鈦合金具有低密度、高強(qiáng)度和耐腐蝕等性能，被廣泛應(yīng)用于大型民航客機(jī)、軍用飛機(jī)、航天火箭、導(dǎo)彈、艦船、裝甲火炮、電力、化工、汽車等領(lǐng)域，典型產(chǎn)品有飛機(jī)結(jié)構(gòu)件、鈦制動機(jī)件、壓氣機(jī)葉片和基座、水翼、螺旋槳及軸、支架、浮球、魚雷發(fā)射裝置、高壓氣瓶和全鈦冷凝器等。在油氣開采領(lǐng)域，鈦合金首先被成功應(yīng)用于海上，如鉆井立管和鉆桿，海洋平臺上的熱交換器、泵、閥門及其他輔助裝置等，目的是減小質(zhì)量、降低成本和避免破壞 。對于陸上油氣開采工業(yè)，隨著油氣井的開采環(huán)境愈加惡劣，未來的石油專用管材應(yīng)具有更高強(qiáng)度、耐高壓高溫、高抗腐蝕等性能；因此，國內(nèi)外目前正在考慮以鈦合金材料替代鎳基合金用于高溫高壓井的井下管柱。

    1 鈦合金油井管的特點

    鈦合金油井管具有以下特點：①強(qiáng)度高，屈服強(qiáng)度在 758 MPa （110 kpsi ） 以上；②質(zhì)量輕，同規(guī)格管材的質(zhì)量約是鎳基合金管的 60%，產(chǎn)生 60%的軸向負(fù)荷；③耐腐蝕、無鐵污染，抗腐蝕性能優(yōu)異，耐 H ₂ S、CO ₂ 腐蝕性能優(yōu)于鎳基合金 （如 G3、C276 等 ），且耐磨損腐蝕；④抗疲勞強(qiáng)度高，與鋼管相比具有更優(yōu)異的抗疲勞特性；⑤各向同性，管材橫向與縱向的機(jī)械性能較一致；⑥無磁性，便于井下使用；⑦熱膨脹系數(shù)是鎳基合金管的 2/3；⑧生產(chǎn)的鈦合金油井管的長度達(dá) 12 m、規(guī)格可達(dá)Ф340 mm 以上；⑨其他性能優(yōu)異 （斷裂韌性高、低溫性能良好、楊氏模量約為鎳基合金管的 1/2 ）。

    總之，由于鈦合金密度 （4.5 g/cm ³ ） 較低，鈦合金油井管每米質(zhì)量相當(dāng)于同規(guī)格鎳基合金管的60%，因此其在應(yīng)用成本方面有優(yōu)勢。

    2鈦合金油井管的應(yīng)用評價

    美國雪佛龍公司對 Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo 在深層含酸氣氣井中的使用進(jìn)行了全面的評估，包括耐腐蝕性能、機(jī)械性能和螺紋連接性能，以確認(rèn) Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo 在高溫高壓氣井中的井下適用性。測試的材料為 Ф114 mm （4.5 in ） 鈦合金油井管短節(jié)，其最小屈服強(qiáng)度達(dá)到 930 MPa （135 kpsi ）。

    文獻(xiàn)也特別指出：不能將破壞性試驗值用于鈦合金油井管，因為這些值通常用于計算碳鋼的楊氏模量，但不適用于鈦合金。

    寶鈦集團(tuán)有限公司對 Ti-6Al-4V 進(jìn)行改型，批量生產(chǎn)了 Φ90~120 mm 擠壓管材，并對其屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、伸長率、沖擊功進(jìn)行測試，結(jié)果見下表。

寶鈦集團(tuán)有限公司研發(fā)的 Ti-6Al-4V鈦合金擠壓管材的力學(xué)性能

    測試結(jié)果表明：該 Φ90~120 mm 鈦合金擠壓管材能夠滿足 API Spec 5CT—2011 （第 9 版） 《套管和油管規(guī)范》 對 110 鋼級的性能要求。中石化四川元壩氣田是迄今世界上埋藏最深的酸性氣田之一，埋藏深度達(dá)到 6 800 m，H 2 S 平均含量為 5.77%，地層溫度達(dá)到 158 ℃，開采時需考慮硫元素的影響，管材的服役條件非常惡劣。開采前期采用鎳基合金油井管，其單井費(fèi)用達(dá)到 2 600萬元人民幣。為了在有效防腐的基礎(chǔ)上，盡可能地降低成本，需要找到一種更加經(jīng)濟(jì)實用的材料來替代鎳基合金。中石化聯(lián)合天津鋼管集團(tuán)有限公司，在 Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo 的基礎(chǔ)上調(diào)整化學(xué)成分含量，獲得了一種新的 α+β 型鈦合金；開發(fā)出 110鋼級、Φ88.9 mm×7.34 mm 鈦合金油井管，并針對該油井管開展了抗腐蝕性能、機(jī)械性能、整管性能等評價試驗。

    根據(jù)四川元壩氣田長興組氣藏開采條件，需考慮鈦合金油井管以下幾方面的腐蝕問題：①采輸過程中的腐蝕速率；②SSCC （四點彎曲和 A 法試驗 ）；③酸化過程中，殘酸返排對管柱的電化學(xué)腐蝕；④鈦合金油井管和鎳基合金井下工具連接處的電偶腐蝕；⑤鈦合金油井管發(fā)生彎曲并貼合 110SS 材質(zhì)高抗硫套管時，鈦合金油井管與套管的電偶腐蝕。

    評價結(jié)果表明：開發(fā)的鈦合金油井管在各種模擬工況條件下的腐蝕速率均較低 （模擬生產(chǎn)環(huán)境中的平均腐蝕速率為 0.003 6 mm/a ），抗 SSCC 性能良好；與鎳基合金油井管相比，鈦合金油井管的抗腐蝕性能與其接近，甚至更優(yōu)。

    評價 Φ88.9 mm×7.34 mm 鈦合金油井管的機(jī)械性能時，主要分析其屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、伸長率、沖擊功和硬度。目前還沒有關(guān)于鈦合金油井管的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，因此評價的指標(biāo)均參照 API Spec5CT—2011 標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于碳鋼機(jī)械性能指標(biāo)的有關(guān)規(guī)定。評價結(jié)果表明：Φ88.9 mm×7.34 mm 鈦合金油井管的機(jī)械性能達(dá)到 API Spec 5CT—2011 標(biāo)準(zhǔn)對110 鋼級碳鋼管體和接箍的要求。

    在對 Φ88.9 mm×7.34 mm 鈦合金油井管進(jìn)行整管性能評價時發(fā)現(xiàn)，該油井管通過了第三方監(jiān)制下的 ISO 13679 ∶ 2002 《石油和天然氣工業(yè) 管道連接試驗程序》 Ⅱ級 B 系和 C 系試驗，以及螺紋連接強(qiáng)度、帶接頭抗擠毀性能及管體爆破性能試驗。評價結(jié)果表明：該鈦合金油井管的抗拉伸、抗內(nèi)壓和抗外擠性能均超過 API Spec 5CT—2011 標(biāo)準(zhǔn)對 110鋼級的要求；在內(nèi)壓、軸向拉伸、壓縮、彎曲及溫度變化條件下，常溫加載 85%等效應(yīng)力、高溫加載 80%等效應(yīng)力循環(huán)載荷時，螺紋連接接頭密封性能優(yōu)異，均未出現(xiàn)泄漏失效現(xiàn)象。

    3結(jié) 論

    （ 1 ） 模擬氣田采出環(huán)境 （高含 H 2 S-CO 2 、S，高濃度的氯化物地層水 ）、以及模擬氣田酸化等環(huán)境中的腐蝕評價試驗表明：鈦合金油井管的腐蝕速率較低，具有很強(qiáng)的耐腐蝕性。

    （ 2 ） 鈦合金抗應(yīng)力腐蝕開裂的試驗結(jié)果因測試方法的不同而不同。采用動態(tài)的、局部應(yīng)力塑性應(yīng)變或高應(yīng)力集中 （即預(yù)裂） 等測試方法 （如 SSR 和雙懸臂梁斷裂試驗 ） 評價 Ti-3Al-8V-6Cr-4Mo-4Zr，在 218 ℃發(fā)生 SSCC；而采用靜態(tài)加載 （如 C 環(huán)測試 ），即使屈服強(qiáng)度達(dá)到 1 054 MPa 也未發(fā)生SSCC。

    （ 3 ） 機(jī)械性能 （如沖擊功 ）、螺紋連接是研發(fā)鈦合金油井管的兩個關(guān)鍵所在。而目前部分鈦合金油井管的機(jī)械性能及整管性能，已滿足 API Spec5CT—2011 標(biāo)準(zhǔn)對 110 鋼級的要求。

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