钛及钛合金耐氏性能及组织的研究

王崇强

摘要：概述了油井管的現状、钛合金组织性能和流体动力性能，重点介绍了油井管的耐蚀性及其影响。验证了第一原理计算在钛合金管材设计和耐腐蚀性能方面的应用。

关键词：钛合金;油井管;腐蚀;数值模拟;

钛合金广泛应用于航空航天、海洋和生物医学领域，具有卓越的耐腐蚀性能和高工作负荷。20世纪90年代以来，钛合金在国外油气工业中的应用已得到广泛应用。随着中国经济的增长，对石油和天然气的需求也在增长。油气开发正在发展成为一个具有困难和地质条件的地区。为了适应恶劣的工作环境，迫切需要高强度的耐腐蚀姿态。近年来，我们还试图将钛合金应用于石油和天然气工业。钛合金首次应用于超深高含硫气井。同时，我们的一些研究所和公司正在油井管的开发。

一、钛合金油井管的特点

钛合金管强度高，屈服极限大于758mpa（110kpsi），质量轻管材同规格大约相当于镍基重量的60%，轴向载荷为60%。耐腐蚀性、无铁污染、耐腐蚀性高、H2S、CO2腐蚀性能与镍金属相比（G3、C276等）耐腐蚀性;疲劳强度高于钢管、各向同性管道、相对水平和垂直电磁性能，无磁性便于在井下使用;热膨胀系数为2/3镍基合金体系;长度为12米、规格大于340毫米的钛合金油井管;其他良好性能杨氏模量和镍合金模量1/2，总的来说，它具有每米60.4%的钛合金。

二、钛合金油井管耐蚀性能与影响因素

1.钛合金油井管的耐腐蚀性的。钛合金多种多样，材料的性能也各不相同。只有钛和Ti-3Al-2.5V合金的强度较低（高达440mpa），不能用作油井管;Ti-3Al-8V-6Cr-4Zr-4Mo冲击韧性与抗腐蚀性不符合油井管要求。TC4钛合金更稳定、更耐用。采用H2 S/CO2对钛合金进行高温试验。钛合金表面无腐蚀性或孔蚀。这表明点腐蚀对钛合金没有影响，钛提供了H2S和CO2的优良腐蚀性能。

对钛合金TC4进行了应力腐蚀（SSCC）测试。钛合金TC4均匀腐蚀速率低于0.001mm/a，在二氧化碳高温高温耐腐蚀环境中过高。在220℃的温度下，正常腐蚀速率仅为0.0012mm/a。高强度研究表明，T4钛对氢裂纹和高温、高压、H2S和CO2等不利条件不敏感。耐久性相当于G3镍基。

2.影响钛合金油井管的耐蚀性。大多数油井管柱都受到环境的影响，例如温度、酸度、碱液、盐、pH值、湿度等。在空气和湿度环境中，钛和氧易受氧化反应的影响，从而产生密集的被动TiO2钝化膜。正因为如此，钛是一种很好的耐蚀性，但耐蚀性受到各种因素的影响。服役环境。通过比较海水和80℃热海水水中钛的自腐蚀电位，研究了钛的电偶腐蚀在多大程度上受到腐蚀。其结果是钛在80℃时的自腐蚀性能高于热海水。随着温度的升高，海水中的氧溶液逐渐减少。钛表面的还原很难形成，极易被极化，具有耐腐蚀的电位较负。结果表明，CL活性高、静压高、工作负荷大，对TiO2钝化膜的形成和修复、应力腐蚀裂纹和蠕变有重要影响。当钛pH值低于4时，进行H+反应堆反应抑制钛的衰变。H2O2溶液中pH>12的存在加速了钛的腐蚀，因为H2在H2O2溶液中的pH值超过10.6时会产生更多的腐蚀。pH值相对较低时，H2O2可能有助于修复钛合金钝膜和腐蚀钛合金。热加工方法。T4钛合金在盐酸的17%中最为刻蚀。由于结晶度的深度腐蚀，水冷却产生的薄针状结构腐蚀性较低。空气冷却产生的薄层具有良好的韧性。T4钛合金的耐蚀性能会随等轴α相增加而变化。表面改性。T4钛激光后面的纳米薄层主要是tioxny和TiO2。通过比较T4钛激光前后的塔菲尔曲线，发现耐腐蚀位在T4钛激光后向前移动，从而提高了激光气体渗氮后试样的强度。但是，在制备具有固体激光合金或激光表面的表面时，应注意避免空气泄漏和裂纹，这将严重影响表面的附着和分离，并导致剥落和开裂。

三、数值模拟的应用

由于油气开发环境不利，管道变得更加复杂，钛合金的需求不断增加。钛合金是在苛刻的工作环境和复杂的环境中制造和使用的，腐蚀程度很高。

1钛合金。钛的成分按第一原理细化，从实验中对晶体结构进行建模，并根据第一原理计算得出相应的截断能和kK-points。优化晶体结构使晶格常数保持在最低能量状态。最后计算了结构的力、热和电化学性能。采用第一原理对钛、钾、钾三相稳定性进行了钛铂稳定性研究。β相、α相和α+β相结构特性、相位稳定性、弹性和晶格振动。结果表明，通过优化合金和合金数量对钛合金进行调整，提高了钛合金的性能。钛原子迁移过程中，第一原理和CI网络方法在不影响外部元素或实验条件的情况下，为不同路径上的不同原子生成迁移势垒。采用第一原理波赝势法，发现该融合提高了TiO2的氧性能，降低了TiO2的稳定性。

2钛界面用于腐蚀分析。第一原理与分子动力学相结合，模拟分析了不同腐蚀环境下钝化膜的腐蚀性能。结果表明，当TiO2界面上Cl、HS和HCO3-b的连接是静态的时，三种腐蚀性离子与TiO2界面上的正电荷相互作用更强。结果表明钛钝化膜受到三种腐蚀离子的损伤。Cl-与TiO2界面越简单，钝化膜的热稳定性就越低。同样条件下H2S环境下TiO2钝化膜的热力学稳定性低于CO2。此外，TC4钛表面的DLC膜提高了TC4钛的强度和耐磨性，但DLC薄膜在腐蚀条件下落入TC4钛界面。采用Cr、Cr、氮、二氧化碳作为过渡层，可以提高TC4钛复合材料的硬度，并改善TC4钛与DLC薄膜的界面。

钛合金的综合性能是油井选用的理想选择。TC4钛合金抗SSC强度高，CO2腐蚀率低，抗孔蚀、裂纹和氢气。因此钛合金在管道中具有广泛的应用油井管。

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