鈦及鈦合金耐氏性能及組織的研究

王崇強(qiáng)

摘要：概述了油井管的現(xiàn)狀、鈦合金組織性能和流體動(dòng)力性能，重點(diǎn)介紹了油井管的耐蝕性及其影響。驗(yàn)證了第一原理計(jì)算在鈦合金管材設(shè)計(jì)和耐腐蝕性能方面的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：鈦合金;油井管;腐蝕;數(shù)值模擬;

鈦合金廣泛應(yīng)用于航空航天、海洋和生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，具有卓越的耐腐蝕性能和高工作負(fù)荷。20世紀(jì)90年代以來(lái)，鈦合金在國(guó)外油氣工業(yè)中的應(yīng)用已得到廣泛應(yīng)用。隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的增長(zhǎng)，對(duì)石油和天然氣的需求也在增長(zhǎng)。油氣開發(fā)正在發(fā)展成為一個(gè)具有困難和地質(zhì)條件的地區(qū)。為了適應(yīng)惡劣的工作環(huán)境，迫切需要高強(qiáng)度的耐腐蝕姿態(tài)。近年來(lái)，我們還試圖將鈦合金應(yīng)用于石油和天然氣工業(yè)。鈦合金首次應(yīng)用于超深高含硫氣井。同時(shí)，我們的一些研究所和公司正在油井管的開發(fā)。

一、鈦合金油井管的特點(diǎn)

鈦合金管強(qiáng)度高，屈服極限大于758mpa（110kpsi），質(zhì)量輕管材同規(guī)格大約相當(dāng)于鎳基重量的60%，軸向載荷為60%。耐腐蝕性、無(wú)鐵污染、耐腐蝕性高、H2S、CO2腐蝕性能與鎳金屬相比（G3、C276等）耐腐蝕性;疲勞強(qiáng)度高于鋼管、各向同性管道、相對(duì)水平和垂直電磁性能，無(wú)磁性便于在井下使用;熱膨脹系數(shù)為2/3鎳基合金體系;長(zhǎng)度為12米、規(guī)格大于340毫米的鈦合金油井管;其他良好性能楊氏模量和鎳合金模量1/2，總的來(lái)說(shuō)，它具有每米60.4%的鈦合金。

二、鈦合金油井管耐蝕性能與影響因素

1.鈦合金油井管的耐腐蝕性的。鈦合金多種多樣，材料的性能也各不相同。只有鈦和Ti-3Al-2.5V合金的強(qiáng)度較低（高達(dá)440mpa），不能用作油井管;Ti-3Al-8V-6Cr-4Zr-4Mo沖擊韌性與抗腐蝕性不符合油井管要求。TC4鈦合金更穩(wěn)定、更耐用。采用H2 S/CO2對(duì)鈦合金進(jìn)行高溫試驗(yàn)。鈦合金表面無(wú)腐蝕性或孔蝕。這表明點(diǎn)腐蝕對(duì)鈦合金沒(méi)有影響，鈦提供了H2S和CO2的優(yōu)良腐蝕性能。

對(duì)鈦合金TC4進(jìn)行了應(yīng)力腐蝕（SSCC）測(cè)試。鈦合金TC4均勻腐蝕速率低于0.001mm/a，在二氧化碳高溫高溫耐腐蝕環(huán)境中過(guò)高。在220℃的溫度下，正常腐蝕速率僅為0.0012mm/a。高強(qiáng)度研究表明，T4鈦對(duì)氫裂紋和高溫、高壓、H2S和CO2等不利條件不敏感。耐久性相當(dāng)于G3鎳基。

2.影響鈦合金油井管的耐蝕性。大多數(shù)油井管柱都受到環(huán)境的影響，例如溫度、酸度、堿液、鹽、pH值、濕度等。在空氣和濕度環(huán)境中，鈦和氧易受氧化反應(yīng)的影響，從而產(chǎn)生密集的被動(dòng)TiO2鈍化膜。正因?yàn)槿绱耍伿且环N很好的耐蝕性，但耐蝕性受到各種因素的影響。服役環(huán)境。通過(guò)比較海水和80℃熱海水水中鈦的自腐蝕電位，研究了鈦的電偶腐蝕在多大程度上受到腐蝕。其結(jié)果是鈦在80℃時(shí)的自腐蝕性能高于熱海水。隨著溫度的升高，海水中的氧溶液逐漸減少。鈦表面的還原很難形成，極易被極化，具有耐腐蝕的電位較負(fù)。結(jié)果表明，CL活性高、靜壓高、工作負(fù)荷大，對(duì)TiO2鈍化膜的形成和修復(fù)、應(yīng)力腐蝕裂紋和蠕變有重要影響。當(dāng)鈦pH值低于4時(shí)，進(jìn)行H+反應(yīng)堆反應(yīng)抑制鈦的衰變。H2O2溶液中pH>12的存在加速了鈦的腐蝕，因?yàn)镠2在H2O2溶液中的pH值超過(guò)10.6時(shí)會(huì)產(chǎn)生更多的腐蝕。pH值相對(duì)較低時(shí)，H2O2可能有助于修復(fù)鈦合金鈍膜和腐蝕鈦合金。熱加工方法。T4鈦合金在鹽酸的17%中最為刻蝕。由于結(jié)晶度的深度腐蝕，水冷卻產(chǎn)生的薄針狀結(jié)構(gòu)腐蝕性較低?？諝饫鋮s產(chǎn)生的薄層具有良好的韌性。T4鈦合金的耐蝕性能會(huì)隨等軸α相增加而變化。表面改性。T4鈦激光后面的納米薄層主要是tioxny和TiO2。通過(guò)比較T4鈦激光前后的塔菲爾曲線，發(fā)現(xiàn)耐腐蝕位在T4鈦激光后向前移動(dòng)，從而提高了激光氣體滲氮后試樣的強(qiáng)度。但是，在制備具有固體激光合金或激光表面的表面時(shí)，應(yīng)注意避免空氣泄漏和裂紋，這將嚴(yán)重影響表面的附著和分離，并導(dǎo)致剝落和開裂。

三、數(shù)值模擬的應(yīng)用

由于油氣開發(fā)環(huán)境不利，管道變得更加復(fù)雜，鈦合金的需求不斷增加。鈦合金是在苛刻的工作環(huán)境和復(fù)雜的環(huán)境中制造和使用的，腐蝕程度很高。

1鈦合金。鈦的成分按第一原理細(xì)化，從實(shí)驗(yàn)中對(duì)晶體結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，并根據(jù)第一原理計(jì)算得出相應(yīng)的截?cái)嗄芎蚹K-points。優(yōu)化晶體結(jié)構(gòu)使晶格常數(shù)保持在最低能量狀態(tài)。最后計(jì)算了結(jié)構(gòu)的力、熱和電化學(xué)性能。采用第一原理對(duì)鈦、鉀、鉀三相穩(wěn)定性進(jìn)行了鈦鉑穩(wěn)定性研究。β相、α相和α+β相結(jié)構(gòu)特性、相位穩(wěn)定性、彈性和晶格振動(dòng)。結(jié)果表明，通過(guò)優(yōu)化合金和合金數(shù)量對(duì)鈦合金進(jìn)行調(diào)整，提高了鈦合金的性能。鈦原子遷移過(guò)程中，第一原理和CI網(wǎng)絡(luò)方法在不影響外部元素或?qū)嶒?yàn)條件的情況下，為不同路徑上的不同原子生成遷移勢(shì)壘。采用第一原理波贗勢(shì)法，發(fā)現(xiàn)該融合提高了TiO2的氧性能，降低了TiO2的穩(wěn)定性。

2鈦界面用于腐蝕分析。第一原理與分子動(dòng)力學(xué)相結(jié)合，模擬分析了不同腐蝕環(huán)境下鈍化膜的腐蝕性能。結(jié)果表明，當(dāng)TiO2界面上Cl、HS和HCO3-b的連接是靜態(tài)的時(shí)，三種腐蝕性離子與TiO2界面上的正電荷相互作用更強(qiáng)。結(jié)果表明鈦鈍化膜受到三種腐蝕離子的損傷。Cl-與TiO2界面越簡(jiǎn)單，鈍化膜的熱穩(wěn)定性就越低。同樣條件下H2S環(huán)境下TiO2鈍化膜的熱力學(xué)穩(wěn)定性低于CO2。此外，TC4鈦表面的DLC膜提高了TC4鈦的強(qiáng)度和耐磨性，但DLC薄膜在腐蝕條件下落入TC4鈦界面。采用Cr、Cr、氮、二氧化碳作為過(guò)渡層，可以提高TC4鈦復(fù)合材料的硬度，并改善TC4鈦與DLC薄膜的界面。

鈦合金的綜合性能是油井選用的理想選擇。TC4鈦合金抗SSC強(qiáng)度高，CO2腐蝕率低，抗孔蝕、裂紋和氫氣。因此鈦合金在管道中具有廣泛的應(yīng)用油井管。

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