油套管用Ti6Al4V合金热氧化表面改性及其典型服役行为研究

摘要

油套管是油气井的重要基础材料，约占整体油井管消费量的四分之三。腐蚀和磨损工况极易导致油套管失效，严重威胁油气井的安全运行。为确保油气田安全、高效地开发与生产，最有效的措施是采用耐蚀合金管材，但耐蚀合金含有价格昂贵的金属元素，大批量使用会使生产成本增加。Ti6Al4V合金比强度高、热稳定性好、耐蚀性优异、生物相容性好，被誉为王牌钛合金，广泛应用于民用和军事领域。目前，已有机构将Ti6Al4V合金-碳钢复合管作为新型套管材料应用于油气开采。以碳钢管材为基体材料，发挥碳钢的良好力学性能和低价优势；以 Ti6Al4V合金为内衬，利用其高比强度和优异的耐蚀性，可显著降低原材料采购成本及管道的长期运营成本，具有广阔的应用前景。但是，Ti6Al4V合金导热系数小、摩擦系数大、粘着磨损和微动磨损敏感性高，且表面承载能力低，直接将 Ti6Al4V合金作复合管内衬使用将明显影响结构的安全性和可靠性，这也是 Ti6Al4V合金作为复合管内衬材料不能回避、也是必须加以考虑的问题。
　　钛与氧的化学亲和性较高，热氧化已被认为是一种能够同时提高钛及钛合金耐磨性和耐蚀性的有效方法。针对 Ti6Al4V合金作为复合管内衬材料的工程背景，借助热氧化技术对 Ti6Al4V合金进行表面改性，分别以热氧化温度和热氧化时间为参数，进行了热氧化工艺优化，评价了热氧化层在模拟油田介质中的典型服役行为：冲蚀磨损和腐蚀磨损行为，研究结果可望为拓展Ti6Al4V合金在石油管材方面的应用提供参考依据。主要研究结果如下：
　　(1)通过研究热氧化温度和热氧化时间对热氧化层的厚度、耐磨性和耐蚀性的影响来优化热氧化工艺，综合评价所获得的优化参数为：热氧化温度973 K，热氧化时间30 h。在此工艺下制备的热氧化层中的主相为金红石型TiO2，热氧化层的厚度超过12μm，表面硬度达868 HV。热氧化层由α-Al2O3和金红石TiO2混晶层+单一金红石型TiO2层+TixOy混杂层+O扩散层构成，表现出明显的多层结构特征。
　　(2)对优化参数下所获得的热氧化层分别进行 XPS分析、截面的硬度和结合强度测试，在CO2饱和模拟油田采出液中的Mott-Schottky曲线，研究热氧化层的半导体特性，探索其耐蚀本质。结果表明：热氧化层的成分呈梯度分布，氧化层至下方基体的硬度分布亦呈梯度，有利于改善材料表面的承载能力和耐磨性能。结合强度测试结果表明，划痕测试中致密贫铝氧化物层和氧的扩散层所对应的临界载荷数值约为6 N和10 N。Ti6Al4V合金的Mott-Schottky曲线可拟合为两段线性特征，且斜率值均为正，表现出n型半导体特性。热氧化层的Mott-Schottky曲线由两部分组成，段(I)明显的线性特征，且斜率为正，也表现出 n型半导体特性；段(II)呈近线性特征，斜率为负，表现出p型半导体特性。热氧化层的p-n双极性半导体特性既能阻止阳离子从基体中迁移，又能抑制溶液中的阴离子侵蚀基体，使其表现出更好的耐蚀性。
　　(3)在固-液两相流的冲蚀磨损条件下，研究了 Ti6Al4V合金和热氧化层的冲蚀磨损行为。固体粒子冲蚀和液相介质腐蚀的协同作用引发了Ti6Al4V合金和热氧化层表面的破坏。低硬度的 Ti6Al4V合金的耐冲蚀磨损性能较差，而热氧化层表现出很好的耐冲蚀磨损性能，可以对Ti6Al4V合金起到良好的保护作用，热氧化层在固-液两相流腐蚀介质中优异的冲蚀磨损抗力得益于其表面的高硬度以及其在腐蚀介质中的化学稳定性；
　　(4) Ti6Al4V合金和热氧化层与两种摩擦配副在CO2饱和模拟油田采出液中的腐蚀磨损行为存在差异，该差异在摩擦系数-时间曲线、磨损失重以及磨痕特征中均得到体现。总体上讲，表面热氧化层显著增强了Ti6Al4V合金的抗腐蚀磨损能力。

目录

声明

符号说明

第一章 绪论

1.1 研究背景及选题意义

1.2 研究内容

参考文献

第二章 实验材料与方法

2.1 实验材料

2.2 实验设备

2.3 实验工艺

2.4 分析方法

2.5 评价指标

参考文献

第三章 Ti6Al4V合金表面热氧化层的组织结构及性能

3.1 温度对热氧化层组织结构及性能的影响

3.2 时间对热氧化层组织结构及性能的影响

3.3 综合分析

3.4 热氧化层表面分形维数与性能的相关性

3.5 小结

参考文献

第四章 热氧化层的特征分析

4.1 检测项目及设备

4.2 检测结果

4.3 小结

参考文献

第五章 热氧化层在模拟油田介质中的冲蚀磨损行为研究

5.1引言

5.2实验

5.3 实验结果

5.4 讨论

5.5 基于图像处理技术的冲蚀磨损性能评价——初探

5.6 小结

参考文献

第六章 热氧化层在模拟油田介质中的腐蚀磨损行为研究

6.1 引言

6.2 实验

6.3 实验结果

6.4 讨论

6.5 小结

参考文献

第七章 结论

致谢

攻读博士期间的论文、专利和项目情况

博士学位论文独创性说明

附录A：

附录B：