Nghiên cứu về khả năng chống ăn mòn của ống giếng dầu hợp kim titan
Bản chất của khả năng chống ăn mòn hợp kim titan là titan là một nguyên tố không ổn định về mặt nhiệt động lực học với thế điện cực chuẩn chỉ là -1.63 V (điện cực hydro chuẩn HSE). Do đó, titan và hợp kim titan rất dễ hình thành một lớp oxit bề mặt liên tục, dày đặc và rất mỏng trong không khí hoặc thậm chí là nước, bao gồm một lớp Ti2O3 bên trong và một lớp TiO2 bên ngoài, và nó tiếp tục dày lên khi phản ứng oxy hóa khử diễn ra. Lớp oxit bao phủ bề mặt hợp kim titan cản trở quá trình truyền điện tích phản ứng và làm giảm hoặc ức chế quá trình hòa tan hợp kim titan trong môi trường ăn mòn, dẫn đến thụ động hóa.
Tuy nhiên, hợp kim titan có điện thế dương cao hơn các hợp kim khác. Khi kết hợp với các hợp kim khác nhau, hợp kim titan được bảo vệ như một cực âm, làm tăng tốc độ ăn mòn của kim loại được kết hợp và có thể dẫn đến hư hỏng cấu trúc. Do đó, các học giả trong và ngoài nước cũng đã tiến hành một số nghiên cứu về khả năng chống ăn mòn của hợp kim titan trong ống khoan và vỏ dầu.
1. Ống khoan hợp kim titan
Peng và cộng sự đã đánh giá hiệu suất mỏi của ống khoan hợp kim titan. Kết quả cho thấy trong không khí, với sự gia tăng của mác thép, tuổi thọ mỏi của ống khoan sẽ được kéo dài, trong khi trong bùn khoan, hiệu suất mỏi của ống khoan hợp kim titan là tốt nhất. Hình 3a cho thấy đường cong mỏi của các mẫu ống khoan khác nhau trong bùn H2S ở nhiệt độ phòng. Sự hiện diện của bùn H2S sẽ làm giảm đáng kể tuổi thọ mỏi của từng mẫu ống khoan, cho thấy ống khoan có độ nhạy cao với bùn H2S. Trong môi trường bùn H2S, tuổi thọ mỏi của ống khoan hợp kim titan cao hơn đáng kể so với ống khoan thép như G105, S135 và V150. Hình 3b vẽ đồ thị đường cong SN của các ống khoan khác nhau trong bùn H2S ở 100 độ. So với không khí ở nhiệt độ phòng, tuổi thọ mỏi của các mẫu G105, S135, V150 và Ti giảm đáng kể. Hệ số liên kết của bùn H2S và nhiệt độ có tác động lớn hơn đến tuổi thọ mỏi của ống khoan so với một yếu tố đơn lẻ. Trong điều kiện ghép nối này, tuổi thọ chịu mỏi của ống khoan titan vẫn có ưu điểm lớn hơn so với các loại ống khoan khác.
Hình 3 Đường cong mỏi của các mẫu ống khoan G105, S135, V150 và Ti trong các điều kiện làm việc khác nhau
Chen và cộng sự đã sử dụng công nghệ oxy hóa vi hồ quang xử lý bề mặt mới để thêm các nồng độ natri tungstat khác nhau vào dung dịch oxy hóa để thực hiện quá trình oxy hóa vi hồ quang trên bề mặt ống khoan hợp kim titan TC4. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc pha tạp vonfram có thể cải thiện hiệu quả độ cứng và khả năng chống ăn mòn của ống khoan hợp kim titan TC4. Và khi nồng độ natri tungstat là 3 g/L, hiệu suất toàn diện của lớp oxy hóa vi hồ quang trên ống khoan hợp kim titan là tốt nhất.
Tóm lại, tuổi thọ chống ăn mòn mỏi của ống khoan hợp kim titan trong môi trường nhiệt độ cao và lưu huỳnh cao tốt hơn ống khoan thép, và xử lý bề mặt của hợp kim titan TC4 có thể cải thiện hiệu quả độ cứng và khả năng chống ăn mòn của ống khoan. Tuy nhiên, vẫn còn ít nghiên cứu về việc cải thiện khả năng chống ăn mòn của ống khoan hợp kim titan bằng cách xử lý bề mặt, điều này cũng cung cấp hướng cho nghiên cứu trong tương lai.
2. Vỏ dầu hợp kim titan
Wang và cộng sự đã nghiên cứu vật liệu hợp kim titan TC4 có thể được sử dụng làm vỏ dầu. Họ phát hiện ra rằng trong môi trường ăn mòn axit, có sự ăn mòn điện hóa cục bộ trên bề mặt hợp kim TC4, chủ yếu là ăn mòn rỗ. Trong chất lỏng hoàn thiện có chứa CO2, mức độ ăn mòn của hợp kim TC4 nghiêm trọng hơn, nhưng khả năng chống ăn mòn tốt hơn trong nước hình thành có chứa CO2. Trong hai môi trường ăn mòn có chứa CO2- ở trên, hợp kim TC4 có khả năng chống nứt ăn mòn ứng suất tuyệt vời. So với môi trường trên cạn, hợp kim TC4 nhạy cảm hơn với nứt ăn mòn ứng suất trong môi trường biển sâu.
Đồng thời, Wang và cộng sự cũng nghiên cứu cơ chế chống ăn mòn của hợp kim titan TC4 dưới các điều kiện tải ứng suất khác nhau và phát hiện ra rằng các vết rỗ xuất hiện trên bề mặt của mẫu chịu ứng suất đàn hồi, nhưng mức độ rỗ tương đối nhẹ và lớp màng bề mặt cho thấy các đặc tính bán dẫn loại n và có độ thấm chọn lọc cation. Khi các vết rỗ bề mặt của mẫu chịu ứng suất dẻo sâu hơn và rộng hơn, và loại bán dẫn của lớp màng bề mặt được chuyển thành loại p, các anion như Cl- và CO32- dễ bị hấp phụ và phá hủy lớp màng bảo vệ hơn, và tiếp xúc với chất nền thông qua lớp màng bảo vệ, dẫn đến giảm khả năng chống ăn mòn của hợp kim titan TC4.
Hiện nay, điều kiện làm việc của các mỏ dầu khí phi truyền thống rất khắc nghiệt. Nhiệt độ cao sẽ làm giảm độ bền kéo và mô đun đàn hồi của ống và vỏ, áp suất cao sẽ làm tăng áp suất của ống và vỏ. Dưới tác động của H2S, CO2 và Cl- riêng lẻ hoặc kết hợp, sự ăn mòn của ống và vỏ ngày càng nghiêm trọng. Ống và vỏ hợp kim titan có thể giải quyết hiệu quả vấn đề hỏng hóc do ăn mòn dưới giếng, nhưng nghiên cứu hiện tại về khả năng chống ăn mòn của ống và vỏ hợp kim titan vẫn chưa hoàn thiện và cần được nghiên cứu thêm.
3. Ống giếng dầu hợp kim titan
Schutz và cộng sự đã so sánh khả năng chống ăn mòn của các chuỗi ống hợp kim UNS R55400 với các chuỗi ống hợp kim titan dầu mỏ khác. Dữ liệu thử nghiệm ăn mòn trong phòng thí nghiệm của quá trình phát triển đường ống UNS R55400 cho thấy hợp kim titan có khả năng chống ăn mòn SSC và rỗ cục bộ và ăn mòn khe hở được cải thiện trong môi trường nước giàu clorua có tính axit cao và không có tính axit liên quan đến ngành công nghiệp dầu mỏ.
Bảng 2 cho thấy giới hạn dịch vụ môi trường gần đúng của các loại hợp kim titan khác nhau trong các môi trường mỏ dầu khác nhau. Có thể thấy rằng hợp kim titan UNS R55400 và UNS R56404 có hiệu suất tốt nhất trong môi trường nước giàu clorua có tính axit và không có tính axit, và độ bền cao nhất là hợp kim titan beta UNS R58640.
Wei và cộng sự đã nghiên cứu tác động của nhiệt độ ủ lên sự tiến hóa của cấu trúc vi mô và hành vi ăn mòn của hợp kim titan Ti-Mo trong axit clohydric. Họ phát hiện ra rằng khi nhiệt độ ủ vượt quá 850 độ, các màng thụ động MoO3 và TiO2 hình thành trên bề mặt hợp kim titan làm tăng tốc độ hòa tan, tốc độ ăn mòn tăng lên và các ô microgalvanic pha - và pha - được hình thành. Ngoài ra, màng thụ động thể hiện các đặc tính bán dẫn loại n không phụ thuộc vào nhiệt độ ủ.
Qua kết quả nghiên cứu trên, có thể thấy nhiệt độ ủ, môi trường nước giàu clorua không có tính axit và tính axit cao sẽ ảnh hưởng đến khả năng chống ăn mòn của hợp kim titan. Kết luận này có ý nghĩa định hướng cho việc tối ưu hóa vật liệu hợp kim titan trong tương lai.
