Studio sulla resistenza alla corrosione del tubo del pozzo petrolifero in lega di titanio
L'essenza della resistenza alla corrosione della lega di titanio è che il titanio è un elemento termodinamicamente instabile con un potenziale elettrodico standard di soli -1.63 V (elettrodo a idrogeno standard HSE). Pertanto, il titanio e le leghe di titanio formano molto facilmente un film di ossido superficiale continuo, denso e molto sottile nell'aria o persino nell'acqua, che è composto da uno strato interno di Ti2O3 e uno strato esterno di TiO2, e continua ad addensarsi man mano che la reazione redox procede. Il film di ossido che ricopre la superficie della lega di titanio ostacola il trasferimento della carica di reazione e riduce o inibisce la dissoluzione della lega di titanio nel mezzo corrosivo, con conseguente passivazione.
Tuttavia, la lega di titanio ha un potenziale positivo più elevato rispetto ad altre leghe. Quando accoppiata a diverse leghe, la lega di titanio è protetta come catodo, il che accelera la corrosione del metallo accoppiato e può causare danni strutturali. Pertanto, studiosi nazionali e stranieri hanno anche condotto alcune ricerche sulla resistenza alla corrosione della lega di titanio in tubi di perforazione e rivestimento petrolifero.
1. Tubo di perforazione in lega di titanio
Peng et al. hanno valutato la prestazione di fatica delle aste di perforazione in lega di titanio. I risultati hanno mostrato che nell'aria, con l'aumento del grado di acciaio, la durata della fatica dell'asta di perforazione sarà estesa, mentre nel fango di perforazione, la prestazione di fatica dell'asta di perforazione in lega di titanio è la migliore. La Figura 3a mostra le curve di fatica di diversi campioni di aste di perforazione in fango H2S a temperatura ambiente. La presenza di fango H2S ridurrà notevolmente la durata della fatica di ciascun campione di aste di perforazione, indicando che l'asta di perforazione ha un'elevata sensibilità al fango H2S. Nell'ambiente di fango H2S, la durata della fatica dell'asta di perforazione in lega di titanio è significativamente superiore a quella delle aste di perforazione in acciaio come G105, S135 e V150. La Figura 3b traccia le curve SN di diverse aste di perforazione in fango H2S a 100 gradi. Rispetto all'aria a temperatura ambiente, la durata della fatica dei campioni G105, S135, V150 e Ti è significativamente ridotta. Il fattore di accoppiamento tra fango H2S e temperatura ha un impatto maggiore sulla durata della fatica dell'asta di perforazione rispetto a un singolo fattore. In queste condizioni di accoppiamento, la durata a fatica del tubo di perforazione in titanio presenta comunque un vantaggio maggiore rispetto ad altri tubi di perforazione.
Fig.3 Curve di fatica di campioni di tubi di perforazione G105, S135, V150 e Ti in diverse condizioni di lavoro
Chen et al. hanno utilizzato una nuova tecnologia di ossidazione micro-arco per il trattamento superficiale per aggiungere diverse concentrazioni di tungstato di sodio alla soluzione di ossidazione per eseguire l'ossidazione micro-arco sulla superficie del tubo di perforazione in lega di titanio TC4. Gli studi hanno dimostrato che il drogaggio con tungsteno può migliorare efficacemente la durezza e la resistenza alla corrosione del tubo di perforazione in lega di titanio TC4. E quando la concentrazione di tungstato di sodio è di 3 g/L, le prestazioni complessive dello strato di ossidazione micro-arco sul tubo di perforazione in lega di titanio sono le migliori.
In sintesi, la durata della fatica da corrosione del tubo di perforazione in lega di titanio in ambienti ad alta temperatura e alto tenore di zolfo è migliore di quella del tubo di perforazione in acciaio e il trattamento superficiale della lega di titanio TC4 può migliorare efficacemente la durezza e la resistenza alla corrosione del tubo di perforazione. Tuttavia, ci sono ancora pochi studi sul miglioramento della resistenza alla corrosione del tubo di perforazione in lega di titanio mediante trattamento superficiale, che fornisce anche una direzione per la ricerca futura.
2. Rivestimento dell'olio in lega di titanio
Wang et al. hanno studiato il materiale in lega di titanio TC4 che può essere utilizzato come rivestimento dell'olio. Hanno scoperto che in un ambiente di corrosione acida, si verifica una corrosione elettrochimica locale sulla superficie della lega TC4, principalmente corrosione puntiforme. Nel fluido di completamento contenente CO2, il grado di corrosione della lega TC4 è più grave, ma la resistenza alla corrosione è migliore nell'acqua di formazione contenente CO2. Nei due mezzi corrosivi contenenti CO2- di cui sopra, la lega TC4 ha un'eccellente resistenza alla corrosione sotto sforzo. Rispetto all'ambiente terrestre, la lega TC4 è più sensibile alla corrosione sotto sforzo nell'ambiente marino profondo.
Allo stesso tempo, Wang et al. hanno anche studiato il meccanismo di resistenza alla corrosione della lega di titanio TC4 in diverse condizioni di carico di stress e hanno scoperto che sulla superficie del campione caricato con stress elastico apparivano delle fossette, ma il grado di corrosione era relativamente leggero e lo strato di pellicola superficiale mostrava proprietà di semiconduttore di tipo n e aveva permeabilità selettiva ai cationi. Quando le fossette superficiali del campione sottoposto a stress plastico erano più profonde e larghe e il tipo di semiconduttore dello strato di pellicola superficiale veniva trasformato in tipo p, anioni come Cl- e CO32- venivano più facilmente assorbiti e distruggevano la pellicola protettiva e venivano a contatto con il substrato attraverso la pellicola protettiva, con conseguente diminuzione della resistenza alla corrosione della lega di titanio TC4.
Attualmente, le condizioni di lavoro dei giacimenti di petrolio e gas non convenzionali sono difficili. Le alte temperature ridurranno la resistenza allo snervamento e il modulo elastico di tubi e rivestimenti, mentre le alte pressioni aumenteranno la pressione di tubi e rivestimenti. Sotto l'azione di H2S, CO2 e Cl- da soli o insieme, la corrosione di tubi e rivestimenti sta diventando sempre più grave. I tubi e i rivestimenti in lega di titanio possono risolvere efficacemente il problema della corrosione nel fondo del foro, ma l'attuale ricerca sulla resistenza alla corrosione di tubi e rivestimenti in lega di titanio è ancora incompleta e necessita di ulteriori ricerche.
3. Tubi per pozzi petroliferi in lega di titanio
Schutz et al. hanno confrontato la resistenza alla corrosione delle stringhe di tubi in lega UNS R55400 con altre stringhe di tubi in lega di titanio per giacimenti petroliferi. I dati dei test di corrosione in laboratorio dello sviluppo delle condotte UNS R55400 hanno mostrato che la lega di titanio aveva una migliore resistenza alla SSC e alla corrosione locale per vaiolatura e fessura in ambienti con acqua altamente acida e non acida ricca di cloruri correlati all'industria dei giacimenti petroliferi.
La Tabella 2 mostra i limiti approssimativi del servizio ambientale di diversi tipi di leghe di titanio in diversi ambienti di giacimenti petroliferi. Si può vedere che le leghe di titanio UNS R55400 e UNS R56404 hanno le migliori prestazioni in ambienti con acqua ricca di cloruri acida e non acida, e la resistenza più elevata è la lega di titanio beta UNS R58640.
Wei et al. hanno studiato l'effetto della temperatura di ricottura sull'evoluzione della microstruttura e sul comportamento della corrosione della lega di titanio Ti-Mo in acido cloridrico. Hanno scoperto che quando la temperatura di ricottura superava gli 850 gradi, i film di passivazione MoO3 e TiO2 formati sulla superficie della lega di titanio acceleravano la dissoluzione, il tasso di corrosione aumentava e si formavano celle microgalvaniche in fase e in fase. Inoltre, il film di passivazione mostra proprietà semiconduttrici di tipo n che sono indipendenti dalla temperatura di ricottura.
Attraverso i risultati della ricerca di cui sopra, si è scoperto che la temperatura di ricottura, l'ambiente con acqua ricca di cloruri altamente acida e non acida influiranno sulla resistenza alla corrosione delle leghe di titanio. Questa conclusione ha un significato guida per l'ottimizzazione dei materiali in lega di titanio in futuro.
