酸性油气田的井筒腐蚀可分为单一的 CO2 + 地层水的腐蚀介质类型和 H2S /CO2 + 地层水的腐蚀介质类型。钛合金油井管在此环境下服役，主要遭受应力腐蚀、孔蚀、缝隙腐蚀、接触腐蚀以及氢脆。
应力腐蚀
应力腐蚀是油气田行业中腐蚀危害较大的一种表现形式，处于腐蚀介质中的金属材料在拉应力作用下会发生断裂。发生应力腐蚀的基本过程为: 拉应力作用下金属表层所形成的保护膜发生破损开裂，从而产生孔蚀或缝隙腐蚀， 这 2 种腐蚀一般都是纵向延伸的，但在应力腐蚀中还存在拉应力，因此又会再次破坏缝隙两边的氧化膜，产生裂缝。钛合金应力腐蚀机理分为阳极溶解型和氢致开裂型。
关于阳极溶解型，当应力腐蚀发生时，伴随着外层钝化膜和疏松层的逐渐形成，所产生大的附加拉应力会使位错慢慢形成并且开始运动，直到材料表面应力达到一定临界值时，应力腐蚀微裂纹形核。在介质影响下，微裂纹扩展，造成低应力脆断。对于氢致开裂型，应力腐蚀过程中会伴随有氢离子的迁移与放电过程，所产生的一部分氢则吸附于钛合金表面或迁移到基体内部，导致钛合金管材应力脆断。
孔蚀与缝隙腐蚀
钛合金的孔蚀，即腐蚀产生于钛合金表面微孔内，随着氧的逐渐消耗，产生的氧浓度差加快了孔内腐蚀，其破坏与影响程度远大于全面腐蚀。缝隙腐蚀经常存在于钛合金紧固件上，其腐蚀过程分为孕育期与活性溶解期。缝隙内发生钛的溶解且氧浓度随腐蚀的进行而逐渐减少，吸氧反应逐渐外移; 同时钛溶解形成的 Ti3+ 发生水解，并产生H+，反过来又活化钛合金表面，进一步加速钛合金腐蚀。钛合金缝隙腐蚀后的宏观形貌如下图所示。
接触腐蚀
钛合金在使用期间会与异质材料相接触，由于钛合金表面电位较高，会与其接触的金属产生电化学回路，造成接触腐蚀。在接触腐蚀中，钛合金大多数作为阴极而被保护，其自身遭受电偶腐蚀影响不大，如钛合金同大气或海水接触会产生钝化，出现一层致密钝化膜，能够增强钛合金的抗腐蚀性能。但是接触腐蚀对整个构件的完整性影响较大，如外表电位偏高的钛合金与铜、铝及碳钢等金属发生接触时，这些金属作为阳极与钛合金发生电偶腐蚀。如 T2 铜片与 TC4 钛片间电偶腐蚀反应强烈，铜离子的释放速率能够稳定在 160 μg /( cm2·d) 左右，相比 T2 铜片发生自腐蚀时铜离子的释放速率提高了数十倍。
氢脆
钛合金管柱内的酸性液体中存在氢，且钛合金出现局部腐蚀和阴极过保护时也会形成氢，这会导致易吸氢的钛合金发生氢脆。吸氢机理至少包含析氢和吸氢 2 个基本过程:在室温下，氢在 α 钛中的溶解度较小，α 钛与氢极易生成氢化钛，因此氢化物型氢脆是纯钛及 α 钛合金的主要氢脆表现形式; 若钛中氢含量高于钛中氢的最大溶解度时，氢会与钛反应形成氢化钛，在氢含量逐渐增加的情况下，钛氢化物会进行延展并积聚，当钛氢化物的量到达一定程度时，钛基体的塑性则会显著降低，并因外应力的存在而发生塑性变形。下表为几种常用钛合金发生氢致延迟开裂的最低氢含量。
来源 |宝鸡钛产业研究院
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