チタン合金油井管の耐食性に関する研究

チタン合金の耐食性の本質は、チタンが熱力学的に不安定な元素であり、標準電極電位がわずか-1.63 V（標準水素電極HSE）であることです。そのため、チタンとチタン合金は、空気中または水中でさえ、連続的で緻密で非常に薄い表面酸化膜を形成しやすく、これはTi2O3の内層とTiO2の外層で構成され、酸化還元反応が進むにつれて厚くなり続けます。チタン合金の表面を覆う酸化膜は、反応電荷移動を妨げ、腐食性媒体中のチタン合金の溶解を減少または阻害し、不動態化をもたらします。

しかし、チタン合金は他の合金よりも高い正電位を持っています。異なる合金と結合すると、チタン合金は陰極として保護され、結合した金属の腐食を加速し、構造損傷につながる可能性があります。そのため、国内外の学者もドリルパイプや石油ケーシングにおけるチタン合金の耐腐食性について一定の研究を行っています。

1. チタン合金ドリルパイプ
Pengらは、チタン合金製ドリルパイプの疲労性能を評価しました。結果によると、空気中では鋼のグレードが上がるにつれてドリルパイプの疲労寿命が延びますが、掘削泥中ではチタン合金製ドリルパイプの疲労性能が最も優れています。図3aは、室温のH2S泥中でのさまざまなドリルパイプサンプルの疲労曲線を示しています。H2S泥の存在により、各ドリルパイプサンプルの疲労寿命が大幅に短縮され、ドリルパイプがH2S泥に対して高い感受性を持っていることを示しています。H2S泥環境では、チタン合金製ドリルパイプの疲労寿命は、G105、S135、V150などの鋼製ドリルパイプの疲労寿命よりも大幅に高くなります。図3bは、100度のH2S泥中でのさまざまなドリルパイプのSN曲線をプロットしたものです。室温の空気と比較して、G105、S135、V150、およびTiサンプルの疲労寿命は大幅に短縮されています。 H2S泥と温度の結合係数は、単一の要因よりもドリルパイプの疲労寿命に大きな影響を与えます。この結合条件下では、チタンドリルパイプの疲労寿命は他のドリルパイプよりも依然として大きな利点があります。

図3 異なる作業条件下でのG105、S135、V150、Tiドリルパイプ試験片の疲労曲線

陳らは、新しい表面処理マイクロアーク酸化技術を使用して、異なる濃度のタングステン酸ナトリウムを酸化溶液に加え、TC4チタン合金ドリルパイプの表面でマイクロアーク酸化を行いました。研究によると、タングステンのドーピングはTC4チタン合金ドリルパイプの硬度と耐食性を効果的に向上させることができます。また、タングステン酸ナトリウムの濃度が3g / Lのとき、チタン合金ドリルパイプ上のマイクロアーク酸化層の総合的な性能は最高です。

まとめると、高温高硫黄環境におけるチタン合金ドリルパイプの腐食疲労寿命は鋼製ドリルパイプよりも優れており、TC4チタン合金の表面処理により、ドリルパイプの硬度と耐食性を効果的に向上させることができます。ただし、表面処理によるチタン合金ドリルパイプの耐食性の向上に関する研究はまだ少なく、今後の研究の方向性を示しています。

2. チタン合金オイルケース
王らは、石油ケーシングとして使用できるチタン合金材料TC4を研究しました。彼らは、酸性腐食環境では、TC4合金の表面に局所的な電気化学的腐食、主に孔食腐食が発生することを発見しました。CO2を含む完成流体では、TC4合金の腐食度はより深刻ですが、CO2を含む地層水中での耐食性はより優れています。上記の2つのCO2-を含む腐食性媒体では、TC4合金は応力腐食割れに対する優れた耐性を備えています。陸上環境と比較して、深海環境ではTC4合金は応力腐食割れに対してより敏感です。

同時に、王らは、異なる応力負荷条件下でのTC4チタン合金の耐食性メカニズムも研究し、弾性応力が負荷されたサンプルの表面にピットが現れるが、ピットの程度は比較的軽く、表面皮膜層はn型半導体特性を示し、陽イオン選択透過性を持つことを発見した。塑性応力を受けたサンプルの表面ピットがより深く広くなり、表面皮膜層の半導体タイプがp型に変化すると、Cl-やCO32-などの陰イオンがより容易に吸着されて保護皮膜を破壊し、保護皮膜を介して基板と接触し、TC4チタン合金の耐食性が低下した。

現在、非在来型油田とガス田の作業条件は過酷です。高温はパイプとケーシングの降伏強度と弾性率を低下させ、高圧はパイプとケーシングの圧力を上昇させます。H2S、CO2、Cl-の単独または組み合わせの作用により、パイプとケーシングの腐食はますます深刻になっています。チタン合金パイプとケーシングは、坑内腐食破損の問題を効果的に解決できますが、チタン合金パイプとケーシングの耐食性に関する現在の研究はまだ不完全であり、さらなる研究が必要です。

3. チタン合金油井管
Schutz らは、UNS R55400 合金パイプストリングの耐食性を他の油田チタン合金パイプストリングと比較しました。UNS R55400 パイプライン開発の実験室腐食試験データでは、油田産業に関連する高酸性および非酸性の塩化物に富む水環境において、チタン合金の SSC および局所的な孔食と隙間腐食に対する耐性が向上していることが示されました。

表2は、異なる油田環境における各種チタン合金のおおよその環境使用限界を示しています。UNS R55400およびUNS R56404チタン合金は、酸性および非酸性の塩化物に富む水環境で最良の性能を発揮し、最も強度が高いのはUNS R58640ベータチタン合金であることがわかります。

Weiらは、Ti-Moチタン合金の塩酸中での微細構造の発達と腐食挙動に対する焼鈍温度の影響を研究した。彼らは、焼鈍温度が850度を超えると、チタン合金の表面に形成されたMoO3とTiO2の不動態膜が溶解を加速し、腐食速度が増加し、-相と-相のマイクロガルバニックセルが形成されることを発見した。さらに、不動態膜は、焼鈍温度に依存しないn型半導体特性を示した。

上記の研究結果から、焼鈍温度、高酸、非酸性塩化物の多い水環境がチタン合金の耐食性に影響を与えることが分かりました。この結論は、将来のチタン合金材料の最適化に重要な指針となります。