石油与天然气化工  2014, Vol. 43 Issue (2): 165-167
钛合金材料在高酸性环境中的耐蚀性能研究
闫静 1,2,3, 吴贵阳 1,2,3, 吴华 1,2,3, 刘志德 1,2,3, 袁曦 1,2,3, 谷坛 1,2,3     
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
收稿日期：2013-09-20
作者简介：闫静(1983-), 女, 工程师, 现在中国石油西南油气田公司天然气研究院从事酸性气田腐蚀与防护工作。地址:(610213)四川省成都市华阳天研路218号。电话:028-85604594。E-mail:yan_jing@petrochina.com.cn.
摘要：采用光学显微镜研究了钛合金及其焊缝的显微组织，采用电化学失重挂片法、NACE TM0177 A法（恒负荷拉伸试验）和四点弯曲法研究了钛合金及其焊缝在高酸性环境中的电化学腐蚀性能和抗环境开裂腐蚀性能。研究结果表明，TA2基材为单一的α相组成，焊缝组织由大块α+α相或者大块α+片状α+α相组成，热影响区的组织比焊缝组织细小。在高酸性环境中，钛合金具有很好的耐蚀性能。
关键词：钛合金    高酸性环境    耐蚀性能    
Corrosion resistance of titanium alloy in high sour environment
Yan Jing1,2,3 , Wu Guiyang1,2,3 , Wu Hua1,2,3 , Liu Zhide1,2,3 , Yuan Xi1,2,3 , Gu Tan1,2,3     
1. Research Institute of Natural Gas Technology, PetroChina Southwest Oil & Gasfield Company, Chengdu 610213, Sichuan, China;
2. National Energy R & D Center of High Sulfur Gas Exploitation, Chengdu 610213, Sichuan, China;
3. High Sulfur Gas Exploitation Pilot Test Center, CNPC, Chengdu 610213, Sichuan, China
Abstract: The optical microscope was used to research microstructure of Titanium alloy and its welds, then corrosion weight loss method, NACE TM0177 A method (Standard Tensile Test) and standard Bent-Beam test method were used to research corrosion resistance performance of electrochemistry and environmental cracking in high sour environment. The results showed that the microstructure of TA2 was single α phase, welds were big α+α phase or block α+flaky α+α phase, and microstructure of heat affected zone was tinier than welds. Titanium alloy had good corrosion resistance in high sour environment.
Key Words: titanium alloy    high sour environment    corrosion resistance performance    

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

图 1     TA2的基体组织（200X) : α相 Figure 1     Matrix organization of TA2 (200x): α phase

图 2     焊接接头的金相组织 Figure 2     Microstructure of welding joint

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NaCl盐水，40 ℃，72 h；实验条件2：总压10 MPa，φ(H2S)15%，φ(CO2)10%，NACEA溶液，常温，30天。

采用NACE TM0177 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NaCl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 performance of titanium alloys at test 1 condition

图 3     试验后的试片表面 Figure 3     Surface appearance of sample after test

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 performance 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 TM0177 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

图 4     SSC实验的试样宏观表面形貌 Figure 4     Macroscopic surface morphology of sample after SSC tests

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 deformation 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。

图 5     实验后试样宏观表面 Figure 5     Macroscopic surface appearance of sample after test

图 6     实验结束后的试样表面金相照片 Figure 6     Photomicrograph appearance of sample after test

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 TM0177 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。

参考文献
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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. DOI:10.3321/j.issn:1000-0976.2004.10.034
[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]
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Gonzalez M. Titanium alloy tubing for HPHT applications[C]//2008 SPE Annual Tech. Conf, Paper No. 115708, SPE, 2008. http://dx.doi.org/10.2118/115708-MS
[5]
Link D R, Schutz R W. Engineering incentives for utilizing Ti-3Al-8Ⅴ-6Cr-4Zr-4Mo alloy tubulars in highly aggressive deep sour wells[C]//Corrosion 92, Paper No. 63, NACE 1992.
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Laboratory testing of metals for resistance to sulfide stress cracking and stress corrosion cracking in H2S environments[S]//NACE Standard TM0177-96, Item No. 21212, 1996.
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