Studie zur Korrosionsbeständigkeit von Ölquellenrohren aus Titanlegierungen
Das Wesentliche an der Korrosionsbeständigkeit von Titanlegierungen ist, dass Titan ein thermodynamisch instabiles Element mit einem Standardelektrodenpotential von nur -1,63 V (Standardwasserstoffelektrode HSE) ist. Daher bilden Titan und Titanlegierungen in Luft oder sogar Wasser sehr leicht einen kontinuierlichen, dichten und sehr dünnen Oberflächenoxidfilm, der aus einer inneren Schicht aus Ti2O3 und einer äußeren Schicht aus TiO2 besteht und im Verlauf der Redoxreaktion immer dicker wird. Der Oxidfilm, der die Oberfläche der Titanlegierung bedeckt, behindert den Ladungstransfer der Reaktion und verringert oder hemmt die Auflösung der Titanlegierung im korrosiven Medium, was zu einer Passivierung führt.
Titanlegierungen haben jedoch ein höheres positives Potenzial als andere Legierungen. In Verbindung mit anderen Legierungen werden Titanlegierungen als Kathode geschützt, was die Korrosion des gekoppelten Metalls beschleunigt und zu strukturellen Schäden führen kann. Daher haben in- und ausländische Wissenschaftler auch bestimmte Untersuchungen zur Korrosionsbeständigkeit von Titanlegierungen in Bohrrohren und Ölgehäusen durchgeführt.
1. Bohrgestänge aus Titanlegierung
Peng et al. untersuchten die Ermüdungsbeständigkeit von Bohrrohren aus Titanlegierungen. Die Ergebnisse zeigten, dass sich die Ermüdungsbeständigkeit von Bohrrohren aus Titanlegierungen in Luft mit zunehmender Stahlqualität verlängert, während die Ermüdungsbeständigkeit von Bohrrohren aus Titanlegierungen in Bohrschlamm am besten ist. Abbildung 3a zeigt die Ermüdungskurven verschiedener Bohrrohrproben in H2S-Schlamm bei Raumtemperatur. Die Anwesenheit von H2S-Schlamm verkürzt die Ermüdungsbeständigkeit jeder Bohrrohrprobe erheblich, was darauf hindeutet, dass das Bohrrohr sehr empfindlich auf H2S-Schlamm reagiert. In einer Umgebung mit H2S-Schlamm ist die Ermüdungsbeständigkeit von Bohrrohren aus Titanlegierungen erheblich höher als die von Bohrrohren aus Stahl wie G105, S135 und V150. Abbildung 3b zeigt die SN-Kurven verschiedener Bohrrohre in H2S-Schlamm bei 100 Grad. Im Vergleich zu Luft bei Raumtemperatur ist die Ermüdungsbeständigkeit von Proben aus G105, S135, V150 und Ti erheblich verringert. Der Kopplungsfaktor von H2S-Schlamm und Temperatur hat einen größeren Einfluss auf die Ermüdungsbeständigkeit von Bohrrohren als ein einzelner Faktor. Unter diesen Kopplungsbedingungen weist das Titan-Bohrgestänge im Vergleich zu anderen Bohrgestängen immer noch eine höhere Ermüdungslebensdauer auf.
Abb. 3 Ermüdungskurven von G105-, S135-, V150- und Ti-Bohrgestängeproben unter verschiedenen Arbeitsbedingungen
Chen et al. verwendeten eine neue Mikrolichtbogenoxidationstechnologie zur Oberflächenbehandlung, um der Oxidationslösung unterschiedliche Konzentrationen von Natriumwolframat hinzuzufügen und so eine Mikrolichtbogenoxidation auf der Oberfläche des Bohrrohrs aus TC4-Titanlegierung durchzuführen. Studien haben gezeigt, dass Wolframdotierung die Härte und Korrosionsbeständigkeit des Bohrrohrs aus TC4-Titanlegierung effektiv verbessern kann. Und wenn die Konzentration von Natriumwolframat 3 g/l beträgt, ist die Gesamtleistung der Mikrolichtbogenoxidationsschicht auf dem Bohrrohr aus Titanlegierung am besten.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Korrosionsermüdungslebensdauer von Bohrrohren aus Titanlegierungen in Umgebungen mit hohen Temperaturen und hohem Schwefelgehalt besser ist als die von Bohrrohren aus Stahl, und die Oberflächenbehandlung der Titanlegierung TC4 kann die Härte und Korrosionsbeständigkeit des Bohrrohrs wirksam verbessern. Es gibt jedoch noch wenige Studien zur Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit von Bohrrohren aus Titanlegierungen durch Oberflächenbehandlung, was auch eine Richtung für zukünftige Forschungen vorgibt.
2. Ölgehäuse aus Titanlegierung
Wang et al. untersuchten das Titanlegierungsmaterial TC4, das als Ölgehäuse verwendet werden kann. Sie fanden heraus, dass in einer säurehaltigen Korrosionsumgebung lokale elektrochemische Korrosion auf der Oberfläche der TC4-Legierung auftritt, hauptsächlich Lochfraß. In der CO2-haltigen Vervollständigungsflüssigkeit ist der Korrosionsgrad der TC4-Legierung schwerwiegender, aber die Korrosionsbeständigkeit ist in dem CO2-haltigen Formationswasser besser. In den beiden oben genannten CO2-haltigen Korrosionsmedien weist die TC4-Legierung eine ausgezeichnete Beständigkeit gegen Spannungsrisskorrosion auf. Verglichen mit der terrestrischen Umgebung ist die TC4-Legierung in der Tiefseeumgebung anfälliger für Spannungsrisskorrosion.
Gleichzeitig untersuchten Wang et al. auch den Korrosionsbeständigkeitsmechanismus der Titanlegierung TC4 unter verschiedenen Spannungsbelastungsbedingungen und fanden heraus, dass auf der Oberfläche der mit elastischer Spannung belasteten Probe Löcher auftraten, der Grad der Löcher war jedoch relativ gering und die Oberflächenfilmschicht wies n-Typ-Halbleitereigenschaften auf und hatte eine kationenselektive Permeabilität. Wenn die Oberflächenlöcher der plastischen Spannung ausgesetzten Probe tiefer und breiter wurden und der Halbleitertyp der Oberflächenfilmschicht in den p-Typ umgewandelt wurde, wurden Anionen wie Cl- und CO32- leichter adsorbiert und zerstörten den Schutzfilm und kamen durch den Schutzfilm mit dem Substrat in Kontakt, was zu einer Verringerung der Korrosionsbeständigkeit der Titanlegierung TC4 führte.
Derzeit sind die Arbeitsbedingungen in nicht-konventionellen Öl- und Gasfeldern hart. Hohe Temperaturen verringern die Streckgrenze und den Elastizitätsmodul von Rohren und Gehäusen, und hoher Druck erhöht den Druck von Rohren und Gehäusen. Unter der Einwirkung von H2S, CO2 und Cl- allein oder zusammen wird die Korrosion von Rohren und Gehäusen immer schwerwiegender. Rohre und Gehäuse aus Titanlegierungen können das Problem von Korrosionsfehlern im Bohrloch wirksam lösen, aber die aktuelle Forschung zur Korrosionsbeständigkeit von Rohren und Gehäusen aus Titanlegierungen ist noch unvollständig und bedarf weiterer Forschung.
3. Ölquellenrohre aus Titanlegierung
Schutz et al. verglichen die Korrosionsbeständigkeit von Rohrleitungen aus UNS R55400-Legierung mit anderen Rohrleitungen aus Titanlegierungen für Ölfelder. Die Laborkorrosionstestdaten der Entwicklung von UNS R55400-Pipelines zeigten, dass die Titanlegierung eine verbesserte Beständigkeit gegen SSC und lokale Lochfraß- und Spaltkorrosion in stark sauren und nicht sauren chloridreichen Wasserumgebungen wie in der Ölfeldindustrie aufweist.
Tabelle 2 zeigt die ungefähren Umwelteinsatzgrenzen verschiedener Arten von Titanlegierungen in verschiedenen Ölfeldumgebungen. Es ist ersichtlich, dass die Titanlegierungen UNS R55400 und UNS R56404 die beste Leistung in sauren und nicht sauren chloridreichen Wasserumgebungen aufweisen und die höchste Festigkeit die Beta-Titanlegierung UNS R58640 aufweist.
Wei et al. untersuchten die Auswirkungen der Glühtemperatur auf die Mikrostrukturentwicklung und das Korrosionsverhalten der Ti-Mo-Titanlegierung in Salzsäure. Sie fanden heraus, dass sich die auf der Oberfläche der Titanlegierung gebildeten MoO3- und TiO2-Passivierungsfilme bei einer Glühtemperatur von über 850 Grad schneller auflösten, die Korrosionsrate zunahm und -phasige und -phasige mikrogalvanische Zellen gebildet wurden. Darüber hinaus zeigt der Passivierungsfilm n-Typ-Halbleitereigenschaften, die unabhängig von der Glühtemperatur sind.
Die oben genannten Forschungsergebnisse zeigen, dass die Glühtemperatur sowie eine stark säurehaltige und nicht säurehaltige, chloridreiche Wasserumgebung die Korrosionsbeständigkeit von Titanlegierungen beeinflussen. Diese Schlussfolgerung ist von entscheidender Bedeutung für die zukünftige Optimierung von Titanlegierungsmaterialien.