引言
深部和超深油气开采使金属部件面临日益严苛的服役环境。这些环境通常涉及高温、高压、H2S、CO2、含氯盐水和机械载荷。在这种条件下，碳钢和低合金钢可能遭受严重的整体腐蚀和局部腐蚀，导致结构完整性过早退化。因此，钛材料因其优异的耐腐蚀性，在酸性油气应用中引起了越来越多的关注。其耐腐蚀性主要源于表面形成的致密 TiO2 基钝化膜。该钝化膜具有高的化学稳定性，并在局部损伤后能迅速重新钝化 [1], [2], [3], [4], [5], [6], [7], [8], [9], [10], [11], [12], [13]。
然而，优异的整体抗腐蚀性并不意味着消除了局部腐蚀的风险。钛部件可能保持宏观外观完整，同时钝化膜下方或内部发展出孤立的点蚀或局部缺陷。这种现象对于薄壁连续油管尤为重要，因为即使是有限数量的深层局部缺陷也可能导致显著的局部管壁减薄并危及结构可靠性。因此，理解从整体钝化稳定性到局部渗透的转变，对于评估钛部件在酸性环境中的长期服役安全性至关重要。
钛钝化膜的稳定性受多种环境和材料因素控制，包括溶液酸度、卤化物离子、温度、压力、微观结构异质性、表面状态和施加应力 [14], [15], [16], [17], [18], [19], [20]。氯离子可优先吸附在缺陷区域并抑制钝化膜修复，从而促进局部膜失稳。同时，含硫物质可能会改变钛表面的界面电化学反。先前的原子尺度研究表明，Cl?、HS?、S2?、HCO3? 和 CO32? 物种会影响 TiO2 表面的吸附行为、电荷转移过程和化学键合特征 [21], [22], [23], [24]。这些相互作用可能会降低钝化膜的局部稳定性并促进局部膜破裂。
先前研究已报道了钛及钛合金在含硫环境中的局部腐蚀。在表面沉积物下方和缝隙区域也观察到局部退化，在这些区域，受限的传质导致局部化学环境与本体溶液相比具有显著差异。在这种受限区域中，局部酸化、离子重新分配和腐蚀产物积累可能会进一步导致钝化膜失稳。然而，大多数先前的研究集中于整体腐蚀行为、腐蚀产物或单个环境因素。在高温、高压、酸性气体、含氯盐水和机械载荷的联合作用下，点蚀口、点蚀内部、点蚀底部和周围表面区域之间的空间异质性仍未得到充分理解。
机械载荷可能进一步增强局部腐蚀的空间异质性。应力集中会在表面缺陷和预先存在的点蚀周围发展，改变局部变形行为和界面电化学过程。钛材料可能通过多种机制经历环境辅助局部损伤，包括阳极溶解、局部塑性变形、氢相关效应和氧相关效应 [25], [26], [27], [28], [29], [30], [31], [32], [33], [34]。这些机制的贡献在很大程度上取决于材料状态和暴露环境。因此，应通过考虑裂纹状表面特征或局部缺陷的形貌、化学成分、力学状态和空间分布来进行评估，而不应仅依赖宏观观察。
在本研究中，在高温、高压 H2S/CO2/含氯盐水环境中，对 TA4 连续油管材料进行了 C 环载荷测试。三个独立的 C 环试样在相同条件下进行了测试，以评估局部损伤行为的可重复性。结合了宏观观察、扫描电子显微镜 (SEM)、能量色散谱 (EDS) 和三维表面表征，以研究不同表面区域的局部退化。特别关注了凸起的产物覆盖点蚀口区域与点蚀内部或点蚀底部区域之间的差异。进行了基准极化测量和活度校正的热力学计算，以支持对局部电化学过程的理解。此外，开发了一个比较有限元模型，以分析预先存在的点蚀周围弹性应力和预测电化学场的重新分配。
本研究旨在阐明 TA4 连续油管在高温、高压、酸性盐水和机械载荷耦合作用下的空间异质局部腐蚀行为。特别关注了相对完整的宏观表面状态与孤立的深层局部缺陷的共存。系统地表征了点蚀口、点蚀内部和周围表面区域之间的形貌和化学成分差异。还评估了预先存在的点蚀对局部应力重新分配和预测电化学场演化的影响。通过整合多尺度表征、电化学测量、热力学计算和比较有限元模拟，本工作揭示了宏观表面完整性与局部渗透行为之间的差异。研究结果为识别和评估可能被传统宏观观察或平均表面参数低估的局部缺陷提供了新的见解 图 1。
