) 形成了一套高强度油套管钢抗氢损伤系统快速评价方法，可为酸性环境下高强度钢不同工况适用性评价提供技术借鉴，保障油气井安全生产运行。
2023, Vol. 52 Issue (2): 110-115 2023, Vol. 52 Issue (2): 110-115