Исследование коррозионной стойкости нефтяных труб из титанового сплава
Суть коррозионной стойкости титанового сплава заключается в том, что титан является термодинамически нестабильным элементом со стандартным электродным потенциалом всего -1.63 В (стандартный водородный электрод HSE). Поэтому титан и титановые сплавы очень легко образуют сплошную, плотную и очень тонкую поверхностную оксидную пленку на воздухе или даже в воде, которая состоит из внутреннего слоя Ti2O3 и внешнего слоя TiO2, и она продолжает утолщаться по мере протекания окислительно-восстановительной реакции. Оксидная пленка, покрывающая поверхность титанового сплава, затрудняет передачу заряда реакции и уменьшает или подавляет растворение титанового сплава в агрессивной среде, что приводит к пассивации.
Однако титановый сплав имеет более высокий положительный потенциал, чем другие сплавы. При соединении с различными сплавами титановый сплав защищается как катод, что ускоряет коррозию связанного металла и может привести к структурным повреждениям. Поэтому отечественные и зарубежные ученые также провели определенные исследования коррозионной стойкости титанового сплава в бурильных трубах и обсадных колоннах нефтяных скважин.
1. Бурильная труба из титанового сплава
Пэн и др. оценили усталостную прочность бурильных труб из титанового сплава. Результаты показали, что на воздухе с увеличением марки стали усталостная прочность бурильной трубы увеличивается, в то время как в буровом растворе усталостная прочность бурильной трубы из титанового сплава является наилучшей. На рисунке 3а показаны кривые усталости различных образцов бурильных труб в буровом растворе H2S при комнатной температуре. Присутствие бурового раствора H2S значительно снижает усталостную прочность каждого образца бурильной трубы, указывая на то, что бурильная труба имеет высокую чувствительность к буровому раствору H2S. В среде бурового раствора H2S усталостная прочность бурильной трубы из титанового сплава значительно выше, чем у стальных бурильных труб, таких как G105, S135 и V150. На рисунке 3б показаны кривые SN различных бурильных труб в буровом растворе H2S при 100 градусах. По сравнению с воздухом комнатной температуры усталостная прочность образцов G105, S135, V150 и Ti значительно снижается. Фактор связи бурового раствора H2S и температуры оказывает большее влияние на усталостную прочность бурильной трубы, чем один фактор. При таком соединении усталостная долговечность титановых бурильных труб по-прежнему имеет большее преимущество по сравнению с другими бурильными трубами.
Рис.3 Кривые усталости образцов бурильных труб G105, S135, V150 и Ti при различных условиях эксплуатации
Чэнь и др. использовали новую технологию обработки поверхности микродуговым оксидированием для добавления различных концентраций вольфрамата натрия в окислительный раствор для выполнения микродугового оксидирования на поверхности бурильной трубы из титанового сплава TC4. Исследования показали, что легирование вольфрамом может эффективно улучшить твердость и коррозионную стойкость бурильной трубы из титанового сплава TC4. А когда концентрация вольфрамата натрия составляет 3 г/л, комплексная производительность слоя микродугового оксидирования на бурильной трубе из титанового сплава является наилучшей.
Подводя итог, можно сказать, что коррозионная усталостная долговечность бурильной трубы из титанового сплава в условиях высокой температуры и высокого содержания серы лучше, чем у стальной бурильной трубы, а поверхностная обработка титанового сплава TC4 может эффективно повысить твердость и коррозионную стойкость бурильной трубы. Однако все еще мало исследований по улучшению коррозионной стойкости бурильной трубы из титанового сплава путем поверхностной обработки, что также дает направление для будущих исследований.
2. Масляный корпус из титанового сплава
Ван и др. изучили титановый сплав TC4, который можно использовать в качестве нефтяной обсадной колонны. Они обнаружили, что в кислой коррозионной среде на поверхности сплава TC4 наблюдается локальная электрохимическая коррозия, в основном точечная коррозия. В жидкости для заканчивания, содержащей CO2, степень коррозии сплава TC4 более серьезная, но коррозионная стойкость лучше в пластовой воде, содержащей CO2. В двух указанных выше коррозионных средах, содержащих CO2-, сплав TC4 обладает превосходной стойкостью к коррозионному растрескиванию под напряжением. По сравнению с наземной средой сплав TC4 более чувствителен к коррозионному растрескиванию под напряжением в глубоководной морской среде.
В то же время Ван и др. также изучали механизм коррозионной стойкости титанового сплава TC4 при различных условиях нагрузки и обнаружили, что на поверхности образца, нагруженного упругим напряжением, появлялись ямки, но степень питтинга была относительно легкой, а поверхностный слой пленки проявлял свойства полупроводника n-типа и имел селективную проницаемость катионов. Когда поверхностные ямки образца, подвергнутого пластическому напряжению, были глубже и шире, а полупроводниковый тип поверхностного слоя пленки трансформировался в p-тип, анионы, такие как Cl- и CO32-, легче адсорбировались и разрушали защитную пленку, а также контактировали с подложкой через защитную пленку, что приводило к снижению коррозионной стойкости титанового сплава TC4.
В настоящее время условия работы на нетрадиционных нефтяных и газовых месторождениях суровые. Высокая температура снизит предел текучести и модуль упругости труб и обсадных труб, а высокое давление увеличит давление труб и обсадных труб. Под действием H2S, CO2 и Cl- по отдельности или вместе коррозия труб и обсадных труб становится все более серьезной. Трубы и обсадные трубы из титанового сплава могут эффективно решать проблему разрушения от коррозии в скважине, но текущие исследования коррозионной стойкости труб и обсадных труб из титанового сплава все еще не завершены и требуют дальнейших исследований.
3. Трубы из титанового сплава для нефтяных скважин
Шутц и др. сравнили коррозионную стойкость трубных колонн из сплава UNS R55400 с другими трубными колоннами из титанового сплава для нефтяных месторождений. Данные лабораторных испытаний на коррозию при разработке трубопровода UNS R55400 показали, что титановый сплав обладает улучшенной стойкостью к SSC и локальной точечной и щелевой коррозии в сильнокислотных и некислотных хлоридных водных средах, связанных с нефтяной промышленностью.
Таблица 2 показывает приблизительные пределы эксплуатации различных типов титановых сплавов в различных условиях нефтяных месторождений. Видно, что титановые сплавы UNS R55400 и UNS R56404 имеют наилучшие характеристики в кислых и некислых хлоридных водных средах, а наибольшую прочность имеет бета-титановый сплав UNS R58640.
Вэй и др. изучали влияние температуры отжига на эволюцию микроструктуры и коррозионное поведение титанового сплава Ti-Mo в соляной кислоте. Они обнаружили, что когда температура отжига превышала 850 градусов, пассивирующие пленки MoO3 и TiO2, образованные на поверхности титанового сплава, ускоряли растворение, скорость коррозии увеличивалась, и образовывались -фазные и -фазные микрогальванические элементы. Кроме того, пассивирующая пленка проявляет полупроводниковые свойства n-типа, которые не зависят от температуры отжига.
Благодаря результатам вышеприведенных исследований установлено, что температура отжига, высокая кислотность и некислотная хлоридная водная среда будут влиять на коррозионную стойкость титановых сплавов. Этот вывод имеет руководящее значение для оптимизации материалов титановых сплавов в будущем.