دراسة حول مقاومة التآكل لأنابيب آبار النفط المصنوعة من سبائك التيتانيوم

إن جوهر مقاومة التآكل في سبائك التيتانيوم هو أن التيتانيوم عنصر غير مستقر ترموديناميكيًا مع جهد قطبي قياسي يبلغ فقط -1.63 فولت (القطب الهيدروجيني القياسي HSE). لذلك، من السهل جدًا على التيتانيوم وسبائك التيتانيوم تكوين طبقة أكسيد سطحية مستمرة وكثيفة ورقيقة جدًا في الهواء أو حتى الماء، والتي تتكون من طبقة داخلية من Ti2O3 وطبقة خارجية من TiO2، وتستمر في التكاثف مع استمرار تفاعل الأكسدة والاختزال. يعيق فيلم الأكسيد الذي يغطي سطح سبائك التيتانيوم نقل شحنة التفاعل ويقلل أو يمنع إذابة سبائك التيتانيوم في الوسط التآكلي، مما يؤدي إلى التخميد.

ومع ذلك، فإن سبائك التيتانيوم لديها إمكانات إيجابية أعلى من السبائك الأخرى. عند اقترانها بسبيكة مختلفة، يتم حماية سبائك التيتانيوم ككاثود، مما يؤدي إلى تسريع تآكل المعدن المقترن ويمكن أن يؤدي إلى تلف هيكلي. لذلك، أجرى العلماء المحليون والأجانب أيضًا بعض الأبحاث حول مقاومة التآكل لسبائك التيتانيوم في أنابيب الحفر وأغلفة النفط.

1. أنبوب الحفر المصنوع من سبائك التيتانيوم
قام Peng et al. بتقييم أداء التعب لأنابيب الحفر المصنوعة من سبائك التيتانيوم. أظهرت النتائج أنه في الهواء، مع زيادة درجة الفولاذ، سيتم إطالة عمر التعب لأنبوب الحفر، بينما في طين الحفر، يكون أداء التعب لأنبوب الحفر المصنوع من سبائك التيتانيوم هو الأفضل. يوضح الشكل 3 أ منحنيات التعب لعينات مختلفة من أنابيب الحفر تحت طين H2S في درجة حرارة الغرفة. سيؤدي وجود طين H2S إلى تقليل عمر التعب لكل عينة من أنابيب الحفر بشكل كبير، مما يشير إلى أن أنبوب الحفر لديه حساسية عالية لطين H2S. في بيئة طين H2S، يكون عمر التعب لأنبوب الحفر المصنوع من سبائك التيتانيوم أعلى بكثير من أنابيب الحفر الفولاذية مثل G105 و S135 و V150. يرسم الشكل 3 ب منحنيات SN لأنابيب الحفر المختلفة في طين H2S عند 100 درجة. بالمقارنة مع الهواء في درجة حرارة الغرفة، يتم تقليل عمر التعب لعينات G105 و S135 و V150 و Ti بشكل كبير. يؤثر عامل اقتران طين كبريتيد الهيدروجين ودرجة الحرارة على عمر التعب لأنبوب الحفر بشكل أكبر من عامل واحد. في ظل ظروف الاقتران هذه، لا يزال عمر التعب لأنبوب الحفر المصنوع من التيتانيوم يتمتع بميزة أكبر من أنابيب الحفر الأخرى.

الشكل 3 منحنيات التعب لعينات أنابيب الحفر G105 وS135 وV150 وTi في ظل ظروف عمل مختلفة

استخدم تشين وآخرون تقنية جديدة لمعالجة السطح باستخدام أكسدة القوس الدقيق لإضافة تركيزات مختلفة من تنجستات الصوديوم إلى محلول الأكسدة لإجراء أكسدة القوس الدقيق على سطح أنبوب الحفر المصنوع من سبائك التيتانيوم TC4. وقد أظهرت الدراسات أن إضافة التنجستن يمكن أن يحسن بشكل فعال من صلابة ومقاومة التآكل لأنبوب الحفر المصنوع من سبائك التيتانيوم TC4. وعندما يكون تركيز تنجستات الصوديوم 3 جم / لتر، فإن الأداء الشامل لطبقة أكسدة القوس الدقيق على أنبوب الحفر المصنوع من سبائك التيتانيوم هو الأفضل.

باختصار، فإن عمر التعب التآكلي لأنبوب الحفر المصنوع من سبائك التيتانيوم في بيئة ذات درجات حرارة عالية ومحتوى عالٍ من الكبريت أفضل من عمر أنبوب الحفر الفولاذي، كما أن المعالجة السطحية لسبائك التيتانيوم TC4 يمكن أن تحسن بشكل فعال من صلابة أنبوب الحفر ومقاومته للتآكل. ومع ذلك، لا تزال هناك دراسات قليلة حول تحسين مقاومة التآكل لأنبوب الحفر المصنوع من سبائك التيتانيوم من خلال المعالجة السطحية، وهو ما يوفر أيضًا اتجاهًا للأبحاث المستقبلية.

2. غلاف زيت من سبائك التيتانيوم
قام وانج وآخرون بدراسة مادة سبائك التيتانيوم TC4 التي يمكن استخدامها كغلاف للنفط. ووجدوا أنه في بيئة التآكل الحمضية، يوجد تآكل كهروكيميائي محلي على سطح سبائك TC4، وخاصة التآكل النقطي. في سائل الإكمال المحتوي على ثاني أكسيد الكربون، تكون درجة تآكل سبائك TC4 أكثر خطورة، ولكن مقاومة التآكل أفضل في مياه التكوين المحتوية على ثاني أكسيد الكربون. في الوسطين التآكليين المحتويين على ثاني أكسيد الكربون أعلاه، تتمتع سبائك TC4 بمقاومة ممتازة للتشقق الناتج عن التآكل الإجهادي. وبالمقارنة مع البيئة الأرضية، فإن سبائك TC4 أكثر حساسية للتشقق الناتج عن التآكل الإجهادي في بيئة أعماق البحار.

في الوقت نفسه، درس وانج وآخرون أيضًا آلية مقاومة التآكل لسبائك التيتانيوم TC4 تحت ظروف تحميل إجهاد مختلفة ووجدوا أن الحفر ظهرت على سطح العينة المحملة بإجهاد مرن، ولكن درجة الحفر كانت خفيفة نسبيًا، وأظهرت طبقة الفيلم السطحية خصائص أشباه الموصلات من النوع n ولديها نفاذية انتقائية للكاتيون. عندما كانت حفر السطح للعينة المعرضة للإجهاد البلاستيكي أعمق وأوسع، وتحول نوع أشباه الموصلات لطبقة الفيلم السطحية إلى النوع p، تم امتصاص الأنيونات مثل Cl- وCO32- بسهولة أكبر وتدمير الفيلم الواقي، واتصلت بالركيزة من خلال الفيلم الواقي، مما أدى إلى انخفاض مقاومة التآكل لسبائك التيتانيوم TC4.

في الوقت الحاضر، ظروف العمل في حقول النفط والغاز غير التقليدية قاسية. ستقلل درجات الحرارة المرتفعة من قوة الخضوع ومعامل المرونة للأنابيب والغلاف، وسيؤدي الضغط المرتفع إلى زيادة ضغط الأنابيب والغلاف. تحت تأثير H2S وCO2 وCl- بمفردها أو معًا، يصبح تآكل الأنابيب والغلاف أكثر خطورة. يمكن لأنابيب وغلاف سبائك التيتانيوم حل مشكلة فشل التآكل في قاع البئر بشكل فعال، لكن البحث الحالي حول مقاومة التآكل لأنابيب وغلاف سبائك التيتانيوم لا يزال غير مكتمل ويحتاج إلى مزيد من البحث.

3. أنابيب آبار النفط المصنوعة من سبائك التيتانيوم
قام شوتز وآخرون بمقارنة مقاومة التآكل لسلاسل أنابيب سبائك UNS R55400 مع سلاسل أنابيب سبائك التيتانيوم الأخرى المستخدمة في حقول النفط. أظهرت بيانات اختبار التآكل المعملية لتطوير خط أنابيب UNS R55400 أن سبائك التيتانيوم قد تحسنت مقاومتها لـ SSC والتآكل النقطي المحلي والتآكل في الشقوق في البيئات المائية عالية الحموضة وغير الحمضية الغنية بالكلوريد والمرتبطة بصناعة حقول النفط.

يوضح الجدول 2 حدود الخدمة البيئية التقريبية لأنواع مختلفة من سبائك التيتانيوم في بيئات حقول النفط المختلفة. ويمكن ملاحظة أن سبائك التيتانيوم UNS R55400 وUNS R56404 تتمتع بأفضل أداء في بيئات المياه الغنية بالكلوريد الحمضية وغير الحمضية، وأعلى قوة هي سبائك التيتانيوم بيتا UNS R58640.

قام وي وآخرون بدراسة تأثير درجة حرارة التلدين على تطور البنية الدقيقة وسلوك التآكل لسبائك التيتانيوم Ti-Mo في حمض الهيدروكلوريك. ووجدوا أنه عندما تجاوزت درجة حرارة التلدين 850 درجة، فإن أغشية التخميل MoO3 و TiO2 المتكونة على سطح سبيكة التيتانيوم تسارع الذوبان، وزاد معدل التآكل، وتشكلت خلايا ميكروجلفانية ذات طورين وطور واحد. بالإضافة إلى ذلك، يُظهر فيلم التخميل خصائص أشباه الموصلات من النوع n والتي لا تعتمد على درجة حرارة التلدين.

من خلال نتائج البحث المذكورة أعلاه، وجد أن درجة حرارة التلدين، والحمض العالي، وبيئة المياه الغنية بالكلوريد غير الحمضية ستؤثر على مقاومة التآكل لسبائك التيتانيوم. هذا الاستنتاج له أهمية توجيهية لتحسين مواد سبائك التيتانيوم في المستقبل.