酸性油氣田的井筒腐蝕可分為單一的 CO2 + 地層水的腐蝕介質(zhì)類型和 H2S /CO2 + 地層水的腐蝕介質(zhì)類型。鈦合金油井管在此環(huán)境下服役，主要遭受應(yīng)力腐蝕、孔蝕、縫隙腐蝕、接觸腐蝕以及氫脆。
應(yīng)力腐蝕
應(yīng)力腐蝕是油氣田行業(yè)中腐蝕危害較大的一種表現(xiàn)形式，處于腐蝕介質(zhì)中的金屬材料在拉應(yīng)力作用下會發(fā)生斷裂。發(fā)生應(yīng)力腐蝕的基本過程為: 拉應(yīng)力作用下金屬表層所形成的保護(hù)膜發(fā)生破損開裂，從而產(chǎn)生孔蝕或縫隙腐蝕， 這 2 種腐蝕一般都是縱向延伸的，但在應(yīng)力腐蝕中還存在拉應(yīng)力，因此又會再次破壞縫隙兩邊的氧化膜，產(chǎn)生裂縫。鈦合金應(yīng)力腐蝕機(jī)理分為陽極溶解型和氫致開裂型。
關(guān)于陽極溶解型，當(dāng)應(yīng)力腐蝕發(fā)生時，伴隨著外層鈍化膜和疏松層的逐漸形成，所產(chǎn)生大的附加拉應(yīng)力會使位錯慢慢形成并且開始運(yùn)動，直到材料表面應(yīng)力達(dá)到一定臨界值時，應(yīng)力腐蝕微裂紋形核。在介質(zhì)影響下，微裂紋擴(kuò)展，造成低應(yīng)力脆斷。對于氫致開裂型，應(yīng)力腐蝕過程中會伴隨有氫離子的遷移與放電過程，所產(chǎn)生的一部分氫則吸附于鈦合金表面或遷移到基體內(nèi)部，導(dǎo)致鈦合金管材應(yīng)力脆斷。
孔蝕與縫隙腐蝕
鈦合金的孔蝕，即腐蝕產(chǎn)生于鈦合金表面微孔內(nèi)，隨著氧的逐漸消耗，產(chǎn)生的氧濃度差加快了孔內(nèi)腐蝕，其破壞與影響程度遠(yuǎn)大于全面腐蝕?？p隙腐蝕經(jīng)常存在于鈦合金緊固件上，其腐蝕過程分為孕育期與活性溶解期。縫隙內(nèi)發(fā)生鈦的溶解且氧濃度隨腐蝕的進(jìn)行而逐漸減少，吸氧反應(yīng)逐漸外移; 同時鈦溶解形成的 Ti3+ 發(fā)生水解，并產(chǎn)生H+，反過來又活化鈦合金表面，進(jìn)一步加速鈦合金腐蝕。鈦合金縫隙腐蝕后的宏觀形貌如下圖所示。
接觸腐蝕
鈦合金在使用期間會與異質(zhì)材料相接觸，由于鈦合金表面電位較高，會與其接觸的金屬產(chǎn)生電化學(xué)回路，造成接觸腐蝕。在接觸腐蝕中，鈦合金大多數(shù)作為陰極而被保護(hù)，其自身遭受電偶腐蝕影響不大，如鈦合金同大氣或海水接觸會產(chǎn)生鈍化，出現(xiàn)一層致密鈍化膜，能夠增強(qiáng)鈦合金的抗腐蝕性能。但是接觸腐蝕對整個構(gòu)件的完整性影響較大，如外表電位偏高的鈦合金與銅、鋁及碳鋼等金屬發(fā)生接觸時，這些金屬作為陽極與鈦合金發(fā)生電偶腐蝕。如 T2 銅片與 TC4 鈦片間電偶腐蝕反應(yīng)強(qiáng)烈，銅離子的釋放速率能夠穩(wěn)定在 160 μg /( cm2·d) 左右，相比 T2 銅片發(fā)生自腐蝕時銅離子的釋放速率提高了數(shù)十倍。
氫脆
鈦合金管柱內(nèi)的酸性液體中存在氫，且鈦合金出現(xiàn)局部腐蝕和陰極過保護(hù)時也會形成氫，這會導(dǎo)致易吸氫的鈦合金發(fā)生氫脆。吸氫機(jī)理至少包含析氫和吸氫 2 個基本過程:在室溫下，氫在 α 鈦中的溶解度較小，α 鈦與氫極易生成氫化鈦，因此氫化物型氫脆是純鈦及 α 鈦合金的主要?dú)浯啾憩F(xiàn)形式; 若鈦中氫含量高于鈦中氫的最大溶解度時，氫會與鈦反應(yīng)形成氫化鈦，在氫含量逐漸增加的情況下，鈦氫化物會進(jìn)行延展并積聚，當(dāng)鈦氫化物的量到達(dá)一定程度時，鈦基體的塑性則會顯著降低，并因外應(yīng)力的存在而發(fā)生塑性變形。下表為幾種常用鈦合金發(fā)生氫致延遲開裂的最低氫含量。
來源 |寶雞鈦產(chǎn)業(yè)研究院
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