油套管用Ti6Al4V合金熱氧化表面改性及其典型服役行為研究.pdf

1、油套管是油氣井的重要基礎(chǔ)材料，約占整體油井管消費量的四分之三。腐蝕和磨損工況極易導(dǎo)致油套管失效，嚴重威脅油氣井的安全運行。為確保油氣田安全、高效地開發(fā)與生產(chǎn)，最有效的措施是采用耐蝕合金管材，但耐蝕合金含有價格昂貴的金屬元素，大批量使用會使生產(chǎn)成本增加。Ti6Al4V合金比強度高、熱穩(wěn)定性好、耐蝕性優(yōu)異、生物相容性好，被譽為王牌鈦合金，廣泛應(yīng)用于民用和軍事領(lǐng)域。目前，已有機構(gòu)將Ti6Al4V合金-碳鋼復(fù)合管作為新型套管材料應(yīng)用于油氣開采。

2、以碳鋼管材為基體材料，發(fā)揮碳鋼的良好力學(xué)性能和低價優(yōu)勢；以 Ti6Al4V合金為內(nèi)襯，利用其高比強度和優(yōu)異的耐蝕性，可顯著降低原材料采購成本及管道的長期運營成本，具有廣闊的應(yīng)用前景。但是，Ti6Al4V合金導(dǎo)熱系數(shù)小、摩擦系數(shù)大、粘著磨損和微動磨損敏感性高，且表面承載能力低，直接將 Ti6Al4V合金作復(fù)合管內(nèi)襯使用將明顯影響結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性，這也是 Ti6Al4V合金作為復(fù)合管內(nèi)襯材料不能回避、也是必須加以考慮的問題。
　　

3、鈦與氧的化學(xué)親和性較高，熱氧化已被認為是一種能夠同時提高鈦及鈦合金耐磨性和耐蝕性的有效方法。針對 Ti6Al4V合金作為復(fù)合管內(nèi)襯材料的工程背景，借助熱氧化技術(shù)對 Ti6Al4V合金進行表面改性，分別以熱氧化溫度和熱氧化時間為參數(shù)，進行了熱氧化工藝優(yōu)化，評價了熱氧化層在模擬油田介質(zhì)中的典型服役行為：沖蝕磨損和腐蝕磨損行為，研究結(jié)果可望為拓展Ti6Al4V合金在石油管材方面的應(yīng)用提供參考依據(jù)。主要研究結(jié)果如下：
　　(1)通過研究熱

4、氧化溫度和熱氧化時間對熱氧化層的厚度、耐磨性和耐蝕性的影響來優(yōu)化熱氧化工藝，綜合評價所獲得的優(yōu)化參數(shù)為：熱氧化溫度973 K，熱氧化時間30 h。在此工藝下制備的熱氧化層中的主相為金紅石型TiO2，熱氧化層的厚度超過12μm，表面硬度達868 HV。熱氧化層由α-Al2O3和金紅石TiO2混晶層+單一金紅石型TiO2層+TixOy混雜層+O擴散層構(gòu)成，表現(xiàn)出明顯的多層結(jié)構(gòu)特征。
　　(2)對優(yōu)化參數(shù)下所獲得的熱氧化層分別進行 XP

5、S分析、截面的硬度和結(jié)合強度測試，在CO2飽和模擬油田采出液中的Mott-Schottky曲線，研究熱氧化層的半導(dǎo)體特性，探索其耐蝕本質(zhì)。結(jié)果表明：熱氧化層的成分呈梯度分布，氧化層至下方基體的硬度分布亦呈梯度，有利于改善材料表面的承載能力和耐磨性能。結(jié)合強度測試結(jié)果表明，劃痕測試中致密貧鋁氧化物層和氧的擴散層所對應(yīng)的臨界載荷數(shù)值約為6 N和10 N。Ti6Al4V合金的Mott-Schottky曲線可擬合為兩段線性特征，且斜率值均為正，

6、表現(xiàn)出n型半導(dǎo)體特性。熱氧化層的Mott-Schottky曲線由兩部分組成，段(I)明顯的線性特征，且斜率為正，也表現(xiàn)出 n型半導(dǎo)體特性；段(II)呈近線性特征，斜率為負，表現(xiàn)出p型半導(dǎo)體特性。熱氧化層的p-n雙極性半導(dǎo)體特性既能阻止陽離子從基體中遷移，又能抑制溶液中的陰離子侵蝕基體，使其表現(xiàn)出更好的耐蝕性。
　　(3)在固-液兩相流的沖蝕磨損條件下，研究了 Ti6Al4V合金和熱氧化層的沖蝕磨損行為。固體粒子沖蝕和液相介質(zhì)腐蝕的

7、協(xié)同作用引發(fā)了Ti6Al4V合金和熱氧化層表面的破壞。低硬度的 Ti6Al4V合金的耐沖蝕磨損性能較差，而熱氧化層表現(xiàn)出很好的耐沖蝕磨損性能，可以對Ti6Al4V合金起到良好的保護作用，熱氧化層在固-液兩相流腐蝕介質(zhì)中優(yōu)異的沖蝕磨損抗力得益于其表面的高硬度以及其在腐蝕介質(zhì)中的化學(xué)穩(wěn)定性；
　　(4) Ti6Al4V合金和熱氧化層與兩種摩擦配副在CO2飽和模擬油田采出液中的腐蝕磨損行為存在差異，該差異在摩擦系數(shù)-時間曲線、磨損失重以