Étude sur la résistance à la corrosion des tuyaux de puits de pétrole en alliage de titane
L'essence de la résistance à la corrosion des alliages de titane est que le titane est un élément thermodynamiquement instable avec un potentiel d'électrode standard de seulement -1,63 V (électrode à hydrogène standard HSE). Par conséquent, le titane et les alliages de titane forment très facilement un film d'oxyde de surface continu, dense et très fin dans l'air ou même dans l'eau, qui est composé d'une couche interne de Ti2O3 et d'une couche externe de TiO2, et il continue de s'épaissir au fur et à mesure que la réaction redox se déroule. Le film d'oxyde recouvrant la surface de l'alliage de titane entrave le transfert de charge de réaction et réduit ou inhibe la dissolution de l'alliage de titane dans le milieu corrosif, ce qui entraîne une passivation.
Cependant, l'alliage de titane a un potentiel positif plus élevé que les autres alliages. Lorsqu'il est couplé à différents alliages, l'alliage de titane est protégé comme une cathode, ce qui accélère la corrosion du métal couplé et peut entraîner des dommages structurels. Par conséquent, des chercheurs nationaux et étrangers ont également mené certaines recherches sur la résistance à la corrosion de l'alliage de titane dans les tiges de forage et les tubages pétroliers.
1. Tige de forage en alliage de titane
Français Peng et al. ont évalué la performance de fatigue des tiges de forage en alliage de titane. Les résultats ont montré qu'à l'air, avec l'augmentation de la nuance d'acier, la durée de vie en fatigue de la tige de forage sera prolongée, tandis que dans la boue de forage, la performance de fatigue des tiges de forage en alliage de titane est la meilleure. La figure 3a montre les courbes de fatigue de différents échantillons de tiges de forage sous boue H2S à température ambiante. La présence de boue H2S réduira considérablement la durée de vie en fatigue de chaque échantillon de tige de forage, indiquant que la tige de forage a une sensibilité élevée à la boue H2S. Dans l'environnement de boue H2S, la durée de vie en fatigue des tiges de forage en alliage de titane est significativement plus élevée que celle des tiges de forage en acier telles que G105, S135 et V150. La figure 3b trace les courbes SN de différentes tiges de forage dans la boue H2S à 100 degrés. Par rapport à l'air à température ambiante, la durée de vie en fatigue des échantillons G105, S135, V150 et Ti est considérablement réduite. Le facteur de couplage de la boue H2S et de la température a un impact plus important sur la durée de vie en fatigue des tiges de forage qu'un seul facteur. Dans ces conditions de couplage, la durée de vie en fatigue du tube de forage en titane présente toujours un plus grand avantage que celle des autres tubes de forage.
Fig.3 Courbes de fatigue des échantillons de tiges de forage G105, S135, V150 et Ti dans différentes conditions de travail
Chen et al. ont utilisé une nouvelle technologie d'oxydation par micro-arc de traitement de surface pour ajouter différentes concentrations de tungstate de sodium à la solution d'oxydation afin de réaliser une oxydation par micro-arc sur la surface du tube de forage en alliage de titane TC4. Des études ont montré que le dopage au tungstène peut améliorer efficacement la dureté et la résistance à la corrosion du tube de forage en alliage de titane TC4. Et lorsque la concentration de tungstate de sodium est de 3 g/L, les performances globales de la couche d'oxydation par micro-arc sur le tube de forage en alliage de titane sont les meilleures.
En résumé, la durée de vie à la fatigue par corrosion des tiges de forage en alliage de titane dans un environnement à haute température et à haute teneur en soufre est meilleure que celle des tiges de forage en acier, et le traitement de surface de l'alliage de titane TC4 peut améliorer efficacement la dureté et la résistance à la corrosion des tiges de forage. Cependant, il existe encore peu d'études sur l'amélioration de la résistance à la corrosion des tiges de forage en alliage de titane par traitement de surface, ce qui fournit également une orientation pour les recherches futures.
2. Carter d'huile en alliage de titane
Wang et al. ont étudié le matériau en alliage de titane TC4 qui peut être utilisé comme enveloppe de pétrole. Ils ont découvert que dans un environnement de corrosion acide, il y a une corrosion électrochimique locale à la surface de l'alliage TC4, principalement une corrosion par piqûres. Dans le fluide de complétion contenant du CO2, le degré de corrosion de l'alliage TC4 est plus grave, mais la résistance à la corrosion est meilleure dans l'eau de formation contenant du CO2. Dans les deux milieux corrosifs contenant du CO2-ci-dessus, l'alliage TC4 présente une excellente résistance à la fissuration par corrosion sous contrainte. Comparé à l'environnement terrestre, l'alliage TC4 est plus sensible à la fissuration par corrosion sous contrainte dans l'environnement des eaux profondes.
Français Dans le même temps, Wang et al. ont également étudié le mécanisme de résistance à la corrosion de l'alliage de titane TC4 dans différentes conditions de charge de contrainte et ont constaté que des piqûres apparaissaient à la surface de l'échantillon chargé de contrainte élastique, mais le degré de piqûres était relativement léger, et la couche de film de surface présentait des propriétés de semi-conducteur de type n et avait une perméabilité sélective aux cations. Lorsque les piqûres de surface de l'échantillon soumis à une contrainte plastique étaient plus profondes et plus larges, et que le type de semi-conducteur de la couche de film de surface était transformé en type p, les anions tels que Cl- et CO32- étaient plus facilement adsorbés et détruisaient le film protecteur, et entraient en contact avec le substrat à travers le film protecteur, ce qui entraînait une diminution de la résistance à la corrosion de l'alliage de titane TC4.
Actuellement, les conditions de travail des champs de pétrole et de gaz non conventionnels sont difficiles. Une température élevée réduit la limite d'élasticité et le module d'élasticité des tubes et des cuvelages, et une pression élevée augmente la pression des tubes et des cuvelages. Sous l'action de H2S, CO2 et Cl- seuls ou ensemble, la corrosion des tubes et des cuvelages devient de plus en plus grave. Les tubes et les cuvelages en alliage de titane peuvent résoudre efficacement le problème de la corrosion en fond de trou, mais les recherches actuelles sur la résistance à la corrosion des tubes et des cuvelages en alliage de titane sont encore incomplètes et nécessitent des recherches plus approfondies.
3. Tubes de puits de pétrole en alliage de titane
Schutz et al. ont comparé la résistance à la corrosion des tubes en alliage UNS R55400 avec d'autres tubes en alliage de titane pour champs pétrolifères. Les données des tests de corrosion en laboratoire du développement du pipeline UNS R55400 ont montré que l'alliage de titane avait une meilleure résistance à la corrosion sous pression et à la corrosion par piqûres et crevasses locales dans des environnements d'eau riches en chlorures très acides et non acides liés à l'industrie pétrolière.
Le tableau 2 montre les limites de service environnementales approximatives de différents types d'alliages de titane dans différents environnements de champs pétrolifères. On peut constater que les alliages de titane UNS R55400 et UNS R56404 ont les meilleures performances dans les environnements aqueux acides et non acides riches en chlorure, et que la résistance la plus élevée est l'alliage de titane bêta UNS R58640.
Wei et al. ont étudié l'effet de la température de recuit sur l'évolution de la microstructure et le comportement à la corrosion de l'alliage de titane Ti-Mo dans l'acide chlorhydrique. Ils ont découvert que lorsque la température de recuit dépassait 850 degrés, les films de passivation MoO3 et TiO2 formés à la surface de l'alliage de titane accéléraient leur dissolution, la vitesse de corrosion augmentait et des cellules microgalvaniques en phase α et en phase β se formaient. De plus, le film de passivation présente des propriétés de semi-conducteur de type n qui sont indépendantes de la température de recuit.
Les résultats de recherche ci-dessus montrent que la température de recuit, l'acidité élevée et l'environnement aqueux riche en chlorure non acide affectent la résistance à la corrosion des alliages de titane. Cette conclusion revêt une importance capitale pour l'optimisation des matériaux en alliage de titane à l'avenir.