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        鈦合金材料在高酸性環(huán)境中的耐蝕性能研究*

        2014-10-16 03:04:50吳貴陽劉志德
        石油與天然氣化工 2014年2期
        關(guān)鍵詞:氣田鈦合金酸性

        閆 靜 吳貴陽 吳 華 劉志德 袁 曦 谷 壇

        (1.中國石油西南油氣田公司天然氣研究院

        2.國家能源高含硫氣藏開采研發(fā)中心)

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

        我國部分氣田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,鈦合金價格相對較貴,但是鈦合金以其優(yōu)異的抗點蝕性能,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發(fā)生腐蝕的情況下。目前,鈦合金在國外油氣田已經(jīng)成功應(yīng)用[4-5],但是在國內(nèi)還處于起步階段。因此,本實驗針對川東北高酸性氣田的腐蝕環(huán)境特點和防腐技術(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 試驗材料和方法

        1.1 試驗材料

        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 試驗方法

        采用失重掛片法進(jìn)行高壓電化學(xué)腐蝕試驗。實驗條件1:總壓10 MPa,φ(H2S)15%,φ(CO2)10%,5%(w)的Na Cl鹽水,40℃,72 h;實驗條件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)進(jìn)行常溫、常壓條件下的SSC試驗。實驗條件:試驗介質(zhì)為NACE0177標(biāo)準(zhǔn)溶液(A):試驗溶液由質(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。試驗采用應(yīng)力環(huán),溫度為室溫,試驗周期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。

        采用四點彎曲法進(jìn)行高壓條件下的SSC評價實驗。實驗條件:總壓10 MPa,φ(H2S)15%,φ(CO2)10%,溫度25 ℃,5%(w)的 Na Cl鹽水。試驗在高壓釜中進(jìn)行,試驗周期720 h。試驗后對試樣表面進(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 試驗結(jié)果與討論

        2.1 電化學(xué)試驗

        電化學(xué)腐蝕實驗條件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)腐蝕評價實驗條件1的實驗結(jié)果Table 2 Results of electrochemical corrosion perfor mance of titanium alloys at test 1 condition

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

        表3 鈦合金的電化學(xué)腐蝕評價實驗條件2的實驗結(jié)果Table 3 Results of electrochemical corrosion perfor mance of titanium alloys at test 2 condition

        2.2 抗環(huán)境開裂性能評價

        表4為鈦合金及其焊縫實驗中的外加應(yīng)力。對于焊縫的NACE T M0177 A法實驗,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。實驗結(jié)果表明,鈦合金及其焊縫均通過720 h實驗,未發(fā)生開裂。圖4是實驗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,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) 本實驗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彎曲法和NACE T M0177 A法(恒負(fù)荷拉伸試驗)試驗,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驗室評價方法研究[J].天然氣工業(yè),2004,24(10):105-107.

        [2] 薛麗娜,周小虎,嚴(yán)焱誠,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.

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