מחקר על עמידות בפני קורוזיה של צינור באר שמן מסגסוגת טיטניום

המהות של עמידות בפני קורוזיה של סגסוגת טיטניום היא שטיטניום הוא יסוד לא יציב מבחינה תרמודינמית עם פוטנציאל אלקטרודה סטנדרטי של -1.63 V בלבד (אלקטרודת מימן סטנדרטית HSE). לכן, לטיטניום וסגסוגות טיטניום קל מאוד ליצור סרט תחמוצת משטח רציף, צפוף ודק מאוד באוויר או אפילו במים, המורכב משכבה פנימית של Ti2O3 ושכבה חיצונית של TiO2, והוא ממשיך להתעבות ככל תגובת החיזור ממשיכה. סרט התחמוצת המכסה את פני השטח של סגסוגת הטיטניום מעכב את העברת מטען התגובה ומפחית או מעכב את פירוק סגסוגת הטיטניום במדיום המאכל, וכתוצאה מכך פסיביות.

עם זאת, לסגסוגת טיטניום יש פוטנציאל חיובי גבוה יותר מסגסוגות אחרות. בשילוב עם סגסוגות שונות, סגסוגת טיטניום מוגנת כקתודה, מה שמאיץ את הקורוזיה של המתכת המצורפת ועלולה להוביל לנזק מבני. לכן, חוקרים מקומיים וזרים ערכו גם מחקרים מסוימים על עמידות בפני קורוזיה של סגסוגת טיטניום בצינורות מקדחים ובמעטפת שמן.

1. צינור קידוח מסגסוגת טיטניום
פנג וחב'. העריך את ביצועי העייפות של צינורות מקדחים מסגסוגת טיטניום. התוצאות הראו כי באוויר, עם עליית דרגת הפלדה, חיי העייפות של צינור הקידוח יוארכו, בעוד בבוץ הקידוח, ביצועי העייפות של צינור הקידוח מסגסוגת טיטניום הם הטובים ביותר. איור 3א מציג את עקומות העייפות של דגימות שונות של צינורות מקדחה תחת בוץ H2S בטמפרטורת החדר. נוכחות של בוץ H2S תפחית מאוד את חיי העייפות של כל דגימת צינור מקדחה, מה שמעיד על כך שלצינור הקידוח יש רגישות גבוהה לבוץ H2S. בסביבת בוץ H2S, חיי העייפות של צינור מקדחה מסגסוגת טיטניום גבוהים משמעותית מזה של צינורות מקדחות פלדה כגון G105, S135 ו-V150. איור 3b מתווה את עקומות ה-SN של צינורות מקדחה שונים בבוץ H2S ב-100 מעלות. בהשוואה לאוויר בטמפרטורת החדר, חיי העייפות של דגימות G105, S135, V150 ו-Ti מופחתים באופן משמעותי. לגורם הצימוד של בוץ H2S והטמפרטורה יש השפעה גדולה יותר על חיי העייפות של צינור הקידוח מאשר גורם בודד. בתנאי צימוד זה, לחיי העייפות של צינור קידוח טיטניום יש יתרון גדול יותר מצינורות מקדחה אחרים.

איור 3 עקומות עייפות של דגימות צינור קידוח G105, S135, V150 ו-Ti בתנאי עבודה שונים

חן וחב'. השתמש בטכנולוגיית חמצון מיקרו-קשת חדשה לטיפול במשטח כדי להוסיף ריכוזים שונים של נתרן טונגסטאט לתמיסת החמצון כדי לבצע חמצון מיקרו-קשת על פני השטח של צינור מקדחה מסגסוגת טיטניום TC4. מחקרים הראו כי סימום טונגסטן יכול לשפר ביעילות את הקשיות ועמידות בפני קורוזיה של צינור מקדחה מסגסוגת טיטניום TC4. וכאשר ריכוז הנתרן טונגסטאט הוא 3 גרם/ליטר, הביצועים המקיפים של שכבת חמצון המיקרו-קשת על צינור המקדחה מסגסוגת טיטניום הם הטובים ביותר.

לסיכום, חיי עייפות הקורוזיה של צינור מקדחה מסגסוגת טיטניום בטמפרטורה גבוהה ובסביבת גופרית גבוהה טובים יותר מזה של צינור מקדחה פלדה, וטיפול פני השטח של סגסוגת טיטניום TC4 יכול לשפר ביעילות את הקשיות ועמידות הקורוזיה של צינור המקדחה. עם זאת, ישנם עדיין מעט מחקרים על שיפור עמידות בפני קורוזיה של צינור מקדחה מסגסוגת טיטניום על ידי טיפול פני השטח, אשר מספק גם כיוון למחקר עתידי.

2. מעטפת שמן מסגסוגת טיטניום
וואנג וחב'. למד את חומר סגסוגת הטיטניום TC4 שיכול לשמש כמארז שמן. הם גילו שבסביבת קורוזיה חומצית, יש קורוזיה אלקטרוכימית מקומית על פני השטח של סגסוגת TC4, בעיקר קורוזיה בבור. בנוזל ההשלמה המכיל CO2, דרגת הקורוזיה של סגסוגת TC4 חמורה יותר, אך העמידות בפני קורוזיה טובה יותר במי היווצרות המכילים CO2. בשני המדיה הקורוזיבית2- שלעיל, לסגסוגת TC4 יש עמידות מצוינת בפני פיצוח קורוזיה במתח. בהשוואה לסביבה היבשתית, סגסוגת TC4 רגישה יותר לסדיקת קורוזיה בסביבת הים העמוק.

במקביל, Wang et al. חקר גם את מנגנון העמידות בפני קורוזיה של סגסוגת טיטניום TC4 בתנאי טעינת מתח שונים ומצא כי בורות הופיעו על פני הדגימה עמוסים בלחץ אלסטי, אך מידת החריצים הייתה קלה יחסית, ושכבת הסרט פני השטח הראתה מוליך למחצה מסוג n מאפיינים והיו בעלי חדירות סלקטיבית של קטיונים. כאשר בורות פני השטח של הדגימה שהיו נתונים ללחץ פלסטי היו עמוקים ורחבים יותר, וסוג המוליכים למחצה של שכבת הסרט פני השטח עבר טרנספורמציה לסוג p, אניונים כגון Cl- ו-CO32- נספגו והושמדו בקלות רבה יותר. את הסרט המגן, ומגע עם המצע דרך הסרט המגן, וכתוצאה מכך ירידה בעמידות בפני קורוזיה של סגסוגת טיטניום TC4.

כיום, תנאי העבודה של שדות נפט וגז לא קונבנציונליים קשים. טמפרטורה גבוהה תפחית את חוזק התפוקה ואת מודול האלסטי של הצינור והמעטפת, ולחץ גבוה יגביר את הלחץ של הצינור והמעטפת. תחת הפעולה של H2S, CO2 ו-Cl- לבד או ביחד, הקורוזיה של הצינורות והמעטפת הופכת לרצינית יותר ויותר. צינורות ומעטפת מסגסוגת טיטניום יכולים לפתור ביעילות את הבעיה של כשל קורוזיה בבור, אך המחקר הנוכחי על עמידות בפני קורוזיה של צינורות ומעטפת מסגסוגת טיטניום עדיין לא שלם ודורש מחקר נוסף.

3. צינורות באר שמן מסגסוגת טיטניום
Schutz et al. השווה את עמידות בפני קורוזיה של מיתרי צינור מסגסוגת UNS R55400 עם מיתרי צינור מסגסוגת טיטניום אחרים בשדה הנפט. נתוני בדיקת הקורוזיה במעבדה של פיתוח צינורות UNS R55400 הראו כי סגסוגת הטיטניום שיפרה עמידות בפני SSC וקורוזיה מקומית וחריצים בסביבות מים עשירות בכלוריד חומציות ולא חומציות הקשורות לתעשיית שדות הנפט.

טבלה 2 מציגה את גבולות השירות הסביבתי המשוער של סוגים שונים של סגסוגות טיטניום בסביבות שונות של שדות נפט. ניתן לראות שלסגסוגות טיטניום UNS R55400 ו-UNS R56404 יש את הביצועים הטובים ביותר בסביבות מים עשירות בכלוריד חומצי ולא חומצי, והחוזק הגבוה ביותר הוא סגסוגת טיטניום בטא UNS R58640.

Wei et al. חקר את ההשפעה של טמפרטורת חישול על התפתחות המיקרו-מבנה והתנהגות הקורוזיה של סגסוגת טי-מו טיטניום בחומצה הידרוכלורית. הם גילו שכאשר טמפרטורת החישול עלתה על 850 מעלות, סרטי הפסיבציה של MoO3 ו-TiO2 שנוצרו על פני השטח של סגסוגת הטיטניום האיצו את ההתמוססות, קצב הקורוזיה גדל, ונוצרו תאים מיקרוגלווניים - פאזה ו-פאזה. בנוסף, סרט הפסיבציה מציג תכונות מוליכים למחצה מסוג n שאינן תלויות בטמפרטורת החישול.

באמצעות תוצאות המחקר הנ"ל, נמצא כי טמפרטורת חישול, חומצה גבוהה וסביבת מים עשירה בכלוריד שאינה חומצית ישפיעו על העמידות בפני קורוזיה של סגסוגות טיטניום. למסקנה זו יש משמעות מנחה לאופטימיזציה של חומרי סגסוגת טיטניום בעתיד.