CN106987756B - 一种防腐蚀防垢钛铜合金材料 - Google Patents

一种防腐蚀防垢钛铜合金材料 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种防腐蚀防垢钛铜合金材料，包含如下质量百分含量的组分：钛25~40%，铜20~30%，锌10~25%，镍10~15%，锡2~5%，碲1~5%，铝0.01~3%，铟0.01~0.8%，铌0.3~0.5%，硅0.01~0.3%，钪0.01~0.5%，贫铀0.1~1%，NaF和NaCl的混合物0.5~1.5%，不可避免的杂质小于0.1%。该材料不仅自身具有优异的耐腐蚀和防垢性能，放置在采出水中还可以减缓水的腐蚀性，可以减小油气开发后期溶液的腐蚀性，减小溶液对设备的结垢。

Description

一种防腐蚀防垢钛铜合金材料
技术领域
本发明属于防腐防垢材料领域，具体涉及一种用于油气田生产过程中防腐蚀防垢铜钛合金材料。
背景技术
随着油气田开发后中后期进入高含水阶段，油气田水处理已成为维持地层压力和提高油田产量的主要手段。但是伴随水处理过程引发的腐蚀结垢问题是目前普遍存在的严重问题，给油气田生产带来了严重的安全威胁和经济损失。而在油气田生产系统中，腐蚀及结垢往往是同时发生。因此，研发一种能够兼具防腐蚀防垢功能的新材料显得尤为重要。
目前，防腐防垢合金材料多以铜为主体。中国专利（CN 105779814A）公开了一种合金材料，通过在合金材料中添加稀土元素来增加合金材料的防腐蚀和防垢性能。防腐蚀防垢合金材料具有无磁、无电、无能耗等优点，但是现有的防腐蚀防垢合金材料在防腐防垢性能方面仍需提高。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明提供一种防腐蚀防垢铜钛合金材料，该合金材料应用于油气田生产过程中，具有防腐、防垢性能好的优点。
本发明是通过以下技术方案实现的。
一种防腐蚀防垢钛铜合金材料，包含如下质量百分含量的组分：钛 25~40%，铜 20~30%，锌 10~25%，镍 10~15%，锡 2~5%，碲 1~5%，铝0.01~3%，铟 0.01~0.8%，铌 0.3~0.5%，硅 0.01~0.3%，钪 0.01~0.5%，贫铀 0.1~1%，NaF和NaCl的混合物 0.5~1.5%，不可避免的杂质小于0.1%。
优选地，上述防腐蚀防垢钛铜合金材料，包含如下质量百分含量的组分：钛34.12%，铜 27.28%，锌 20.16%，镍 11.05%，锡 2.20%，碲 1.25%，铝 0.76%，铟 0.5%，铌0.43%，硅 0.20%，钪 0.15%，贫铀 0.75%，NaF和NaCl的混合物 1.09%，不可避免的杂质0.06%。
NaF和NaCl的重量比为2：（2.5-5）。
优选地，NaF和NaCl的重量比为2：3。
上述防腐蚀防垢钛铜合金材料的制备方法：采用真空电弧熔炼法，在水冷铜结晶器上，采用石墨作电极进行电弧熔炼。熔炼前将熔炼炉抽真空后，充入高纯惰性气体，电弧在易离子化的氩气中燃烧，然后将电弧转移到坩埚内的炉料上去，将上述组分熔化，翻转四次，重复熔炼四次以保证成分的均匀性。在800℃时进行退火处理，保温2小时，随炉冷却至室温，即可。
本发明所述合金材料的防腐蚀机理如下：
钛元素具有优异的性能：（1）钛的致钝电流密度小，致钝电位较负，稍具氧化能力的氧化剂就能使其钝化；（2）钛的稳定电位范围交款，不易形成“过钝化”；（3）钛的钝化态不易破坏，即使表面被划伤也能迅速恢复，所以钝化膜具有很高的稳定性，故钛表现出较好的耐蚀性；
油田采出水主要是多种离子组成的电解质溶液，当合金与电解质溶液接触时，在合金表面形成以钛、铜、锌、镍、锡元素为主的无数个极其微小的原电池。原电池中阳极的电化学反应主要是失去电子，反应主要如下：
Ti-2e-→Ti2+ ， Zn-2e-→Zn2+， Sn-2e-→Sn2+， Ni-2e- →Ni2+， Al-3e-→Al3+；
铜的标准电极电位最高，在原电池中成阴极，反应如下：O2+H20+4e-→4OH-；
加入合金后，溶液中产生的OH-，能中和H+,减弱了溶液的腐蚀性。
本发明所述合金材料的防垢机理如下：
合金发生电解反应后，会析出金属阳离子，影响溶液中碳酸钙晶体的溶解度、生长速度、晶体形貌。在含有Ca2+和CO3 2-的水中，由于二价金属阳离子的析出，减少了CO3 2-和Ca2+结合并聚集的几率，阻碍了碳酸钙的形核，起到了防垢效果。
加入NaF、NaCl、贫铀，不仅可以提高合金的强度，提高其耐磨性能，还能促进上述电解反应，增强防腐蚀和防垢的效果。
本发明的优点：
本发明提供的防腐蚀防垢钛铜合金材料，可以应用于油气田开发和生产系统，在组分中加入了NaF、NaCl、贫铀后，该材料不仅自身具有优异的耐腐蚀和防垢性能，放置在采出水中还可以减缓水的腐蚀性，可以减小油气开发后期溶液的腐蚀性，减小溶液对设备的结垢。
具体实施方式
实施例1
1. 一种防腐蚀防垢钛铜合金材料，包含如下质量百分含量的组分：钛 34.12%，铜27.28%，锌 20.16%，镍 11.05%，锡 2.20%，碲 1.25%，铝 0.76%，铟 0.5%，铌 0.43%，硅0.20%，钪 0.15%，贫铀 0.75%，NaF和NaCl的混合物 1.09%，不可避免的杂质 0.06%，其中，NaF和NaCl的重量比为2:3。
2. 该防腐蚀防垢钛铜合金材料的制备方法如下：
上述防腐蚀防垢钛铜合金材料的制备方法：采用真空电弧熔炼法，在水冷铜结晶器上，采用石墨作电极进行电弧熔炼。熔炼前将熔炼炉抽真空后，充入高纯惰性气体，电弧在易离子化的氩气中燃烧，然后将电弧转移到坩埚内的炉料上去，将上述组分熔化，翻转四次，重复熔炼四次以保证成分的均匀性。在800℃时进行退火处理，保温2小时，随炉冷却至室温，即可。
实施例2
一种防腐蚀防垢钛铜合金材料，包含如下质量百分含量的组分：钛：26.26%，铜：29.68%，锌:15.46%，镍：14.21%，锡：4.67%，碲：4.85%，铝：2.23%，铟：0.2%，铌：0.30%，硅：0.05%，钪：0.4%，贫铀：0.1%， NaF和NaCl的混合物：1.5%，不可避免的杂质0.09%，其中，NaF和NaCl的重量比为2:2.5。
其制备方法同实施例1。
实施例3
一种防腐蚀防垢钛铜合金材料，包含如下质量百分含量的组分：钛：27.64%，铜：24.21%，锌:23.56%，镍：13.83%，锡：2.06%，碲：3.04%，铝：2.89%，铟：0.78%，铌：0.49%，硅：0.01%，钪：0.01%， NaF和NaCl的混合物：0.5%，贫铀：1%，不可避免的杂质 0.01%，其中，NaF和NaCl的重量比为2:5。
其制备方法同实施例1。
实施例4：
一种防腐蚀防垢钛铜合金材料，包含如下质量百分含量的组分：钛：39.84%，铜：23.60%，锌:17.45%，镍：10.14%，锡：3.81%，碲：2.36%，铝：0.01%，铟：0.8%，铌：0.50%，硅：0.30%，钪：0.5%，贫铀：0.1%，NaF和NaCl的混合物：0.56%，不可避免的杂质0.03%，其中，NaF和NaCl的重量比为2:4。
其制备方法同实施例1。
对比例1（不含有贫铀、NaF和NaCl的混合物）
一种防腐蚀防垢钛铜合金材料，包含如下质量百分含量的组分：钛 34.87%，铜28.37%，锌 20.16%，镍 11.05%，锡 2.20%，碲 1.25%，铝 0.76%，铟 0.5%，铌 0.43%，硅0.20%，钪 0.15%，不可避免的杂质 0.06%。
制备方法同实施例1。
对比例2（不含NaF和NaCl的混合物）
一种防腐蚀防垢钛铜合金材料，包含如下质量百分含量的组分：钛 34.12%，铜28.37%，锌 20.16%，镍 11.05%，锡 2.20%，碲 1.25%，铝 0.76%，铟 0.5%，铌 0.43%，硅0.20%，钪 0.15%，贫铀 0.75%，不可避免的杂质 0.06%。
制备方法同实施例1。
对比例3（不含贫铀）
一种防腐蚀防垢钛铜合金材料，包含如下质量百分含量的组分：钛 34.12%，铜28.37%，锌 20.16%，镍 11.05%，锡 2.20%，碲 1.25%，铝 0.76%，铟 0.5%，铌 0.43%，硅0.20%，钪 0.15%，NaF和NaCl的混合物0.75%，不可避免的杂质 0.06%，其中，NaF和NaCl的重量比为2:3。
对比例4
CN 105779814A的实施例提供的防垢防腐蚀材料。
一. 合金材料的防腐蚀性能检测。
在实验室配制油田采出水，将合金材料置于装有油田采出水的广口瓶中，油田采出水中各离子浓度见表1。
表1 油气田产出水离子浓度
1. 将实施例和对比例的合金材料放置在油田采出水中，通过测试不同温度下合金材料的腐蚀速率，来反应合金材料的耐腐蚀性能，结果见表2。
实验条件：时间为48小时。
表2 合金材料的腐蚀性能检测
由表2可知，本发明制备的合金材料具有良好的耐腐蚀性能，在70℃时，其动态腐蚀速率仅有2.4101 g/(m2·h)。
2. 将实施例和对比例的合金材料放置在油田采出水中，通过测试N80钢在放置合金材料的油田采出水和不放置合金材料的油田采出水中的腐蚀速率，来反应合金材料对油田采出水的腐蚀性的影响，以测试N80钢在不放置任何合金材料的油田采出水中的腐蚀速率作为对比，结果见表3。
实验条件：时间为48小时。
表3 N80钢的腐蚀性能检测
由表3可知，在不放置合金材料时，油田采出水对N80钢的腐蚀较为严重。而放置本发明实施例1-4制备的合金材料之后，油田采出水的腐蚀性能明显减小，尤其是实施例1提供的合金材料，在30℃时，N80钢的静态腐蚀速率从2.8697 g/(m2·h)降低至0.0293 g/(m2·h)。可见，本发明提供的合金材料，不仅自身具备良好的耐腐蚀性能，放置在油田采出水中，还可以改善水的腐蚀性。
二. 合金材料的防垢性能检测
本发明合金材料防垢性能测试：实验室模拟配置了油田的采出水，用静态浸泡法来研究放置合金材料前后油田采出水溶液中剩余钙离子浓度来分析本发明提供的合金材料的防垢效果，模拟水中钙离子浓度为76mmol/L（3.0579g/L），结果见表4。
实验条件：时间为48小时。
表4 放置合金材料前后采出水中钙离子浓度的变化
由表4可知，未放置合金材料时，本发明的油田采出水放置48h后，结垢严重，在30℃时钙离子浓度为30.19mmol/L，在70℃时只有13.97mmol/L。但是，放置本发明提供的合金材料后，采出水中剩余钙离子的浓度变化较小，说明钙离子没有结合生成钙盐垢，本发明提供的合金材料防垢效果好。而对比例中，剩余钙离子的浓度变化较大，明显降低，说明结垢情况严重。

Claims (4)

1.一种防腐蚀防垢钛铜合金材料，其特征在于：包含如下质量百分含量的组分：
钛 25~40%，铜 20~30%，锌 10~25%，镍 10~15%，锡 2~5%，碲 1~5%，铝0.01~3%，铟 0.01~0.8%，铌 0.3~0.5%，硅 0.01~0.3%，钪 0.01~0.5%，贫铀 0.1~1%，NaF和NaCl的混合物 0.5~1.5%，不可避免的杂质小于0.1%。
2.根据权利要求1所述的防腐蚀防垢钛铜合金材料，其特征在于：包含如下质量百分含量的组分：钛 34.12%，铜 27.28%，锌 20.16%，镍 11.05%，锡 2.20%，碲 1.25%，铝 0.76%，铟 0.5%，铌 0.43%，硅 0.20%，钪 0.15%，贫铀 0.75%，NaF和NaCl的混合物 1.09%，不可避免的杂质 0.06%。
3.根据权利要求1或2所述的防腐蚀防垢钛铜合金材料，其特征在于：NaF和NaCl的重量比为2：（2.5-5）。
4.根据权利要求3所述的防腐蚀防垢钛铜合金材料，其特征在于：NaF和NaCl的重量比为2：3。
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