钛合金材料在高酸性环境中的耐蚀性能研究＊

闫 静 吴贵阳 吴 华 刘志德 袁 曦 谷 坛

（1．中国石油西南油气田公司天然气研究院

2．国家能源高含硫气藏开采研发中心）

（3．中国石油天然气集团公司高含硫气藏开采先导试验基地）

我国部分气田H2S含量较高，特别是在川渝地区。有些高含硫气田还存在元素硫，腐蚀环境非常恶劣［1－2］。尽管与镍基合金相比，钛合金价格相对较贵，但是钛合金以其优异的抗点蚀性能，近年来开始逐渐应用于油／气环境中［3］，尤其是当工况条件比较恶劣，Cl－和H2S含量很高，一般的不锈钢，甚至是镍基合金都会发生腐蚀的情况下。目前，钛合金在国外油气田已经成功应用［4－5］，但是在国内还处于起步阶段。因此，本实验针对川东北高酸性气田的腐蚀环境特点和防腐技术要求，开展钛合金及其焊缝在高酸性气田环境中的耐腐蚀性能研究。

1 试验材料和方法

1．1 试验材料

试样采用的是TA2，退火态。表1是钛合金TA2基材的化学成分，图1是TA2基材的金相组织，表明TA2基材由单一的α相组成。图2是焊缝的金相组织，由图2可看出，焊缝组织有两种形式，一种是由大块的大块α＋α组成，另一种由大块α＋片状α＋α组成；与焊缝组织相比，热影响区的组织要细小一些。

表1 TA2基材的化学成分 （w／%）Table 1 Chemical composition of TA2 based material

1．2 试验方法

采用失重挂片法进行高压电化学腐蚀试验。实验条件1：总压10 MPa，φ（H2S）15%，φ（CO2）10%，5%（w）的Na Cl盐水，40℃，72 h；实验条件2：总压10 MPa，φ（H2S）15%，φ（CO2）10%，NACE A 溶液，常温，30天。

采用NACE T M0177 A法（恒负荷拉伸试验）进行常温、常压条件下的SSC试验。实验条件：试验介质为NACE0177标准溶液（A）：试验溶液由质量分数5．0%的NaCl、质量分数0．5%的冰乙酸、蒸馏水或去离子水组成，通入H2S至饱和。试验采用应力环，温度为室温，试验周期720 h，外加恒载荷σ＝100%Rp0．2。试样尺寸为A法拉伸标准规定的标准尺寸［6］，焊缝试样要求焊缝处于中心。

采用四点弯曲法进行高压条件下的SSC评价实验。实验条件：总压10 MPa，φ（H2S）15%，φ（CO2）10%，温度25 ℃，5%（w）的 Na Cl盐水。试验在高压釜中进行，试验周期720 h。试验后对试样表面进行金相分析，以确定表面是否产生裂纹。外加应力为σ＝100%Rp0．2。四点弯曲试样为100 mm×15 mm×3 mm薄片试样，焊缝试样要求焊缝处于中心。

2 试验结果与讨论

2．1 电化学试验

电化学腐蚀实验条件1结果见表2，经清洗处理后的试片表面形貌见图3。从图3与表2可看出，在设定的腐蚀环境中，钛合金的腐蚀速率很小，全部低于0．01 mm／a；试片颜色变黑，但是不发生局部腐蚀，表明表面形成的钝化膜具有很好的耐蚀性。

表2 钛合金的电化学腐蚀评价实验条件1的实验结果Table 2 Results of electrochemical corrosion perfor mance of titanium alloys at test 1 condition

电化学腐蚀试验条件2实验结果见表3。从表3可以看出，在设定的实验条件下，钛合金未发生明显的腐蚀。

表3 钛合金的电化学腐蚀评价实验条件2的实验结果Table 3 Results of electrochemical corrosion perfor mance of titanium alloys at test 2 condition

2．2 抗环境开裂性能评价

表4为钛合金及其焊缝实验中的外加应力。对于焊缝的NACE T M0177 A法实验，由于焊缝和本体的屈服强度差别比较大，若将焊缝加载到100%屈服强度，那么本体早已发生了开裂。因此，焊缝的外加应力为本体的100%屈服强度。实验结果表明，钛合金及其焊缝均通过720 h实验，未发生开裂。图4是实验后钛合金及其焊缝的表面形貌。

表4 试样外加应力情况Table 4 Applied stress of sample

表5所列是四点弯曲试片的尺寸和变形量。

表5 试片的尺寸和变形量Table 5 Size and defor mation of specimen

同时，由于焊缝的屈服强度远大于母体的屈服强度，在试验过程中考虑到若将焊缝加载到100%Rp0．2，那么本体早已发生了开裂。因此，焊缝的外加应力为本体的100%Rp0．2。

试验结束后，所有试样都未发生断裂、未见腐蚀产物及裂纹。试样发生了轻微的变形，可能的原因是加载为100%屈服强度。因此，卸载后不能完全恢复到原来的形状，见图5和图6。

3 结论

（1） 本实验研究了钛合金在高酸性气田下的耐蚀性能，认为钛合金耐电化学腐蚀性能良好。在本试验条件下，腐蚀速率均小于0．01 mm／a，未发生局部腐蚀。

（2） 钛合金和焊缝均能通过四点弯曲法和NACE T M0177 A法（恒负荷拉伸试验）试验，720 h后本体和焊缝都没有产生裂纹。因此，从耐蚀角度看，钛合金具有在高酸性气田使用的可能性。

［1］ 姜放．高酸性气田金属材料的实验室评价方法研究［J］．天然气工业，2004，24（10）：105－107．

［2］ 薛丽娜，周小虎，严焱诚，等．高温酸性气藏油层套管选材探析——以四川盆地元坝气田为例［J］．天然气工业，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．