鈦合金材料在高酸性環(huán)境中的耐蝕性能研究＊

閆 靜 吳貴陽(yáng) 吳 華 劉志德 袁 曦 谷 壇

（1．中國(guó)石油西南油氣田公司天然氣研究院

2．國(guó)家能源高含硫氣藏開采研發(fā)中心）

（3．中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司高含硫氣藏開采先導(dǎo)試驗(yàn)基地）

我國(guó)部分氣田H2S含量較高，特別是在川渝地區(qū)。有些高含硫氣田還存在元素硫，腐蝕環(huán)境非常惡劣［1－2］。盡管與鎳基合金相比，鈦合金價(jià)格相對(duì)較貴，但是鈦合金以其優(yōu)異的抗點(diǎn)蝕性能，近年來開始逐漸應(yīng)用于油／氣環(huán)境中［3］，尤其是當(dāng)工況條件比較惡劣，Cl－和H2S含量很高，一般的不銹鋼，甚至是鎳基合金都會(huì)發(fā)生腐蝕的情況下。目前，鈦合金在國(guó)外油氣田已經(jīng)成功應(yīng)用［4－5］，但是在國(guó)內(nèi)還處于起步階段。因此，本實(shí)驗(yàn)針對(duì)川東北高酸性氣田的腐蝕環(huán)境特點(diǎn)和防腐技術(shù)要求，開展鈦合金及其焊縫在高酸性氣田環(huán)境中的耐腐蝕性能研究。

1 試驗(yàn)材料和方法

1．1 試驗(yàn)材料

試樣采用的是TA2，退火態(tài)。表1是鈦合金TA2基材的化學(xué)成分，圖1是TA2基材的金相組織，表明TA2基材由單一的α相組成。圖2是焊縫的金相組織，由圖2可看出，焊縫組織有兩種形式，一種是由大塊的大塊α＋α組成，另一種由大塊α＋片狀α＋α組成；與焊縫組織相比，熱影響區(qū)的組織要細(xì)小一些。

表1 TA2基材的化學(xué)成分 （w／%）Table 1 Chemical composition of TA2 based material

1．2 試驗(yàn)方法

采用失重掛片法進(jìn)行高壓電化學(xué)腐蝕試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)條件1：總壓10 MPa，φ（H2S）15%，φ（CO2）10%，5%（w）的Na Cl鹽水，40℃，72 h；實(shí)驗(yàn)條件2：總壓10 MPa，φ（H2S）15%，φ（CO2）10%，NACE A 溶液，常溫，30天。

采用NACE T M0177 A法（恒負(fù)荷拉伸試驗(yàn)）進(jìn)行常溫、常壓條件下的SSC試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)條件：試驗(yàn)介質(zhì)為NACE0177標(biāo)準(zhǔn)溶液（A）：試驗(yàn)溶液由質(zhì)量分?jǐn)?shù)5．0%的NaCl、質(zhì)量分?jǐn)?shù)0．5%的冰乙酸、蒸餾水或去離子水組成，通入H2S至飽和。試驗(yàn)采用應(yīng)力環(huán)，溫度為室溫，試驗(yàn)周期720 h，外加恒載荷σ＝100%Rp0．2。試樣尺寸為A法拉伸標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)尺寸［6］，焊縫試樣要求焊縫處于中心。

采用四點(diǎn)彎曲法進(jìn)行高壓條件下的SSC評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)條件：總壓10 MPa，φ（H2S）15%，φ（CO2）10%，溫度25 ℃，5%（w）的 Na Cl鹽水。試驗(yàn)在高壓釜中進(jìn)行，試驗(yàn)周期720 h。試驗(yàn)后對(duì)試樣表面進(jìn)行金相分析，以確定表面是否產(chǎn)生裂紋。外加應(yīng)力為σ＝100%Rp0．2。四點(diǎn)彎曲試樣為100 mm×15 mm×3 mm薄片試樣，焊縫試樣要求焊縫處于中心。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2．1 電化學(xué)試驗(yàn)

電化學(xué)腐蝕實(shí)驗(yàn)條件1結(jié)果見表2，經(jīng)清洗處理后的試片表面形貌見圖3。從圖3與表2可看出，在設(shè)定的腐蝕環(huán)境中，鈦合金的腐蝕速率很小，全部低于0．01 mm／a；試片顏色變黑，但是不發(fā)生局部腐蝕，表明表面形成的鈍化膜具有很好的耐蝕性。

表2 鈦合金的電化學(xué)腐蝕評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)條件1的實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 2 Results of electrochemical corrosion perfor mance of titanium alloys at test 1 condition

電化學(xué)腐蝕試驗(yàn)條件2實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表3。從表3可以看出，在設(shè)定的實(shí)驗(yàn)條件下，鈦合金未發(fā)生明顯的腐蝕。

表3 鈦合金的電化學(xué)腐蝕評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)條件2的實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 3 Results of electrochemical corrosion perfor mance of titanium alloys at test 2 condition

2．2 抗環(huán)境開裂性能評(píng)價(jià)

表4為鈦合金及其焊縫實(shí)驗(yàn)中的外加應(yīng)力。對(duì)于焊縫的NACE T M0177 A法實(shí)驗(yàn)，由于焊縫和本體的屈服強(qiáng)度差別比較大，若將焊縫加載到100%屈服強(qiáng)度，那么本體早已發(fā)生了開裂。因此，焊縫的外加應(yīng)力為本體的100%屈服強(qiáng)度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，鈦合金及其焊縫均通過720 h實(shí)驗(yàn)，未發(fā)生開裂。圖4是實(shí)驗(yàn)后鈦合金及其焊縫的表面形貌。

表4 試樣外加應(yīng)力情況Table 4 Applied stress of sample

表5所列是四點(diǎn)彎曲試片的尺寸和變形量。

表5 試片的尺寸和變形量Table 5 Size and defor mation of specimen

同時(shí)，由于焊縫的屈服強(qiáng)度遠(yuǎn)大于母體的屈服強(qiáng)度，在試驗(yàn)過程中考慮到若將焊縫加載到100%Rp0．2，那么本體早已發(fā)生了開裂。因此，焊縫的外加應(yīng)力為本體的100%Rp0．2。

試驗(yàn)結(jié)束后，所有試樣都未發(fā)生斷裂、未見腐蝕產(chǎn)物及裂紋。試樣發(fā)生了輕微的變形，可能的原因是加載為100%屈服強(qiáng)度。因此，卸載后不能完全恢復(fù)到原來的形狀，見圖5和圖6。

3 結(jié)論

（1） 本實(shí)驗(yàn)研究了鈦合金在高酸性氣田下的耐蝕性能，認(rèn)為鈦合金耐電化學(xué)腐蝕性能良好。在本試驗(yàn)條件下，腐蝕速率均小于0．01 mm／a，未發(fā)生局部腐蝕。

（2） 鈦合金和焊縫均能通過四點(diǎn)彎曲法和NACE T M0177 A法（恒負(fù)荷拉伸試驗(yàn)）試驗(yàn)，720 h后本體和焊縫都沒有產(chǎn)生裂紋。因此，從耐蝕角度看，鈦合金具有在高酸性氣田使用的可能性。

［1］ 姜放．高酸性氣田金屬材料的實(shí)驗(yàn)室評(píng)價(jià)方法研究［J］．天然氣工業(yè)，2004，24（10）：105－107．

［2］ 薛麗娜，周小虎，嚴(yán)焱誠(chéng)，等．高溫酸性氣藏油層套管選材探析——以四川盆地元壩氣田為例［J］．天然氣工業(yè)，2013，33（1）：85－89．

［3］ Kane e R D．Titaniu m alloys f or oil and gas service：a review［C］／／Corrosion 09，Paper No．078，NACE，2009．

［4］ Gonzalez M．Titaniu m alloy t ubing f or HPHT applications［C］／／2008 SPE Annual Tech．Conf，Paper No．115708，SPE，2008．

［5］ Link D R，Schutz R W．Engineering incentives f or utilizing Ti－3 Al－8 V－6Cr－4Zr－4 Mo alloy tubulars in highly aggressive deep sour wells［C］／／Corr osion 92，Paper No．63，NACE 1992．

［6］ Laboratory testing of metals f or resistance to sulfide stress cracking and stress corrosion cracking in H2S environ ments［S］／／NACE Standar d T M0177－96，Ite m No．21212，1996．