鈦合金是以鈦為基體，加入其他元素組成的合金，鈦合金管的性能與所含碳、氮、氫、氧等雜質(zhì)含量有關(guān)，其特點(diǎn)是比強(qiáng)度高、熱強(qiáng)度高、抗蝕性好、低溫性能好、化學(xué)活性大、導(dǎo)熱系數(shù)小、彈性模量小、無磁。
世界上許多國家都認(rèn)識到鈦合金材料的重要性，相繼對其進(jìn)行研究開發(fā)，并得到了實(shí)際應(yīng)用。目前鈦合金主要用于制作飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)部件，其次為火箭、導(dǎo)彈和高速飛機(jī)的結(jié)構(gòu)件。
一、鈦合金的性能
1、優(yōu)異的耐酸性氣體腐蝕性能
鈦合金具有優(yōu)異的抗硫化物應(yīng)力腐蝕性能，抗點(diǎn)腐蝕性能，對氫致開裂不敏感，可在含H2S、Cl-和CO2共存條件下服役。
1.1 氫致開裂(HIC)試驗(yàn)
依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)NACETM0284—2000，采用A溶液，試驗(yàn)后未發(fā)現(xiàn)表面氫鼓泡現(xiàn)象，證明鈦合金具有良好的氣致開裂性能。
1.2 抗硫化物應(yīng)力開裂(SSC)試驗(yàn)
依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)NACETM0177—2000A法A溶液進(jìn)行試驗(yàn)，在拉伸應(yīng)力80％σy、85％σy和90％σy載荷下720h實(shí)驗(yàn)后均未發(fā)生開裂現(xiàn)象。
1.3 點(diǎn)蝕腐試驗(yàn)
依據(jù)ASTM G48 試驗(yàn)方法對石油用鈦合金管進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果未發(fā)現(xiàn)點(diǎn)腐蝕現(xiàn)象。
1.4 高溫高壓含H2S／CO2試驗(yàn)
試驗(yàn)總壓：25MPa；溫度：60℃；試驗(yàn)時(shí)間：720h；H2S分壓：2.0MPa；CO2分壓：3.5MPa。
試樣腐蝕前后質(zhì)量沒有發(fā)生變化，試樣表面也沒有發(fā)現(xiàn)腐蝕或點(diǎn)蝕現(xiàn)象，具有優(yōu)異的耐H2S/CO2腐蝕性能。
2、優(yōu)異的海水耐蝕性能
幾種海洋工程用金屬材料在流動(dòng)海水中腐蝕速率的比較如表1。
從表1可以看出，鈦合金在海水中沒有腐蝕，而與之對比的不銹鋼達(dá)到每年腐蝕0.029~0.07mm之間。
3、極高的比強(qiáng)度
幾種艦船用金屬材料的屈強(qiáng)比和比強(qiáng)度的對比如表2。
從表2中可以看出，鈦合金具有強(qiáng)度高、變形能力強(qiáng)的特點(diǎn)，特別是其密度低，考慮構(gòu)件本身重量因素優(yōu)勢更顯著。
4、焊接性能好
鈦及鈦合金的焊接性能非常優(yōu)越，焊接方式通常采用等離子或鎢極氬弧焊，焊接過程應(yīng)在惰性氣體保護(hù)下或真空狀態(tài)下進(jìn)行，這較容易做到，而鈦合金焊縫拉伸強(qiáng)度可達(dá)到管體強(qiáng)度的90％以上。
二、鈦合金在石油工業(yè)應(yīng)用前景
鈦合金在石油中應(yīng)用范圍非常廣泛，就目前的經(jīng)濟(jì)可替代性而言主要有以下方面。
1、鈦合金鉆桿
目前國內(nèi)已生產(chǎn)出P110鋼級的鈦合金鉆桿，與常規(guī)普通鋼S135鉆桿相比，其優(yōu)勢有：
1.1 可以使大位移井與水平井位移延伸更遠(yuǎn)鈦合金密度僅4.5g/cm3。同樣壁厚與長度的鉆桿在常規(guī)密度為1.25g/cm3。的水平段鉆井液中其浮重僅為鋼質(zhì)鉆桿的49％。這種情況下，摩阻力也僅為普通鉆桿的50％左右，而管柱的摩阻扭矩問題是大位移井技術(shù)的核心問題之一，它決定水平位移的最大延伸，因此鈦合金鉆桿可以更有利于大位移 井與三維叢式水平井。在國內(nèi)目前工廠化鉆井越來越多情況下，鈦合金鉆桿使用范圍更大。
1.2 減少地面設(shè)備負(fù)荷
鈦合金鉆桿由于重量輕，導(dǎo)致扭矩減少近50％，有效減少了地面頂驅(qū)(轉(zhuǎn)盤)負(fù)荷，使這種損壞發(fā)生幾率大大降低，而負(fù)荷減少還會(huì)帶來柴油消耗的減少。
1.3 減少接頭的水力損失
鈦合金鉆桿重量輕，扭矩低，加工的鉆桿接頭可以不必如鋼鉆桿同樣的強(qiáng)化，通常水平井使用φ127mm S135鉆桿時(shí)，接頭內(nèi)徑就由G105鉆桿的φ82.55mm減少到φ69.85mm，鈦合金鉆桿由于所受扭矩的減少，80鋼級的鉆桿可以在同樣位移時(shí)達(dá)到S135鋼級的強(qiáng)度效果(由于浮重減少51％，扭矩也會(huì)下降51％)。而X95鋼級的鉆桿接頭內(nèi)徑則達(dá)到φ88.9mm。接頭內(nèi)徑增大可以顯著降低循環(huán)壓耗。
鈦合金鉆桿與鋁合金鉆桿相比，優(yōu)勢也非常突出，鈦合金與鋼鉆桿接頭性能非常接近，因此可以使接頭與本體為同一材質(zhì)。而通常鋁合金鉆桿雖然也具有重量輕的特點(diǎn)，但由于鋁合金不耐磨損、強(qiáng)度較低，因此需要對接頭進(jìn)行強(qiáng)化，接頭通常采用鋼質(zhì)材料，這樣導(dǎo)致鉆桿重量降低有限。而且鋁合金強(qiáng)度與高強(qiáng)度鋼相比，還有一定差距，僅能達(dá)到鈦全套鉆桿的2/3左右。此外鋁合金鉆桿的材質(zhì)硬度較低，導(dǎo)致鉆桿與井壁碰撞時(shí)發(fā)生較嚴(yán)重的本體劃痕磨損，因此難以使用。而鈦合金鉆桿則由于本體硬度可以接近于鋼質(zhì)鉆桿，因此可以有效避免這一問題
鈦合金與常規(guī)鉆桿接頭材料性能對比如表3。
2、抗腐蝕油套管
對于同時(shí)含高濃度CO2與H2S的氣藏，普通的不銹鋼管和超級13Cr管材的耐腐性能已經(jīng)滿足不了如此苛刻的腐蝕環(huán)境，需要采用鎳基油管(套管)，這類套管價(jià)格高達(dá)30萬t以上，如果使用單位重量價(jià)格與之類似的鈦合金管代替，則可以達(dá)到相似的抗腐蝕性能。而由于鈦合金的密度低，使其與單位長度、強(qiáng)度相同的鎳基管相比價(jià)格更低。
鈦合金無縫管通過第三方試驗(yàn)檢測：
(1) 試驗(yàn)用鈦合金油管具有優(yōu)異的抗硫化氫應(yīng)力腐蝕性能、抗點(diǎn)腐蝕和抗全面腐蝕性能，對氫致開裂不敏感，在本實(shí)驗(yàn)高溫高壓條件下耐HS/CO腐蝕性能良好，具有和鎳基G3合金相當(dāng)?shù)哪透g性能。
(2)試驗(yàn)用鈦合金油管的力學(xué)性能均達(dá)到APISpec 5CT中對P110鋼級的力學(xué)性能要求，與P110鋼級的G3鎳合金油管力學(xué)性能相當(dāng)，接頭連接強(qiáng)度達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)ISO10400對Pll0鋼級的要求。
3、鈦合金連續(xù)管
采用鈦合金生產(chǎn)連續(xù)管則由于其重量輕，可以在同樣軸向力情況下，使井深增加近1倍(井筒工作液為清水)。此時(shí)連續(xù)管則適用于深井乃至超深井，鈦合金的良好的可焊接性能使這種應(yīng)用可以不受運(yùn)輸尺寸影響。
對于常規(guī)中深井來說，鈦合金連續(xù)管可以提高疲勞壽命，也有一定的意義，特別是對于高腐蝕環(huán)境更有效益。
4、鈦合金隔水管
海上鉆井中隔水管長期與海水接觸經(jīng)受海水與海洋生物腐蝕，使用鈦合金可以有效解決這類腐蝕問題，而且鈦合金密度低，重量輕的特點(diǎn)可以使海上平臺(tái)適應(yīng)鉆更深的水深。雖然深水隔水管可以采用浮力塊減少輕平臺(tái)負(fù)荷，但重量越大，浮力塊體積就相應(yīng)增大，這在如中國南海等洋流速度較快地區(qū)，則增大了隔水管的側(cè)向力，這又帶來隔水管強(qiáng)度與平臺(tái)拖拽力。在海上鉆井平臺(tái)級別每增加一級，日費(fèi)上漲以10萬元計(jì)，即使不考慮鈦合金沒有腐蝕、強(qiáng)度高等其它因素，僅平臺(tái)日費(fèi)節(jié)省就可以在2—3年收回鈦合金隔水管投資。
三、認(rèn)識與建議
(1)發(fā)展鈦合金在石油鉆井行業(yè)的應(yīng)用，不僅可以節(jié)省成本投入，更能提高應(yīng)對復(fù)雜條件的能力，特別是對于三維叢式水平井與大位移井、連續(xù)管作業(yè)等，鈦合金鉆桿更能提升作業(yè)能力，對于石油鉆井行業(yè)具有重要的意義。
(2)鈦合金鉆桿與連續(xù)管可盡快進(jìn)行試驗(yàn)性應(yīng)用，如先裝備一支隊(duì)伍，取得應(yīng)用效果后可規(guī)模推廣。
(3)鈦合金可以取代鎳基合金作為極端腐蝕環(huán)境下的油套管，可以減少這類井的成本投入。
參考文獻(xiàn)
[1]楊進(jìn)，曹式敬．深水石油鉆井技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J]．石油鉆采工藝，2008(2)：10—13．
[2]朱相榮．金屬材料長周期海水腐蝕規(guī)律研究[J]．中國腐蝕與防護(hù)學(xué)報(bào)，2005(3)：142—148．
[3]趙永慶，奚正平，曲恒磊．我國航空用鈦合金材料研究現(xiàn)狀[J]．航空材料學(xué)報(bào)，2003(s1)：215—219．
[4]周興友．大位移井關(guān)鍵技術(shù)研究進(jìn)展[J]．石油工業(yè)技術(shù)監(jiān)督，2003(8)：4—7．
[5]余榮華，袁鵬斌．鋁合金鉆桿的特點(diǎn)及應(yīng)用前景[J]．石油礦場機(jī)械，2011(3)：81—85．
[6]王小紅，郭俊，郭曉華，等．鋁合金鉆桿材料、特點(diǎn)及其磨損研究進(jìn)展[J]．材料導(dǎo)報(bào)：納米與新材料專輯，2014(1)：431—434．
[7]魏存祥，劉海軍，魏志，等．新型高強(qiáng)度鉆桿性能及應(yīng)用[J]．重慶科技學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2008(4)：33—34．
相關(guān)鏈接
