随着国度工业出产水平逐步提升，石油产量、用量也逐年增长，同时我国石油开采技术也日趋美满［１］，但由于长功夫大规模开发，通例地质油井开采量不休降落，因而国度将石油开采工作重心移向位于特殊地质环境中的油田，这类油井普遍拥有超深、高温、高压及含硫化氢等特点［2］。例如新疆塔里木油田，油气井多为超过4000米的深井或超深井，其温度、压力以及侵蚀介质含量均很高；；再如西北油田，共有油气井667口（蕴含油井574口，气井93口），含H₂S井470口，占总井数的70.5％，含 CO₂井605口，占总井数的90.7％。由此可见，工况前提严苛的油气井在石油天然气开采中占比越来越大，井下工况愈恶劣，油气井对油井管产品质量、靠得住性、使用寿命的要求也愈发严格。

在这种行业趋向下，钛合金油井管凭借其优异的耐蚀机能、优良的机械机能受到业内的宽泛关注。固然我国发展石油领域钛合金的钻研相对较晚，但随着国度资源开起事度的增大，国内很多钻研院所与管材出产企业也逐步意识到研制钛合金油井管的必要性和紧迫性［3］，同时发展大量钛合金耐蚀机能钻研。林乃明等［4］钻研了TC4钛合金在饱和油田采出液中的电化学侵蚀行为，为拓展钛合金在石油管方面的利用提供参考；；高飞等［5］钻研了Ti80钛合金在刻薄油气侵蚀环境中的侵蚀行为，获取分歧侵蚀环境下的耐蚀反映；；梁伟等［6］仿照某油田工况，对制品TC4钛合金无缝管材在高温刻薄工况下的侵蚀行为进行钻研；；高文平等［7］对TC4制品管进行高含H₂S、CO₂刻薄环境下耐蚀机理钻研，均为钛合金在石油行业的利用开发提供参考；；刘强等［８］对五类油气开选取钛合金进行耐蚀性对比，钻研了局为选材和缝隙侵蚀防治提供理论基础。

就当前石油工业领域而言，TC4钛合金仍是利用领域最宽泛的商标之一，通常情况下国内无缝管出产企业也将其作为钛合金油井管出产坯料。针对这一情况，本文发展分歧商标钛材耐蚀机能对比试验钻研，对分歧工况下钛合金油井管坯料选择提供理论凭据，领导出产厂家资料选型。

1、试验资料及步骤

凭据肖国章等［9］的钻研，结合前期钛合金市场供给情况调研了局，在充分思考坯料购置单价经济性的前提下，从当前石油天然气行业可选钛合金商标平别离确定α型TA2、近α型TA10、α＋β型TC4及TC4ELI四类资料。其中TA2为工业纯钛，TA10为钼镍钛合金，TC4ELI是在TC4的基础上降低合金中杂质元素与间隙元素含量。必要注明的是，β型钛合金能够用于钛合金油管、套管出产，但市场受单价限度，导致厂家供给量、用户需要量较少，固然其理化个性优越，却因管材产品成本高而失去竞争优势。本文所选四类钛材化学成分如表１。

试验选取直径φ10mm、厚度3mm圆柱试样，截取自出产于统一厂家40mm棒材。用环氧树脂包装，分歧金相砂纸逐级打磨至理论光亮后选择无水乙醇和去离子水洗濯。为更正确地仿照油田现实工况下、判断钛材的耐蚀机能，配制同时含有Cｌ-、CO₂、H₂S侵蚀元素的仿照环境：饱和CO2的3.5％NaCｌ＋Na2S溶液，Na2S含量0.4％，可产生H2S侵蚀成效［１0］。针对油田井下温度复杂这一特点，对仿照环境温度进行分辨，Ｉ组侵蚀环境温度为室温状态（25℃），ＩＩ组为加热状态（８0℃）。测试选取传统三电极系统，如图１。饱和Ａｇ／ＡｇCｌ作为参比电极，铂电极作为辅助电极，分歧类型钛材试样作为工作电极。首先进行开路电位（OCＰ）测试，极化曲线测试电压领域为OCＰ±0.3Ｖ，扫描速度为0.0005Ｖ／S，电化学阻抗测试频率领域为10-2～１05Hｚ，互换信号幅值为±5mV。同时对资料进行为期30天的浸泡侵蚀，环境同电化学试验一样，并通过ＪSＭ-7001Ｆ热场发射扫描电子显微镜观察侵蚀后描摹。

2、试验分析及了局会商

2.１　室温状态测试了局分析

钛的电化学侵蚀性质是钛离子在电流作用下子从金属本体转移至环境介质中，同时陪伴着介质中氢离子吸收电子的产生，通例阐发为缝隙侵蚀、点蚀等。开路电位是在不变环境中丈量无外加电流时，资料与参考电极侵蚀微电位之间的总电位差，其正负可判断资料侵蚀偏差。室温下四类钛材开路电位曲线如图2（ａ），OCＰ值均出现由负变正且最终趋于

安稳的趋向。测试不变后，TA2开路电位最正，不变在-355mV左近，TC4与TC4ELI曲线较为靠近，但TC4终值约为-4498mV，TC4ELI稍负，最终不变在-5１3mV左近，TA10开路电位最负，约莫在-6610mV。由于合金元素散布情况在α相和β相中的含量分歧，使两相间之存在肯定电位差，导致微电偶侵蚀产生的几率较大，因而在室温前提下，拥有单相组织的TA2纯钛阐发出更优异的抗侵蚀性。

极化曲线表征侵蚀原电池反映的推动力电位和反映速度电流之间的函数关系［１１］。图2（ｂ）中室温侵蚀时四类资料的极化曲线整体状态类似，均存在典型的钝化特点。这是由于钛材理论与介质溶液反映形成一层ＴｉO2薄膜，起到肯定降低金属溶化速度的作用，这类钝化膜对于持久处于高温高压侵蚀环境中的油井管拥有优良的；；ぷ饔谩

表2为拟合得到的Tafel常数表，侵蚀热力学中，自侵蚀电流密度低的资料抗侵蚀机能越优异［１2］，图中TA2钝化较早且自侵蚀电位显著高于其它资料，值为-0.4８3Ｖ，自侵蚀电流密度为7.345ｅ^-８Ａ·Cｍ^-2，数值最小且比其他资料的ＩCOｒｒ低一数量级；；TA10钛合金自侵蚀电流密度为最大，两类TC4钛合金介于TA2与TA10之间。拟合了局对应的耐蚀机能由强到弱顺次为TA2、TC4、TC4ELI、TA10。

电化学阻抗（ＥＩS）的测试道理是选取一系列小幅度正弦波或电流为扰动信号去刺激侵蚀系统，凭据反馈信号揣摩该系统溶液电阻、极化电阻等情况［１3］。图3为室温侵蚀时电化学阻抗谱及等效电路图，图3（ａ）中四种资料阐发出类似的图谱特点，均为单一容抗弧，但曲线之间半径差距较大；；在电极反映中，理论反映受电极电位Ｅ的影响，容抗弧半径代表反映中所碰壁力的巨细，图中四条曲线半径由上到下顺次减小，注明试验钛材的耐蚀能力按此挨次顺次降低。

利用Zview软件进行等效电路拟合，得到电化学参数如表3。

其中Ｑ为常相位元件，其阻抗ＺＱ为：表中参数ｎ为弥散系数，ＲS为溶液电阻，Ｒｔ为电荷转移电阻，ＲS相对于Ｒｔ数值很小，所以Ｒｔ便作为评价侵蚀反映的重要凭据，其值越高代表电荷转移越难产生，资料耐蚀机能越优异［１4-１6］。依照以上法规，TA2电荷转移电阻数值最大，TA10电阻最小，注明试样TA2耐蚀性最强，TA10耐蚀性最弱，两类TC4机能居中，阻抗谱体现的耐蚀性法规与极化曲线一样。

综合得出，室温下一样侵蚀环境中的四类钛材拥有分歧的耐蚀阐发。TA2作为工业纯钛，拥有单一α相，单相组织因不易组成侵蚀原电池而比其余三类合金资料拥有更好的耐蚀性；；近α型TA10合金，蕴含ＭO与Ｎｉ元素，ＭO为同晶型β不变元素，Ｎｉ为共析型β不变元素，TC4与TC4ELI中含有α不变元素Ａl元素与同晶型β不变元素Ｖ。因而，相组成、合金元素种类及其含量的分歧是导致耐蚀机能分歧的底子原因。

2.2　加热状态测试了局分析

为正确甄别钛材分歧工况的耐蚀机能，对侵蚀环境进行加热（８0℃），此时其侵蚀性加强。由于环境温度升高后，介质中氧扩散系数增大，同时水的黏度降低，溶液导电率增长，侵蚀电流增大。图4为加热状态下开路电位与极化曲线。

与常温时相比，固然OCＰ曲线最终趋于不变，但过程中曲线斜率均有所增长，批注资料与介质的反映变得强烈；；TC4ELI的电位区间跨度较大，测试起头时电位值约为-530mV，实现时约为-470mV，这是由于与环境接触后合金被急剧氧化积累大量电荷，同时理论有侵蚀产品产生并形成钝化膜导致不变推迟；；TA2曲线在整个测试过程中颠簸较大，反映剧烈出现锯齿状，可能是由于测试系统不不变，但数值颠簸领域较小，始终在-510mV左右颠簸，不影响测试正确性与后续分析；；TC4与TA10的曲线变动法规类似，区间跨度也较小，测试实现时，TC4钛合金最终不变在-550mV左近，TA10不变在-572mV左近。

图4（ｂ）为环境加热状态下的资料极化曲线。当环境温度升高时极化曲线散布与开路电位情况类似，均有肯定变动，但曲线整体走势和状态一样，依然存在显著钝化区域，拟合得到电化学参数具体如表4。同表2相比，高温状态的ICOrr均有肯定增大，注明资料在此温度环境比常温时敏感，高温侵蚀介质对钛材的溶化更严重［１7］。

表内数据显示的耐蚀性按TC4ELI、TA2、TC4、TA10的挨次顺次降低，这与室温状态有所区别。其中TC4ELI在加热状态耐蚀性优于其他资料，可能是源于间隙元素和杂质元素的含量有所降低，这些元素与钛原子的作用严重影响资料内部各相之间的价电子结构，同时对资料晶格产生影响甚至会出现内应力，从而影响系统不变性与宏观理化机能，如耐侵蚀性、断裂韧性等，但这些元素的具体作用道理和影响还需后期进一步钻研确定。

图5为钛合金在加热侵蚀环境中的阻抗谱，固然与室温下阻抗谱有类似的单一容抗弧图谱特点，但曲线峰值顶点却比室温状态时有分歧水平的降低。容抗弧半径由大到小顺次为TC4ELI、TA2、TC4、TA10。再次注明高温侵蚀环境中的钛及钛合金容易进行电荷传输，对介质的抵抗能力更弱。

容抗弧阻抗个性类似，因而等效电路也可参照图3（ｂ）。拟合参数表5中电荷转移电阻值最大的钛材是TC4ELI，为93，6１7Ω·Cｍ2。通过与表3对比能够看出，TA2的Ｒｔ减小幅度最大，TA10减小幅度最小，注明单一α相组织的工业纯钛对环境温度更敏感，耐蚀机能受到的影响更大，而含ＭO、Ｎｉ合金元素的近α相钛合金固然机能上稍逊于其他资料，但其耐蚀性对温度变动的反映比力痴钝，由于ＭO元素有利于β相的形成，同时改善α与β相的原子结合强度，因而可将TA10利用于温差领域较大、温度变动水平剧烈的工况环境。

2.3　浸泡侵蚀试验描摹

将资料浸泡置在侵蚀环境中30天，介质环境同样分为室温与加热两种状态。图6、图7别离为实现浸泡之后SＥＭ下侵蚀描摹。

图6中浸泡侵蚀后的TA2固然已经失去原有光泽，但是均匀侵蚀水平轻微，理论相对平坦光滑，尚未出现显著点蚀，且总体侵蚀水平在四种资猜中最轻；；TC4与TC4ELI侵蚀状态靠近，已经有显著化学反映产生，理论均出现大量不规定的絮状侵蚀产品，同时出现越来越疏松的趋向，但TC4的侵蚀相对较轻。TA10钛合金粗糙水平高，注明其与侵蚀介质的反映最强烈，溶化水平也比其余三类钛材严重。

图7所示高温侵蚀状态下的钛材描摹，与室温状态相比，所有资料侵蚀水平均越发严重。TC4ELI理论出现较为密集的侵蚀坑，但都极度轻微；；TA2的情况类似但稍有加重；；TC4与TA10资料的侵蚀产品显著增多，散布越发宽泛并且导致资料理论凹凸不平；；TC4侵蚀形成的沉淀物陆续、致密，但理论积小；；TA10理论附着的侵蚀产品状态多出现块状凸起，状态、巨细均越发显著。对比发现，两组试验所获取的描摹状态与电化学参数代表的耐蚀机能了局一致。

3、结论

（１）在室温尝试前提下，通过开路电位、自侵蚀电流密度及互换阻抗对比可知，耐腐机能TA2＞TC4＞TC4ELI＞TA10。若是工况环境为室温或靠近室温，工业纯钛TA2可作为较梦想的坯料选择对象。

（2）当工况环境温度升至高温情况时，四类钛材耐蚀性顺次为TC4ELI＞TA2＞TC4＞TA10。通常情况下，由于油气井下工况前提多为高温高压侵蚀环境，此时选材可参照８0℃下侵蚀性对比了局，即优先思考TC4ELI作为坯料材质。

（3）本论文所涉及的四类通例钛材均拥有优越的耐侵蚀机能，但在CO2-H2S-Cｌ--H2O环境下耐蚀性强弱排序与环境温度有关，并非只有唯一确定的挨次关系。数据批注，对于TC4钛合金而言，合金元素含量相当的情况下，低间隙元素和杂质元素的的危险容限设计有利于减缓侵蚀趋向，提升资料耐蚀机能。

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