Studie o odolnosti proti korozi potrubí ropného vrtu z titanové slitiny
Podstatou odolnosti proti korozi slitiny titanu je, že titan je termodynamicky nestabilní prvek se standardním elektrodovým potenciálem pouze -1,63 V (standardní vodíková elektroda HSE). Z titanu a slitin titanu je proto velmi snadné vytvořit na vzduchu nebo dokonce ve vodě souvislý, hustý a velmi tenký povrchový oxidový film, který se skládá z vnitřní vrstvy Ti2O3 a vnější vrstvy TiO2, a stále se zahušťuje. probíhá redoxní reakce. Oxidový film pokrývající povrch titanové slitiny brání přenosu reakčního náboje a snižuje nebo inhibuje rozpouštění titanové slitiny v korozivním prostředí, což má za následek pasivaci.
Slitina titanu má však vyšší pozitivní potenciál než jiné slitiny. Při spojení s různými slitinami je titanová slitina chráněna jako katoda, která urychluje korozi spojeného kovu a může vést ke strukturálnímu poškození. Tuzemští a zahraniční vědci proto také provedli určitý výzkum odolnosti titanové slitiny ve vrtných trubkách a olejovém plášti proti korozi.
1. Vrtací trubka z titanové slitiny
Peng a kol. hodnotili únavové vlastnosti vrtných trubek z titanové slitiny. Výsledky ukázaly, že na vzduchu se s rostoucí jakostí oceli prodlouží únavová životnost vrtné trubky, zatímco ve vrtném bahně je únavová výkonnost vrtné trubky z titanové slitiny nejlepší. Obrázek 3a ukazuje křivky únavy různých vzorků vrtných trubek při pokojové teplotě H2S bahna. Přítomnost bahna H2S výrazně sníží únavovou životnost každého vzorku vrtné trubky, což naznačuje, že vrtná trubka má vysokou citlivost na bahno H2S. V prostředí bahna H2S je únavová životnost vrtných trubek z titanové slitiny výrazně vyšší než u ocelových vrtných trubek, jako jsou G105, S135 a V150. Obrázek 3b znázorňuje křivky SN různých vrtných trubek v bahně H2S při 100 stupních. Ve srovnání se vzduchem při pokojové teplotě je únavová životnost vzorků G105, S135, V150 a Ti výrazně snížena. Faktor vazby bahna H2S a teploty má větší vliv na únavovou životnost vrtné trubky než jeden faktor. Za těchto podmínek spojení má únavová životnost titanové vrtné trubky stále větší výhodu než u jiných vrtných trubek.
Obr.3 Únavové křivky vzorků vrtných trubek G105, S135, V150 a Ti za různých pracovních podmínek
Chen a kol. použila novou technologii mikroobloukové oxidace povrchové úpravy k přidání různých koncentrací wolframanu sodného do oxidačního roztoku k provedení mikroobloukové oxidace na povrchu vrtné trubky z titanové slitiny TC4. Studie ukázaly, že dopování wolframem může účinně zlepšit tvrdost a odolnost proti korozi vrtné trubky z titanové slitiny TC4. A když je koncentrace wolframanu sodného 3 g/l, komplexní výkon mikroobloukové oxidační vrstvy na vrtné trubce z titanové slitiny je nejlepší.
Stručně řečeno, životnost vrtné trubky z titanové slitiny v prostředí s vysokou teplotou a vysokým obsahem síry je lepší než u ocelové vrtné trubky a povrchová úprava titanové slitiny TC4 může účinně zlepšit tvrdost a odolnost vrtné trubky proti korozi. Stále však existuje jen málo studií o zlepšení odolnosti vrtných trubek z titanové slitiny povrchovou úpravou, což také poskytuje směr pro budoucí výzkum.
2. Olejové pouzdro z titanové slitiny
Wang a kol. studoval materiál z titanové slitiny TC4, který lze použít jako olejové pouzdro. Zjistili, že v kyselém korozním prostředí dochází na povrchu slitiny TC4 k lokální elektrochemické korozi, především důlkové korozi. V kompletační kapalině obsahující CO2 je stupeň koroze slitiny TC4 vážnější, ale odolnost proti korozi je lepší ve formovací vodě obsahující CO2. Ve dvou výše uvedených korozivních médiích obsahujících CO2- má slitina TC4 vynikající odolnost proti praskání korozí pod napětím. Ve srovnání s pozemským prostředím je slitina TC4 citlivější na korozní praskání pod napětím v hlubokém mořském prostředí.
Současně Wang a spol. také studoval mechanismus odolnosti proti korozi titanové slitiny TC4 za různých podmínek namáhání a zjistil, že na povrchu vzorku zatíženého elastickým napětím se objevily důlky, ale stupeň důlkové koroze byl relativně malý a povrchová vrstva filmu vykazovala polovodič typu n vlastnosti a měl kationtově selektivní permeabilitu. Když byly povrchové jamky vzorku vystaveného plastickému namáhání hlubší a širší a polovodičový typ povrchové filmové vrstvy byl transformován na typ p, anionty jako Cl- a CO32- byly snadněji adsorbovány a zničeny. Ochranný film a kontakt se substrátem přes ochranný film, což má za následek snížení odolnosti titanové slitiny TC4 proti korozi.
V současnosti jsou pracovní podmínky nekonvenčních nalezišť ropy a zemního plynu drsné. Vysoká teplota sníží mez kluzu a modul pružnosti potrubí a pouzdra a vysoký tlak zvýší tlak potrubí a pouzdra. Působením H2S, CO2 a Cl- samotných nebo společně se koroze potrubí a pláště stává stále závažnější. Trubky a pouzdro z titanové slitiny mohou účinně vyřešit problém selhání koroze ve vrtu, ale současný výzkum odolnosti trubek a pouzdra z titanové slitiny proti korozi je stále neúplný a vyžaduje další výzkum.
3. Potrubí ropných vrtů ze slitiny titanu
Schutz a kol. porovnal odolnost proti korozi trubkových řetězců ze slitiny UNS R55400 s jinými trubkovými řetězci z titanové slitiny na ropných polích. Údaje z laboratorních korozních testů vývoje potrubí UNS R55400 ukázaly, že titanová slitina má zlepšenou odolnost vůči SSC a místní důlkové a štěrbinové korozi ve vysoce kyselém a nekyselém vodním prostředí bohatém na chloridy související s průmyslem ropných polí.
Tabulka 2 ukazuje přibližné environmentální provozní limity různých typů titanových slitin v různých prostředích ropných polí. Je vidět, že titanové slitiny UNS R55400 a UNS R56404 mají nejlepší výkon v kyselém a nekyselém vodním prostředí bohatém na chloridy a nejvyšší pevnost má titanová slitina UNS R58640 beta.
Wei a kol. studovali vliv teploty žíhání na vývoj mikrostruktury a korozní chování titanové slitiny Ti-Mo v kyselině chlorovodíkové. Zjistili, že když teplota žíhání přesáhla 850 stupňů, pasivační filmy MoO3 a TiO2 vytvořené na povrchu titanové slitiny urychlily rozpouštění, zvýšila se rychlost koroze a vytvořily se -fázové a -fázové mikrogalvanické články. Pasivační film navíc vykazuje vlastnosti polovodičů typu n, které jsou nezávislé na teplotě žíhání.
Prostřednictvím výše uvedených výsledků výzkumu bylo zjištěno, že teplota žíhání, vysoká kyselina a nekyselé vodní prostředí bohaté na chloridy ovlivní odolnost titanových slitin proti korozi. Tento závěr má hlavní význam pro optimalizaci materiálů slitin titanu v budoucnosti.
