Badanie odporności na korozję rur naftowych ze stopu tytanu
Istotą odporności stopu tytanu na korozję jest to, że tytan jest termodynamicznie niestabilnym pierwiastkiem o standardowym potencjale elektrody wynoszącym zaledwie -1.63 V (standardowa elektroda wodorowa HSE). Dlatego tytan i stopy tytanu bardzo łatwo tworzą ciągłą, gęstą i bardzo cienką warstwę tlenku powierzchniowego w powietrzu lub nawet w wodzie, która składa się z wewnętrznej warstwy Ti2O3 i zewnętrznej warstwy TiO2, i nadal gęstnieje w miarę postępu reakcji redoks. Warstwa tlenku pokrywająca powierzchnię stopu tytanu utrudnia przenoszenie ładunku reakcji i zmniejsza lub hamuje rozpuszczanie stopu tytanu w środowisku korozyjnym, co powoduje pasywację.
Jednakże stop tytanu ma wyższy potencjał dodatni niż inne stopy. W połączeniu z różnymi stopami stop tytanu jest chroniony jako katoda, co przyspiesza korozję sprzężonego metalu i może prowadzić do uszkodzeń strukturalnych. Dlatego też krajowi i zagraniczni naukowcy przeprowadzili również pewne badania nad odpornością na korozję stopu tytanu w rurach wiertniczych i obudowach olejowych.
1. Rura wiertnicza ze stopu tytanu
Peng i in. ocenili wytrzymałość zmęczeniową rur wiertniczych ze stopu tytanu. Wyniki wykazały, że w powietrzu, wraz ze wzrostem gatunku stali, wytrzymałość zmęczeniowa rury wiertniczej zostanie wydłużona, podczas gdy w płuczce wiertniczej wytrzymałość zmęczeniowa rury wiertniczej ze stopu tytanu jest najlepsza. Rysunek 3a przedstawia krzywe zmęczeniowe różnych próbek rur wiertniczych w płuczce H2S o temperaturze pokojowej. Obecność płuczki H2S znacznie skraca wytrzymałość zmęczeniową każdej próbki rury wiertniczej, co wskazuje, że rura wiertnicza ma dużą wrażliwość na płuczkę H2S. W środowisku płuczki H2S wytrzymałość zmęczeniowa rury wiertniczej ze stopu tytanu jest znacznie wyższa niż rur wiertniczych ze stali, takich jak G105, S135 i V150. Rysunek 3b przedstawia krzywe SN różnych rur wiertniczych w płuczce H2S w temperaturze 100 stopni. W porównaniu z powietrzem o temperaturze pokojowej wytrzymałość zmęczeniowa próbek G105, S135, V150 i Ti jest znacznie zmniejszona. Współczynnik sprzężenia płuczki H2S i temperatury ma większy wpływ na trwałość zmęczeniową rury wiertniczej niż pojedynczy czynnik. W tych warunkach sprzężenia trwałość zmęczeniowa rury wiertniczej z tytanu nadal ma większą przewagę nad innymi rurami wiertniczymi.
Rys.3 Krzywe zmęczenia próbek rur wiertniczych G105, S135, V150 i Ti w różnych warunkach pracy
Chen i in. zastosowali nową technologię obróbki powierzchni mikro-łukowym utlenianiem, aby dodać różne stężenia wolframianu sodu do roztworu utleniającego, aby wykonać mikro-łukowe utlenianie na powierzchni rury wiertniczej ze stopu tytanu TC4. Badania wykazały, że domieszkowanie wolframem może skutecznie poprawić twardość i odporność na korozję rury wiertniczej ze stopu tytanu TC4. A gdy stężenie wolframianu sodu wynosi 3 g/l, kompleksowa wydajność warstwy utleniania mikro-łukowego na rurze wiertniczej ze stopu tytanu jest najlepsza.
Podsumowując, odporność na zmęczenie korozyjne rur wiertniczych ze stopu tytanu w środowisku o wysokiej temperaturze i wysokiej zawartości siarki jest lepsza niż w przypadku rur wiertniczych ze stali, a obróbka powierzchni stopu tytanu TC4 może skutecznie poprawić twardość i odporność na korozję rury wiertniczej. Nadal jednak istnieje niewiele badań nad poprawą odporności na korozję rur wiertniczych ze stopu tytanu poprzez obróbkę powierzchni, co również wyznacza kierunek przyszłych badań.
2. Obudowa olejowa ze stopu tytanu
Wang i in. badali materiał stopu tytanu TC4, który może być stosowany jako obudowa olejowa. Odkryli, że w kwaśnym środowisku korozyjnym występuje lokalna korozja elektrochemiczna na powierzchni stopu TC4, głównie korozja wżerowa. W płynie końcowym zawierającym CO2 stopień korozji stopu TC4 jest poważniejszy, ale odporność na korozję jest lepsza w wodzie formacyjnej zawierającej CO2. W powyższych dwóch środowiskach korozyjnych zawierających CO2- stop TC4 ma doskonałą odporność na korozję naprężeniową. W porównaniu ze środowiskiem lądowym stop TC4 jest bardziej wrażliwy na korozję naprężeniową w środowisku głębinowym.
Jednocześnie Wang i in. badali również mechanizm odporności na korozję stopu tytanu TC4 w różnych warunkach obciążenia naprężeniowego i odkryli, że na powierzchni próbki obciążonej naprężeniem sprężystym pojawiły się wżery, ale stopień wżerów był stosunkowo niewielki, a warstwa powierzchniowa wykazywała właściwości półprzewodnikowe typu n i miała selektywną przepuszczalność kationową. Gdy wżery powierzchniowe próbki poddanej naprężeniom plastycznym były głębsze i szersze, a typ półprzewodnika warstwy powierzchniowej został przekształcony w typ p, aniony takie jak Cl- i CO32- były łatwiej adsorbowane i niszczyły warstwę ochronną oraz stykały się z podłożem przez warstwę ochronną, co powodowało zmniejszenie odporności na korozję stopu tytanu TC4.
Obecnie warunki pracy niekonwencjonalnych złóż ropy naftowej i gazu są trudne. Wysoka temperatura obniży granicę plastyczności i moduł sprężystości rur i obudów, a wysokie ciśnienie zwiększy ciśnienie rur i obudów. Pod wpływem H2S, CO2 i Cl- osobno lub razem, korozja rur i obudów staje się coraz poważniejsza. Rury i obudowy ze stopu tytanu mogą skutecznie rozwiązać problem korozji w otworze wiertniczym, ale obecne badania nad odpornością na korozję rur i obudów ze stopu tytanu są nadal niekompletne i wymagają dalszych badań.
3. Rury naftowe ze stopu tytanu
Schutz i in. porównali odporność na korozję rur ze stopu UNS R55400 z innymi rurami ze stopu tytanu dla przemysłu naftowego. Dane z laboratoryjnych testów korozyjnych dotyczących rozwoju rurociągu UNS R55400 wykazały, że stop tytanu ma lepszą odporność na SSC oraz miejscową korozję wżerową i szczelinową w silnie kwaśnych i niekwaśnych środowiskach wodnych bogatych w chlorki związanych z przemysłem naftowym.
Tabela 2 przedstawia przybliżone limity środowiskowe różnych typów stopów tytanu w różnych środowiskach złóż ropy naftowej. Można zauważyć, że stopy tytanu UNS R55400 i UNS R56404 mają najlepszą wydajność w kwaśnych i niekwaśnych środowiskach wodnych bogatych w chlorki, a najwyższą wytrzymałością charakteryzuje się stop tytanu beta UNS R58640.
Wei i in. badali wpływ temperatury wyżarzania na ewolucję mikrostruktury i korozję stopu tytanu Ti-Mo w kwasie solnym. Odkryli, że gdy temperatura wyżarzania przekroczyła 850 stopni, pasywacyjne warstwy MoO3 i TiO2 utworzone na powierzchni stopu tytanu przyspieszyły rozpuszczanie, wzrosła szybkość korozji i powstały mikroogniwa galwaniczne fazy - i -. Ponadto pasywacyjna warstwa wykazuje właściwości półprzewodnikowe typu n, które są niezależne od temperatury wyżarzania.
Na podstawie powyższych wyników badań ustalono, że temperatura wyżarzania, wysoka kwasowość i bezkwasowe środowisko wodne bogate w chlorki będą miały wpływ na odporność na korozję stopów tytanu. Wniosek ten ma kluczowe znaczenie dla optymalizacji materiałów ze stopów tytanu w przyszłości.
