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(fèi)量的四分之三。腐蝕和磨損工況極易導(dǎo)致油套管失效，嚴(yán)重威脅油氣井的安全運(yùn)行。為確保油氣田安全、高效地開(kāi)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(jià)格昂貴的金屬元素，大批量使用會(huì)使生產(chǎn)成本增加。Ti6Al4V合金比強(qiáng)度高、熱穩(wěn)定性好、耐蝕性優(yōu)異、生物相容性好，被譽(yù)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(jī)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(kāi)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(jià)優(yōu)勢(shì)；以 Ti6Al4V合金為內(nèi)襯，利用其高比強(qiáng)度和優(yōu)異的耐蝕性，可顯著降低原材料采購(gòu)成本及管道的長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)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(dòng)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(wèn)題。
　　

3、鈦與氧的化學(xué)親和性較高，熱氧化已被認(rèn)為是一種能夠同時(shí)提高鈦及鈦合金耐磨性和耐蝕性的有效方法。針對(duì) 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(duì) Ti6Al4V合金進(jìn)行表面改性，分別以熱氧化溫度和熱氧化時(shí)間為參數(shù)，進(jìn)行了熱氧化工藝優(yōu)化，評(píng)價(jià)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(guò)研究熱

4、氧化溫度和熱氧化時(shí)間對(duì)熱氧化層的厚度、耐磨性和耐蝕性的影響來(lái)優(yōu)化熱氧化工藝，綜合評(píng)價(jià)所獲得的優(yōu)化參數(shù)為：熱氧化溫度973 K，熱氧化時(shí)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(guò)12μm，表面硬度達(dá)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(kuò)散層構(gòu)成，表現(xiàn)出明顯的多層結(jié)構(gòu)特征。
　　(2)對(duì)優(yōu)化參數(shù)下所獲得的熱氧化層分別進(jìn)行 XP

5、S分析、截面的硬度和結(jié)合強(qiáng)度測(cè)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(qiáng)度測(cè)試結(jié)果表明，劃痕測(cè)試中致密貧鋁氧化物層和氧的擴(kuò)散層所對(duì)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(fù)，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(yáng)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(duì)Ti6Al4V合金起到良好的保護(hù)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(shí)間曲線、磨損失重以