CN109030336B - 研究酸性气井特殊螺纹接头扭矩台肩面腐蚀损伤的装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种研究酸性气井特殊螺纹接头扭矩台肩面腐蚀损伤的装置。所述装置包括应力加载单元、充氢单元、缝隙单元、电化学测试单元和用于固定试样的固定装置。本发明提供的装置可真实模拟酸性气井特殊螺纹接头扭矩台肩面腐蚀损伤环境，并对加载压应力的充氢试样缝隙内和缝隙外部分进行电化学测量，同时可以对缝隙内微环境进行原位、实时监测；本发明提供的装置结构简单，操作方便，检测精度高。

Description

研究酸性气井特殊螺纹接头扭矩台肩面腐蚀损伤的装置

技术领域

本发明属于金属材料服役行为测试领域，更具体地，涉及研究酸性气井特殊螺纹接头扭矩台肩面腐蚀损伤的装置。

背景技术

螺纹接头是天然气井下管柱最薄弱、失效风险最高的部位，螺纹接头失效事故占所有气井管柱失效事故总数的85%~95%。气井油管通常采用特殊螺纹接头连接，特殊螺纹接头一般包括扭矩台肩面、密封面和螺纹三部分，其中，扭矩台肩面是特殊螺纹密封的第一道屏障，是阻碍腐蚀介质进入密封面的关键部位。扭矩台肩面一旦发生腐蚀，油管将面临泄漏，甚至完全失效的风险。从酸性气井油管螺纹接头的服役环境来看，扭矩台肩面的腐蚀是缝隙、应力和氢渗透共同作用下的材料失效行为。缝隙是腐蚀介质进入扭矩台肩面的唯一通道，较大的拉伸载荷、油管振动等都可能导致扭矩台肩面处形成缝隙，致使腐蚀介质渗入；当缝隙形成后，扭矩台肩面上的原有的接触应力全部或部分消失，但仍然受到管内流体压应力和表面残余压应力的作用。在酸性气井工况下，氢原子极容易从管道内壁渗透到材料内部，进而到达扭矩台肩面。它不但可以引发氢致开裂，还可以造成扭矩台肩面上的钝化膜破坏。

目前，氢渗透测试多基于Deveanathan-Stachurski双电解池原理，但在无缝隙、无外加应力的条件下进行，而现有的缝隙腐蚀研究装置又不具备同时充氢和应力加载功能，因此，现有研究装置均无法模拟特殊螺纹接头扭矩台肩面腐蚀损伤的环境，即同时实现缝隙制造、应力加载和电化学充氢，导致特殊螺纹接头扭矩台肩面的腐蚀损伤行为规律和机理至今尚不清楚。

因此，研发一种能够模拟酸性气井特殊螺纹接头扭矩台肩面腐蚀损伤环境的装置是腐蚀研究中的迫切需求。

发明内容

本发明的目的在于克服现有腐蚀研究装置无法真实模拟酸性气井特殊螺纹接头扭矩台肩面腐蚀损伤环境的缺陷和不足，提供一种研究酸性气井特殊螺纹接头扭矩台肩面腐蚀损伤的装置。本发明提供的装置可同时模拟缝隙、应力和氢渗透三者耦合作用下的材料腐蚀损伤，可用于特殊螺纹接头扭矩台肩面腐蚀损伤的研究。

为实现上述发明的目的，本发明采用如下技术方案：

一种研究酸性气井特殊螺纹接头扭矩台肩面腐蚀损伤的装置，包括应力加载单元、充氢单元、缝隙单元、电化学测试单元和用于固定试样的固定装置；所述应力加载单元包括设置于所述试样顶部用于施加应力的加载顶板和压应力测定机构；所述充氢单元包括设置于固定装置上的充氢电解池和极化机构，所述固定装置上设置有与充氢电解池相连通的充氢槽口；所述缝隙单元包括悬设于所述试样上的缝隙盖板和缝隙腐蚀测试机构，所述试样和缝隙盖板之间设置有缝隙垫片并在两者间形成缝隙池，所述缝隙垫片上设置有与所述缝隙池相连通的缝隙槽口；所述试样和缝隙腐蚀测试机构均与所述电化学测试单元电连接。

本发明提供的研究酸性气井特殊螺纹接头扭矩台肩面腐蚀损伤的装置通过应力加载单元、充氢单元、缝隙单元和电化学测试单元的设置可真实模拟酸性气井特殊螺纹接头扭矩台肩面腐蚀损伤环境，其中应力加载单元用于加载压应力，充氢单元模拟氢原子渗入金属，并通过缝隙池模拟缝隙腐蚀，并利用各测试机构对加载压应力的充氢试样缝隙内和缝隙外部分进行电化学测量，同时可以对缝隙内微环境进行原位、实时监测；本发明提供的装置结构简单，操作方便，检测精度高。

优选地，所述固定装置为一侧侧面开口且内部镂空形成容腔的固定装置，所述试样固定设置于容腔内；所述加载顶板和所述试样之间设置有加载顶板垫片；所述加载顶板和固定装置通过螺栓-螺纹结构固定连接。

通过螺纹加载可满足不同压应力要求。

优选地，所述加载顶板和固定装置上竖直设置有加载螺纹孔，所述加载顶板和固定装置通过穿设所述加载螺纹孔的加载螺杆固定连接。

优选地，所述加载顶板的截面与所述试样的截面一致，所述加载螺纹孔设置于所述加载顶板的顶面的中心。

应当理解的是，此处所指的截面是与两者相接触面平行的面。

优选地，所述固定装置、加载顶板和加载螺杆由耐蚀材料制成。

优选地，所述耐蚀材料为C276。

优选地，所述压应力测定机构包括设置于所述加载顶板上的位移测量传感器，所述位移测量传感器的输出端与位移显示器电连接。

由于加载顶板的位移与试样受到的压应力遵守严格的胡克定律（胡克定律

，其中：

为压力，单位kN；

为弹性模量，单位kN/mm；

为加载顶板的位移量，单位mm），故利用加载顶板的位移量即可计算确定试样所受的单向压应力（压力与压应力的关系：

，其中：

为压应力，单位MPa；

为压力，单位kN；

为试样的横截面积，单位mm²）。

当然，其它可测定压应力大小的机构也可用于本发明中，作为压应力测定机构的组成部件。

优选地，所述极化机构包括设置于充氢电解池内的充氢辅助电极，所述充氢辅助电极和试样均与恒电流仪电连接。

充氢电解池内可放置充氢电解液，如0.2mol/L无水硫酸钠溶液，通过充氢槽口可使得试样与充氢电解液充分接触，一般情况下，充氢电解池内充氢电解液的液面高度以能没过试样、充氢槽口和充氢辅助电极为准；恒电流仪可以给试样施加恒电流极化，如-1mA/cm²的恒电流极化。

优选地，所述固定装置和充氢电解池之间设置有密封垫片。

更为优选地，所述密封垫片为硅胶密封垫片。

优选地，所述充氢槽口为正方形槽口。

优选地，所述缝隙腐蚀测试机构包括微pH电极、微辅助电极和微参比电极，所述缝隙盖板上设置分别固定所述微pH电极、微辅助电极和微参比电极的微pH电极插口、微辅助电极插口和微参比电极插口，所述微pH电极、微辅助电极和微参比电极的电极下端面设置于所述缝隙池中，微辅助电极和微参比电极与所述电化学测试单元电连接。

试样、微辅助电极、微参比电极和电化学测试单元连接可进行缝隙内部分试样的开路电位、线性极化、电化学交流阻抗谱和动电位扫描等测试。微pH电极测试缝隙内局部环境的原位pH。

通过该特定结构的设计，可对缝隙内微环境进行原位、实时监测。

优选地，所述缝隙垫片为聚四氟乙烯缝隙垫片。

优选地，所述电化学测试单元包括电化学工作站、辅助电极和参比电极，所述试样、辅助电极和参比电极均与电化学工作站电连接形成缝隙外三电极测试体系；所述试样和缝隙腐蚀测试机构均与电化学工作站电连接形成缝隙内三电极测试体系。

试样、辅助电极、参比电极和电化学工作站连接可实现缝隙外部分试样的开路电位、线性极化、电化学交流阻抗谱和动电位扫描等测试。

上述装置在酸性气井特殊螺纹扭矩台肩面腐蚀损伤测试中的应用也在本发明的保护范围内。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

本发明提供的研究酸性气井特殊螺纹接头扭矩台肩面腐蚀损伤的装置可真实模拟酸性气井特殊螺纹接头扭矩台肩面腐蚀损伤环境，并对加载压应力的充氢试样缝隙内和缝隙外部分进行电化学测量，同时可以对缝隙内微环境进行原位、实时监测；本发明提供的装置结构简单，操作方便，检测精度高。

附图说明

图1为实施例1提供的研究酸性气井特殊螺纹接头扭矩台肩面腐蚀损伤的装置的结构示意图；

图2为实施例1提供的充氢单元-应力加载单元-缝隙单元的结构示意图；

图3为实施例1提供的固定装置的结构示意图；

图4为实施例1提供的缝隙盖板的结构示意图；

图5为实施例1提供的缝隙垫片的结构示意图；

图6为缝隙、氢渗透、应力耦合作用下N80钢的腐蚀行为：（a）电化学阻抗谱，（b）阳极极化曲线，（c）未充氢时的缝隙腐蚀的光学照片，（d）充氢时缝隙腐蚀的光学照片；

其中，1为应力加载单元，11为加载顶板，12为压应力测定机构，121为位移测量传感器，122为位移显示器，13为加载顶板垫片，14为加载螺纹孔，15为加载螺杆；

2为充氢单元，21为充氢电解池，22为极化机构，221为充氢辅助电极，222为恒电流仪，23为充氢槽口，24为密封垫片；

3为缝隙单元，31为缝隙盖板，311为微pH电极插口，312为微辅助电极插口，313为微参比电极插口，32为缝隙腐蚀测试机构，321为微pH电极，322为微辅助电极，323为微参比电极，33为缝隙垫片，34为缝隙槽口；

4为电化学测试单元，41为电化学工作站，42为辅助电极，43为参比电极；

5为试样；

6为固定装置。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合说明书附图和具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

需要说明的是，当原件被称为“设置于”、“安设于”另一元件，它既可以直接在另一元件上，也可以存在居中的元件。当一个元件认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或可能同时存在居中元件。

实施例1

本实施例提供一种研究酸性气井特殊螺纹接头扭矩台肩面腐蚀损伤的装置，如图1~5，包括应力加载单元1、充氢单元2、缝隙单元3、电化学测试单元4和用于固定试样5的固定装置6。

电化学测试单元4包括电化学工作站41、辅助电极42和参比电极43，辅助电极42和参比电极43与电化学工作站41电连接，试样5作为工作电极与电化学工作站41电连接，形成缝隙外三电极测试体系。

固定装置6为一侧侧面（该侧称为装置的正面）开口且内部镂空形成容腔的固定装置，试样5固定设置于容腔内。

如图1~3，应力加载单元1包括设置于试样5顶部的加载顶板11和压应力测定机构12。加载顶板11用于施加压应力，压应力测定机构12用于测定施加的压应力的大小。

具体地，加载顶板11和试样5之间设置有加载顶板垫片13，加载顶板11、加载顶板垫片13的截面与试样5的截面形状一致，即相接触面的宽度和长度均一致；加载顶板11和固定装置6通过如下螺栓-螺纹结构实现固定连接：加载顶板11的顶面中心上竖直设置有加载螺纹孔14，固定装置6上设置有相对应的加载螺纹孔14，加载顶板11和固定装置6通过穿设加载螺纹孔14的加载螺杆15固定连接。固定装置6、加载顶板11和加载螺杆15由耐蚀材料（如C276）制成，加载顶板垫片13的材料为尼龙。通过调节加载螺杆15的松紧程度，可得到不同的压应力。

压应力测定机构12包括设置于加载顶板11上的位移测量传感器121，位移测量传感器121的输出端与位移显示器122电连接。通过胡克定律可测定加载的压应力的大小，进而指示如何调节加载螺杆。

如图1~3，充氢单元2包括设置于固定装置6与开口方向相对的侧面（即背面）上的充氢电解池21和极化机构22，固定装置6与充氢电解池21相接处设置有硅胶密封垫片24，并开设有充氢槽口23。

在本实施例中，极化机构22包括设置于充氢电解池21内的充氢辅助电极221，充氢辅助电极221和试样5均与恒电流仪222电连接。充氢电解池21内可放置充氢电解液，如0.2mol/L无水硫酸钠溶液，通过充氢槽口23可使得试样5与充氢电解液充分接触，一般情况下，充氢电解池21内充氢电解液的液面高度以能没过试样5、充氢槽口23和充氢辅助电极221为准；恒电流仪222可以给试样5施加恒电流极化，如-1mA/cm²的恒电流极化。

如图1~4所示，缝隙单元3包括悬设于试样5上的缝隙盖板31和缝隙腐蚀测试机构32，试样5和缝隙盖板31之间设置有缝隙垫片33并在两者间形成缝隙池，缝隙垫片33上设置有与缝隙池相连通的缝隙槽口34。缝隙池厚度由缝隙垫片33的厚度确定，可模拟不同情况下的缝隙腐蚀，缝隙垫片33采用聚四氟乙烯材料制备得到。

具体的，缝隙腐蚀测试机构32包括微pH电极321、微辅助电极322和微参比电极323，缝隙盖板31上设置分别固定微pH电极321、微辅助电极322和微参比电极323的微pH电极插口311、微辅助电极插口312和微参比电极插口313，微辅助电极322和微参比电极323的电极下端面设置于缝隙池中且与电化学工作站41电连接形成缝隙内三电极测试体系。

本发明提供的装置在研究酸性气井特殊螺纹接头扭矩台肩面腐蚀损伤时的使用方法如下：

向充氢电解池21内加入0.2mol/L无水硫酸钠溶液，液面高度以能没过试样5、固定装置6背部的正方形充氢槽口23，充氢辅助电极221为准，并通过恒电流仪222给试样5施加-1mA/cm²的恒电流极化。

当充氢时间达到实验要求时间后，将该装置放入溶液池中，向溶液池内加入实验溶液，液面高度以能没过试样5、缝隙盖板31、辅助电极42和参比电极43为准。

试样5、辅助电极42和参比电极43和电化学工作站41连接进行缝隙外部分试样5的开路电位、线性极化、电化学交流阻抗谱和动电位扫描等测试。试样5、微辅助电极322和微参比电极323和电化学工作站41连接进行缝隙内部分试样5的开路电位、线性极化、电化学交流阻抗谱和动电位扫描等测试。微pH电极321测试缝隙内局部环境的原位pH。

综上，本发明可原位研究酸性气井特殊螺纹接头扭矩台肩面腐蚀损伤的装置，即缝隙、应力和氢渗透共同作用下的材料失效行为，可对缝隙内局部环境变化进行实时监测，见图6。也可对充氢试样进行恒载荷或变载荷作用下开路电位、电化学极化、电化学交流阻抗谱、电化学噪声等原位电化学测量。也可对充氢试样的缝隙内部分和缝隙外部分进行开路电位、电化学极化、电化学交流阻抗谱、电化学噪声等原位电化学测量。也可对恒载荷或变载荷作用下的试样的缝隙内部分和缝隙外部分进行开路电位、电化学极化、电化学交流阻抗谱、电化学噪声等原位电化学测量。

本发明中试样通常选用油管钢超级13Cr，也可以用其他材料，如油管钢N80、P110等，进行实验。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用。它完全可以被适用于各种适合本发明的领域。对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改。因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (10)

1.一种研究酸性气井特殊螺纹接头扭矩台肩面腐蚀损伤的装置，其特征在于，包括应力加载单元(1)、充氢单元(2)、缝隙单元(3)、电化学测试单元(4)和用于固定试样(5)的固定装置(6)；所述应力加载单元(1)包括设置于所述试样(5)顶部用于施加压应力的加载顶板(11)和压应力测定机构(12)；所述充氢单元(2)包括设置于固定装置(6)上的充氢电解池(21)和极化机构(22)，所述固定装置(6)上设置有与充氢电解池(21)相连通的充氢槽口(23)；所述缝隙单元(3)包括悬设于所述试样(5)上的缝隙盖板(31)和缝隙腐蚀测试机构(32)，所述试样(5)和缝隙盖板(31)之间设置有缝隙垫片(33)并在两者间形成缝隙池，所述缝隙垫片(33)上设置有与所述缝隙池相连通的缝隙槽口(34)；所述试样(5)和缝隙腐蚀测试机构(32)均与所述电化学测试单元(4)电连接。

2.根据权利要求1所述装置，其特征在于，所述固定装置(6)为一侧侧面开口且内部镂空形成容腔的固定装置，所述试样(5)固定设置于容腔内；所述加载顶板(11)和所述试样(5)之间设置有加载顶板垫片(13)；所述加载顶板(11)和固定装置(6)通过螺栓-螺纹结构固定连接。

3.根据权利要求2所述装置，其特征在于，所述加载顶板(11)和固定装置(6)上竖直设置有加载螺纹孔(14)，所述加载顶板(11)和固定装置(6)通过穿设所述加载螺纹孔(14)的加载螺杆(15)固定连接。

4.根据权利要求3所述装置，其特征在于，所述加载顶板(11)的截面与所述试样(5)的截面一致，所述加载螺纹孔(14)设置于所述加载顶板(11)的顶面的中心。

5.根据权利要求1所述装置，其特征在于，所述压应力测定机构(12)包括设置于所述加载顶板(11)上的位移测量传感器(121)，所述位移测量传感器(121)的输出端与位移显示器(122)电连接。

6.根据权利要求1所述装置，其特征在于，所述极化机构(22)包括设置于充氢电解池(21)内的充氢辅助电极(221)，所述充氢辅助电极(221)和试样(5)均与恒电流仪(222)电连接。

7.根据权利要求1所述装置，其特征在于，所述固定装置(6)和充氢电解池(21)之间设置有密封垫片(24)。

8.根据权利要求1所述装置，其特征在于，所述缝隙腐蚀测试机构(32)包括微pH电极(321)、微辅助电极(322)和微参比电极(323)，所述缝隙盖板(31)上设置分别固定所述微pH电极(321)、微辅助电极(322)和微参比电极(323)的微pH电极插口(311)、微辅助电极插口(312)和微参比电极插口(313)，所述微pH电极(321)、微辅助电极(322)和微参比电极(323)的电极下端面设置于所述缝隙池中，微辅助电极(322)和微参比电极(323)与所述电化学测试单元(4)电连接。

9.根据权利要求1所述装置，其特征在于，所述电化学测试单元(4)包括电化学工作站(41)、辅助电极(42)和参比电极(43)，所述试样(5)、辅助电极(42)和参比电极(43)均与电化学工作站(41)电连接形成缝隙外三电极测试体系；所述试样(5)和缝隙腐蚀测试机构(32)均与电化学工作站(41)电连接形成缝隙内三电极测试体系。

10.权利要求1～9任一所述装置在酸性气井特殊螺纹接头扭矩台肩面腐蚀损伤测试中的应用。

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