Μελέτη σχετικά με την αντίσταση στη διάβρωση του σωλήνα λαδιού από κράμα τιτανίου
Η ουσία της αντοχής στη διάβρωση του κράματος τιτανίου είναι ότι το τιτάνιο είναι ένα θερμοδυναμικά ασταθές στοιχείο με τυπικό δυναμικό ηλεκτροδίου μόνο -1,63 V (κανονικό ηλεκτρόδιο υδρογόνου HSE). Επομένως, το τιτάνιο και τα κράματα τιτανίου είναι πολύ εύκολο να σχηματίσουν μια συνεχή, πυκνή και πολύ λεπτή επιφανειακή μεμβράνη οξειδίου στον αέρα ή ακόμα και στο νερό, η οποία αποτελείται από ένα εσωτερικό στρώμα Ti2O3 και ένα εξωτερικό στρώμα TiO2, και συνεχίζει να πυκνώνει καθώς η αντίδραση οξειδοαναγωγής προχωρά. Το φιλμ οξειδίου που καλύπτει την επιφάνεια του κράματος τιτανίου εμποδίζει τη μεταφορά φορτίου αντίδρασης και μειώνει ή αναστέλλει τη διάλυση του κράματος τιτανίου στο διαβρωτικό μέσο, με αποτέλεσμα την παθητικοποίηση.
Ωστόσο, το κράμα τιτανίου έχει υψηλότερο θετικό δυναμικό από άλλα κράματα. Όταν συνδυάζεται με διαφορετικά κράματα, το κράμα τιτανίου προστατεύεται ως κάθοδος, η οποία επιταχύνει τη διάβρωση του συζευγμένου μετάλλου και μπορεί να οδηγήσει σε δομική βλάβη. Ως εκ τούτου, εγχώριοι και ξένοι μελετητές διεξήγαγαν επίσης ορισμένες έρευνες σχετικά με την αντοχή στη διάβρωση του κράματος τιτανίου σε σωλήνες γεωτρήσεων και στο περίβλημα λαδιού.
1. Σωλήνας τρυπανιού από κράμα τιτανίου
Οι Peng et al. αξιολόγησε την απόδοση κόπωσης των σωλήνων διάτρησης από κράμα τιτανίου. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι στον αέρα, με την αύξηση της ποιότητας χάλυβα, η διάρκεια κόπωσης του σωλήνα διάτρησης θα παραταθεί, ενώ στη λάσπη γεώτρησης, η απόδοση κόπωσης του σωλήνα τρυπανιού από κράμα τιτανίου είναι η καλύτερη. Το σχήμα 3α δείχνει τις καμπύλες κόπωσης διαφορετικών δειγμάτων σωλήνων διάτρησης κάτω από λάσπη H2S θερμοκρασίας δωματίου. Η παρουσία λάσπης H2S θα μειώσει σημαντικά τη διάρκεια κόπωσης κάθε δείγματος σωλήνα γεώτρησης, υποδεικνύοντας ότι ο σωλήνας γεώτρησης έχει υψηλή ευαισθησία στη λάσπη H2S. Στο περιβάλλον λάσπης H2S, η διάρκεια κόπωσης του σωλήνα τρυπανιού από κράμα τιτανίου είναι σημαντικά υψηλότερη από αυτή των σωλήνων διάτρησης από χάλυβα όπως οι G105, S135 και V150. Το σχήμα 3β απεικονίζει τις καμπύλες SN διαφορετικών σωλήνων γεωτρήσεων σε λάσπη H2S στις 100 μοίρες. Σε σύγκριση με τον αέρα σε θερμοκρασία δωματίου, η διάρκεια κόπωσης των δειγμάτων G105, S135, V150 και Ti μειώνεται σημαντικά. Ο παράγοντας σύζευξης της λάσπης H2S και της θερμοκρασίας έχει μεγαλύτερο αντίκτυπο στη διάρκεια κόπωσης του σωλήνα γεώτρησης από έναν μεμονωμένο παράγοντα. Κάτω από αυτήν την κατάσταση σύζευξης, η διάρκεια κόπωσης του σωλήνα τρυπανιού τιτανίου εξακολουθεί να έχει μεγαλύτερο πλεονέκτημα από άλλους σωλήνες τρυπανιού.
Εικ.3 Καμπύλες κόπωσης δειγμάτων σωλήνων διάτρησης G105, S135, V150 και Ti υπό διαφορετικές συνθήκες εργασίας
Οι Chen et al. χρησιμοποίησε μια νέα τεχνολογία οξείδωσης μικρο-τόξου επεξεργασίας επιφάνειας για να προσθέσει διαφορετικές συγκεντρώσεις βολφραμικού νατρίου στο διάλυμα οξείδωσης για να εκτελέσει οξείδωση μικρο-τόξου στην επιφάνεια του σωλήνα τρυπανιού από κράμα τιτανίου TC4. Μελέτες έχουν δείξει ότι το ντόπινγκ βολφραμίου μπορεί να βελτιώσει αποτελεσματικά τη σκληρότητα και την αντίσταση στη διάβρωση του σωλήνα τρυπανιού από κράμα τιτανίου TC4. Και όταν η συγκέντρωση του βολφραμικού νατρίου είναι 3 g/L, η ολοκληρωμένη απόδοση του στρώματος οξείδωσης μικρο-τόξου στον σωλήνα διάτρησης από κράμα τιτανίου είναι η καλύτερη.
Συνοπτικά, η διάρκεια ζωής κόπωσης διάβρωσης του σωλήνα τρυπανιού από κράμα τιτανίου σε περιβάλλον υψηλής θερμοκρασίας και υψηλής περιεκτικότητας σε θείο είναι καλύτερη από αυτή του σωλήνα τρυπανιού από χάλυβα και η επιφανειακή επεξεργασία του κράματος τιτανίου TC4 μπορεί να βελτιώσει αποτελεσματικά τη σκληρότητα και την αντίσταση στη διάβρωση του σωλήνα τρυπανιού. Ωστόσο, εξακολουθούν να υπάρχουν λίγες μελέτες για τη βελτίωση της αντίστασης στη διάβρωση του σωλήνα τρυπανιού από κράμα τιτανίου με επιφανειακή επεξεργασία, κάτι που παρέχει επίσης μια κατεύθυνση για μελλοντική έρευνα.
2. Περίβλημα λαδιού από κράμα τιτανίου
Οι Wang et al. μελέτησε το υλικό από κράμα τιτανίου TC4 που μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως περίβλημα λαδιού. Διαπίστωσαν ότι σε ένα όξινο περιβάλλον διάβρωσης, υπάρχει τοπική ηλεκτροχημική διάβρωση στην επιφάνεια του κράματος TC4, κυρίως διάβρωση με κοιλότητες. Στο ρευστό ολοκλήρωσης που περιέχει CO2, ο βαθμός διάβρωσης του κράματος TC4 είναι πιο σοβαρός, αλλά η αντίσταση στη διάβρωση είναι καλύτερη στο νερό σχηματισμού που περιέχει CO2. Στα δύο παραπάνω διαβρωτικά μέσα που περιέχουν CO{{5}, το κράμα TC4 έχει εξαιρετική αντοχή στη διάβρωση λόγω καταπόνησης. Σε σύγκριση με το χερσαίο περιβάλλον, το κράμα TC4 είναι πιο ευαίσθητο στη διάβρωση λόγω καταπόνησης στο περιβάλλον βαθιάς θάλασσας.
Ταυτόχρονα, οι Wang et al. μελέτησε επίσης τον μηχανισμό αντίστασης στη διάβρωση του κράματος τιτανίου TC4 υπό διαφορετικές συνθήκες φόρτισης τάσης και διαπίστωσε ότι εμφανίστηκαν κοιλώματα στην επιφάνεια του δείγματος φορτισμένη με ελαστική τάση, αλλά ο βαθμός διάτρησης ήταν σχετικά ελαφρύς και το στρώμα επιφανειακής μεμβράνης έδειξε ημιαγωγό τύπου n ιδιότητες και είχε κατιόντα επιλεκτική διαπερατότητα. Όταν οι επιφανειακές κοιλότητες του δείγματος που υποβλήθηκαν σε πλαστική καταπόνηση ήταν βαθύτερες και ευρύτερες και ο ημιαγωγικός τύπος του στρώματος επιφανειακής μεμβράνης μετατράπηκε σε τύπου p, τα ανιόντα όπως το Cl- και το CO32- απορροφήθηκαν και καταστράφηκαν πιο εύκολα το προστατευτικό φιλμ, και έρχεται σε επαφή με το υπόστρωμα μέσω του προστατευτικού φιλμ, με αποτέλεσμα τη μείωση της αντίστασης στη διάβρωση του κράματος τιτανίου TC4.
Επί του παρόντος, οι συνθήκες εργασίας των μη συμβατικών κοιτασμάτων πετρελαίου και φυσικού αερίου είναι σκληρές. Η υψηλή θερμοκρασία θα μειώσει την αντοχή διαρροής και το μέτρο ελαστικότητας του σωλήνα και του περιβλήματος και η υψηλή πίεση θα αυξήσει την πίεση του σωλήνα και του περιβλήματος. Υπό τη δράση των H2S, CO2 και Cl- μόνα τους ή μαζί, η διάβρωση του σωλήνα και του περιβλήματος γίνεται όλο και πιο σοβαρή. Οι σωλήνες και το περίβλημα από κράμα τιτανίου μπορούν να λύσουν αποτελεσματικά το πρόβλημα της αστοχίας διάβρωσης κάτω από την οπή, αλλά η τρέχουσα έρευνα σχετικά με την αντίσταση στη διάβρωση των σωλήνων και του περιβλήματος από κράμα τιτανίου είναι ακόμα ημιτελής και χρειάζεται περαιτέρω έρευνα.
3. Σωλήνες πετρελαιοπηγών από κράμα τιτανίου
Οι Schutz et al. συνέκρινε την αντίσταση στη διάβρωση των σειρών σωλήνων από κράμα UNS R55400 με άλλες χορδές σωλήνων από κράμα τιτανίου πετρελαιοπηγών. Τα δεδομένα εργαστηριακών δοκιμών διάβρωσης της ανάπτυξης αγωγού UNS R55400 έδειξαν ότι το κράμα τιτανίου είχε βελτιωμένη αντοχή στο SSC και στην τοπική διάβρωση με κοιλότητες και ρωγμές σε περιβάλλοντα νερού υψηλής όξινης και μη όξινης πλούσιας σε χλώριο που σχετίζονται με τη βιομηχανία πετρελαιοπηγών.
Ο Πίνακας 2 δείχνει τα κατά προσέγγιση όρια περιβαλλοντικών υπηρεσιών διαφορετικών τύπων κραμάτων τιτανίου σε διαφορετικά περιβάλλοντα κοιτασμάτων πετρελαίου. Μπορεί να φανεί ότι τα κράματα τιτανίου UNS R55400 και UNS R56404 έχουν την καλύτερη απόδοση σε όξινα και μη όξινα υδάτινα περιβάλλοντα πλούσια σε χλωριούχα και η υψηλότερη αντοχή είναι το κράμα βήτα τιτανίου UNS R58640.
Wei et al. μελέτησε την επίδραση της θερμοκρασίας ανόπτησης στην εξέλιξη της μικροδομής και τη συμπεριφορά διάβρωσης του κράματος τιτανίου Ti-Mo σε υδροχλωρικό οξύ. Βρήκαν ότι όταν η θερμοκρασία ανόπτησης ξεπέρασε τους 850 βαθμούς, τα φιλμ παθητικοποίησης MoO3 και TiO2 που σχηματίστηκαν στην επιφάνεια του κράματος τιτανίου επιτάχυναν τη διάλυση, ο ρυθμός διάβρωσης αυξήθηκε και σχηματίστηκαν μικρογαλβανικά κύτταρα φάσης και φάσης. Επιπλέον, το φιλμ παθητικοποίησης εμφανίζει ιδιότητες ημιαγωγού τύπου n που είναι ανεξάρτητες από τη θερμοκρασία ανόπτησης.
Μέσα από τα παραπάνω ερευνητικά αποτελέσματα, διαπιστώθηκε ότι η θερμοκρασία ανόπτησης, το υψηλό οξύ και το μη όξινο περιβάλλον νερού πλούσιο σε χλώριο θα επηρεάσουν την αντοχή στη διάβρωση των κραμάτων τιτανίου. Αυτό το συμπέρασμα έχει καθοδηγητική σημασία για τη βελτιστοποίηση των υλικών από κράμα τιτανίου στο μέλλον.