S135钻杆钢在H2S环境中的腐蚀疲劳行为

钻杆是钻柱系统的重要组成部分。在钻井过程中，钻井液中的一些添加剂和溶解氧，油气藏中的硫化氢、二氧化碳、各种盐类（如氯化钠等）、菌体及代谢产物等均会对钻杆造成严重的腐蚀。我国探明并开发的油气资源中有大量含H2S的油气田。H2S的腐蚀性较强，钻杆在含H2S环境中工作时易发生应力腐蚀开裂和疲劳腐蚀。由于H2S具有一定的毒性，目前对钻杆钢疲劳性能的研究主要集中在空气环境中的疲劳行为以及H2S预腐蚀后的疲劳行为，而有关其在H2S环境和交变应力交互作用下的腐蚀疲劳行为及断裂机制的研究鲜见报道。为此，科研人员以S135钻杆钢为研究对象，对其在空气和H2S环境中进行了不同应力幅下的疲劳试验，重点研究了其疲劳寿命和腐蚀疲劳断裂机制，为延长钻杆使用寿命，提高使用安全性提供试验依据。

试验材料为国内某钢厂生产的S135钻杆钢，其化学成分（质量分数，%）为0.20C，0.24Si，0.54Mn，0.007P，0.0035S，0.403Ni，0.861Cr，0.858Mo，0.007Ti，0.06Cu，Fe余量。显微组织为马氏体形态的铁素体+细小碳化物。沿钻杆纵向取样进行拉伸和冲击性能试验，测得其屈服强度和抗拉强度分别为1020、1086MPa，伸长率为22.4%，冲击功（20℃）为75.0J。

在钻杆上截取疲劳试样，在PLD-100型电液伺服疲劳试验机上，分别在实验室空气和含H2S的环境箱中进行疲劳试验。在空气中疲劳试验时的应力幅分别为1054.7、1008.9、940.0、871.3、825.4、756.6、733.7、642.0MPa；H2S环境中的分别为687.8、596.1、1504.4、412.7、321.0、229.2、220.1MPa。试验完成后，利用JSM6390A型扫描电镜观察疲劳断口形貌。结果表明：

（1）在空气环境中，试验钢呈现明显的疲劳极限特征；在H2S环境中，相同当量应力幅下试验钢的疲劳寿命比在空气环境中的低，且在很低的当量应力幅下仍会发生断裂，不存在疲劳极限。

（2）在不同环境和不同当量应力幅下，试验钢的疲劳裂纹均萌生于试样表面或靠近表面处，裂纹源区以解理断裂为主；在空气环境下，裂纹扩展区以疲劳条带为主要特征，在H2S环境中，裂纹扩展区以解理平面和解理台阶为主要特征，在其解理平面上存在大量的二次裂纹，具有氢脆断裂的特征。