鈦及鈦合金耐氏性能及組織的研究

王崇強

摘要：概述了油井管的現狀、鈦合金組織性能和流體動力性能，重點介紹了油井管的耐蝕性及其影響。驗證了第一原理計算在鈦合金管材設計和耐腐蝕性能方面的應用。

關鍵詞：鈦合金;油井管;腐蝕;數值模擬;

鈦合金廣泛應用于航空航天、海洋和生物醫學領域，具有卓越的耐腐蝕性能和高工作負荷。20世紀90年代以來，鈦合金在國外油氣工業中的應用已得到廣泛應用。隨著中國經濟的增長，對石油和天然氣的需求也在增長。油氣開發正在發展成為一個具有困難和地質條件的地區。為了適應惡劣的工作環境，迫切需要高強度的耐腐蝕姿態。近年來，我們還試圖將鈦合金應用于石油和天然氣工業。鈦合金首次應用于超深高含硫氣井。同時，我們的一些研究所和公司正在油井管的開發。

一、鈦合金油井管的特點

鈦合金管強度高，屈服極限大于758mpa（110kpsi），質量輕管材同規格大約相當于鎳基重量的60%，軸向載荷為60%。耐腐蝕性、無鐵污染、耐腐蝕性高、H2S、CO2腐蝕性能與鎳金屬相比（G3、C276等）耐腐蝕性;疲勞強度高于鋼管、各向同性管道、相對水平和垂直電磁性能，無磁性便于在井下使用;熱膨脹系數為2/3鎳基合金體系;長度為12米、規格大于340毫米的鈦合金油井管;其他良好性能楊氏模量和鎳合金模量1/2，總的來說，它具有每米60.4%的鈦合金。

二、鈦合金油井管耐蝕性能與影響因素

1.鈦合金油井管的耐腐蝕性的。鈦合金多種多樣，材料的性能也各不相同。只有鈦和Ti-3Al-2.5V合金的強度較低（高達440mpa），不能用作油井管;Ti-3Al-8V-6Cr-4Zr-4Mo沖擊韌性與抗腐蝕性不符合油井管要求。TC4鈦合金更穩定、更耐用。采用H2 S/CO2對鈦合金進行高溫試驗。鈦合金表面無腐蝕性或孔蝕。這表明點腐蝕對鈦合金沒有影響，鈦提供了H2S和CO2的優良腐蝕性能。

對鈦合金TC4進行了應力腐蝕（SSCC）測試。鈦合金TC4均勻腐蝕速率低于0.001mm/a，在二氧化碳高溫高溫耐腐蝕環境中過高。在220℃的溫度下，正常腐蝕速率僅為0.0012mm/a。高強度研究表明，T4鈦對氫裂紋和高溫、高壓、H2S和CO2等不利條件不敏感。耐久性相當于G3鎳基。

2.影響鈦合金油井管的耐蝕性。大多數油井管柱都受到環境的影響，例如溫度、酸度、堿液、鹽、pH值、濕度等。在空氣和濕度環境中，鈦和氧易受氧化反應的影響，從而產生密集的被動TiO2鈍化膜。正因為如此，鈦是一種很好的耐蝕性，但耐蝕性受到各種因素的影響。服役環境。通過比較海水和80℃熱海水水中鈦的自腐蝕電位，研究了鈦的電偶腐蝕在多大程度上受到腐蝕。其結果是鈦在80℃時的自腐蝕性能高于熱海水。隨著溫度的升高，海水中的氧溶液逐漸減少。鈦表面的還原很難形成，極易被極化，具有耐腐蝕的電位較負。結果表明，CL活性高、靜壓高、工作負荷大，對TiO2鈍化膜的形成和修復、應力腐蝕裂紋和蠕變有重要影響。當鈦pH值低于4時，進行H+反應堆反應抑制鈦的衰變。H2O2溶液中pH>12的存在加速了鈦的腐蝕，因為H2在H2O2溶液中的pH值超過10.6時會產生更多的腐蝕。pH值相對較低時，H2O2可能有助于修復鈦合金鈍膜和腐蝕鈦合金。熱加工方法。T4鈦合金在鹽酸的17%中最為刻蝕。由于結晶度的深度腐蝕，水冷卻產生的薄針狀結構腐蝕性較低。空氣冷卻產生的薄層具有良好的韌性。T4鈦合金的耐蝕性能會隨等軸α相增加而變化。表面改性。T4鈦激光后面的納米薄層主要是tioxny和TiO2。通過比較T4鈦激光前后的塔菲爾曲線，發現耐腐蝕位在T4鈦激光后向前移動，從而提高了激光氣體滲氮后試樣的強度。但是，在制備具有固體激光合金或激光表面的表面時，應注意避免空氣泄漏和裂紋，這將嚴重影響表面的附著和分離，并導致剝落和開裂。

三、數值模擬的應用

由于油氣開發環境不利，管道變得更加復雜，鈦合金的需求不斷增加。鈦合金是在苛刻的工作環境和復雜的環境中制造和使用的，腐蝕程度很高。

1鈦合金。鈦的成分按第一原理細化，從實驗中對晶體結構進行建模，并根據第一原理計算得出相應的截斷能和kK-points。優化晶體結構使晶格常數保持在最低能量狀態。最后計算了結構的力、熱和電化學性能。采用第一原理對鈦、鉀、鉀三相穩定性進行了鈦鉑穩定性研究。β相、α相和α+β相結構特性、相位穩定性、彈性和晶格振動。結果表明，通過優化合金和合金數量對鈦合金進行調整，提高了鈦合金的性能。鈦原子遷移過程中，第一原理和CI網絡方法在不影響外部元素或實驗條件的情況下，為不同路徑上的不同原子生成遷移勢壘。采用第一原理波贗勢法，發現該融合提高了TiO2的氧性能，降低了TiO2的穩定性。

2鈦界面用于腐蝕分析。第一原理與分子動力學相結合，模擬分析了不同腐蝕環境下鈍化膜的腐蝕性能。結果表明，當TiO2界面上Cl、HS和HCO3-b的連接是靜態的時，三種腐蝕性離子與TiO2界面上的正電荷相互作用更強。結果表明鈦鈍化膜受到三種腐蝕離子的損傷。Cl-與TiO2界面越簡單，鈍化膜的熱穩定性就越低。同樣條件下H2S環境下TiO2鈍化膜的熱力學穩定性低于CO2。此外，TC4鈦表面的DLC膜提高了TC4鈦的強度和耐磨性，但DLC薄膜在腐蝕條件下落入TC4鈦界面。采用Cr、Cr、氮、二氧化碳作為過渡層，可以提高TC4鈦復合材料的硬度，并改善TC4鈦與DLC薄膜的界面。

鈦合金的綜合性能是油井選用的理想選擇。TC4鈦合金抗SSC強度高，CO2腐蝕率低，抗孔蝕、裂紋和氫氣。因此鈦合金在管道中具有廣泛的應用油井管。

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