鈦(Ti)是20世紀(jì)50年代發(fā)展起來(lái)的一種重要的結(jié)構(gòu)金屬，由于鈦具有強(qiáng)度高，密度小、超強(qiáng)耐腐蝕性，對(duì)人體無(wú)毒，耐熱性高等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于航空、航天、船舶、化學(xué)化工、醫(yī)療、海洋工程和石油石化等各個(gè)領(lǐng)域，被譽(yù)為“太空”金屬、“海洋”金屬和第四代金屬。鈦和鋁一樣，可以與其他一些金屬元素形成合金，提高和改善它的力學(xué)性能與物理特性，以適應(yīng)不同的需要。
通常，人們會(huì)認(rèn)為鈦屬于“稀有元素”，其實(shí)不然。鈦在地殼中的豐度為0.61％，在所有按元素中居第9位，而在可作為結(jié)構(gòu)材料的金屬中居第4位，僅次于A(yíng)l、Fe、Mg，其儲(chǔ)量比常見(jiàn)金屬cu，Pb，zn儲(chǔ)量的總和還多圈。全球有三十多個(gè)國(guó)家擁有鈦資源，我國(guó)鈦資源非常豐富，鈦資源儲(chǔ)備約兩億噸，占到全球總儲(chǔ)量的28.9％，鈦礦儲(chǔ)量位居世界第一。
隨著國(guó)內(nèi)外油氣資源需求的逐漸增長(zhǎng)，促使石油天然氣勘探開(kāi)發(fā)不斷深入，所遇環(huán)境和地層條件也越來(lái)越復(fù)雜。如超過(guò)7000m的深井越來(lái)越常見(jiàn)；海洋鉆井已不滿(mǎn)足于灘海和淺海，逐漸向深水進(jìn)軍；陸地上，以往難以開(kāi)采的三高(高溫、高壓、高腐蝕)氣井，也開(kāi)始攻克。與此同時(shí)，鉆完井工具、井口設(shè)備、輸油管線(xiàn)等將面臨多種問(wèn)題朗。鈦及鈦合金由于多種的優(yōu)良特性，已經(jīng)成為油氣勘探開(kāi)發(fā)中必不可少的新材料。國(guó)內(nèi)外石油行業(yè)已制定多項(xiàng)鈦合金相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，如ASTM B337無(wú)縫及焊接鈦合金管標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，SY/T 6896.3《石油天然氣工業(yè)特種管材技術(shù)規(guī)范第3部分：鈦合金油管》等。
1、鈦合金材料特性
1.1 密度低、比強(qiáng)度高
鈦的密度為4.506g/cm3~4.516g/cm3(20℃)，比鋁密度2.70g/cm3高，低于常用鐵、銅、鎳。幾種常用的海洋船舶用金屬材料的比強(qiáng)度(見(jiàn)表1)。在常規(guī)溫度范圍內(nèi)(一253℃～600℃)，鈦合金的比強(qiáng)度(抗拉強(qiáng)度／密度)在所有金屬材料中最高。
比強(qiáng)度高的優(yōu)勢(shì)在于：(1)可使設(shè)備設(shè)計(jì)更加緊湊，大幅減小結(jié)構(gòu)質(zhì)量；(2)大幅提高設(shè)備的技術(shù)水平，提升功能；(3)提高裝備的安全性。
1.2 優(yōu)異的耐腐蝕性能
鈦是一種活性較高的金屬，而鈦及鈦合金卻具有良好的耐腐蝕性能，這是由于鈦表面形成致密而穩(wěn)定的氧化鈦膜。幾種金屬材料在流動(dòng)海水中腐蝕速率的比較(見(jiàn)表2)，由表2可以看到鈦在海水中幾乎不會(huì)發(fā)生腐蝕問(wèn)，在更為惡劣的高含硫環(huán)境下，鈦合金的腐蝕速率也是極低的。
良好的耐腐蝕性能使得鈦合金在各種腐蝕條件下游刃有余，可與整體結(jié)構(gòu)同壽命設(shè)計(jì)，減少維護(hù)成本，提高服役能力；減少腐蝕富裕量設(shè)計(jì)，大幅減小設(shè)備結(jié)構(gòu)質(zhì)量；無(wú)需涂層保護(hù)，簡(jiǎn)化設(shè)備制造工藝，降低制造成本。
1.3 抗疲勞、耐沖擊
鈦具有優(yōu)異的抗沖擊性能，在-60℃~20℃范圍內(nèi)，抗沖擊系數(shù)達(dá)0.63以上，無(wú)明顯的脆性轉(zhuǎn)變點(diǎn)，是鎳基合金的2.5倍以上，是B30的4倍以上；斷裂韌性較高，斷裂韌性在80 MPa·m1/2~110 MPa·m1/2 ，從比韌度(KJRp ) 與(R以 )的關(guān)系曲線(xiàn)可以看出，鈦的斷裂韌性最高，鋼次之，鋁合金最差；疲勞強(qiáng)度高，對(duì)于大型焊接結(jié)構(gòu)和殼體，產(chǎn)生高應(yīng)力低周數(shù)破壞時(shí)的應(yīng)力循環(huán)周數(shù)一般不超過(guò)105周，而鈦材均在107周以上。
2、鈦合金在石油行業(yè)中的應(yīng)用
2.1 鈦合金鉆桿
近年來(lái)，為提高原油采收率，降低油氣田開(kāi)采成本，延長(zhǎng)油氣田開(kāi)發(fā)壽命，復(fù)雜結(jié)構(gòu)井越來(lái)越多，如大位移井、短半徑水平井、老井開(kāi)窗側(cè)鉆水平井。常規(guī)鉆桿在這些復(fù)雜結(jié)構(gòu)井應(yīng)用時(shí)遇到了一些難以解決的問(wèn)題。如在超短半徑水平井中，井眼曲率很小(<18 m)，這使得常規(guī)鉆桿產(chǎn)生很大的交變應(yīng)力。交變應(yīng)力引起鉆桿疲勞斷裂的情況時(shí)有發(fā)生，給油田帶來(lái)重大的損失。為解決這些問(wèn)題，國(guó)外開(kāi)始從新材料上著手，研制鈦合金鉆桿、鋁合金鉆桿、復(fù)合鉆桿等代替常規(guī)鉆桿。
實(shí)驗(yàn)室證實(shí)，當(dāng)周期應(yīng)力處于30 000 psi~40 000 psi時(shí)，鈦的疲勞壽命是普通鋼材的10倍，鈦合金管材的彈性系數(shù)約為16.5 msi，彈性比鋼制鉆桿要好，更適于高曲率井段(見(jiàn)表3)。目前已經(jīng)生產(chǎn)出經(jīng)濟(jì)性較好的鈦合金鉆桿，由材料為T(mén)i一6AI一4V的管體經(jīng)兩端鐓粗后、在兩端對(duì)焊工具接頭組成，管體尺寸滿(mǎn)足API標(biāo)準(zhǔn)、長(zhǎng)度范圍為API標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的范圍2或3。為降低制造成本，工具接頭采用鋼制，接頭螺紋經(jīng)過(guò)上卸扣磨合，接頭外徑敷焊耐磨帶(避免接頭磨損后用普通焊條補(bǔ)焊)。
國(guó)外某油田在小曲率井中應(yīng)用鈦合金鉆桿次數(shù)已達(dá)數(shù)百口(見(jiàn)表4)。
鈦合金鉆桿在超深井、大位移井中也有應(yīng)用。由于鈦合金密度低，可降低大鉤載荷30％，降低扭矩30％～ 40％，顯著提高鉆具的拉力余量與安全系數(shù)，提高處理事故復(fù)雜能力。
2.2 鈦合金油套管
我國(guó)的天然氣資源中大部分都是含硫氣田，如新疆塔里木、四川盆地都屬于高含硫油氣田。高腐蝕性油氣田的開(kāi)發(fā)已成為石油天然氣工業(yè)面臨的重大難題。國(guó)內(nèi)外對(duì)高含H2S2、C2O2 油氣田的管材防腐問(wèn)題展了多年的研究，防腐措施大致有三類(lèi)：加緩蝕劑、防腐涂層、耐腐蝕管材。前兩者在一定程度上可以起到防腐作用，但解決不了高溫高壓條件下長(zhǎng)期服役的防腐。因此，選取優(yōu)質(zhì)的耐腐蝕材料作管材已成為主導(dǎo)趨勢(shì)。
耐腐蝕金屬管材主要有兩大類(lèi)：鎳基合金和鈦合金。目前鎳基合金使用較為廣泛，但鎳基合金管材也存在如加工工藝復(fù)雜、材料成本高、管材表面易損傷等缺陷。而且我國(guó)是紅土鎳礦資源較為缺乏的國(guó)家之一，全國(guó)紅土鎳礦保有量?jī)H占全部鎳礦資源的9.6％，且國(guó)內(nèi)紅土鎳礦品位較低，開(kāi)采成本比較高，這就意味著我國(guó)在紅土鎳礦方面并沒(méi)有競(jìng)爭(zhēng)力。因此，從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)講依賴(lài)鎳基合金不利于油氣戰(zhàn)略發(fā)展。我國(guó)鈦資源豐富，鈦鐵礦儲(chǔ)量達(dá)2億噸，占全球儲(chǔ)量28％，排名全球第一。
鈦合金以其優(yōu)異的抗點(diǎn)蝕性能，近年來(lái)開(kāi)始逐漸應(yīng)用于高含硫環(huán)境中。特別是工況條件比較惡劣，CL和H2S含量很高，一般的不銹鋼，甚至是鎳基合金都會(huì)發(fā)生腐蝕的情況下。
通過(guò)多年的研制，目前已經(jīng)形成與普通鋼材對(duì)應(yīng)的油套管用鈦合金材料(見(jiàn)表5)。鈦合金油管力學(xué)性能與鎳基合金油管力學(xué)性能相當(dāng)，接頭強(qiáng)度達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)IS010400對(duì)P110鋼級(jí)的要求。
忠世高新材料股份有限公司研制的鈦合金油管，通過(guò)了API RP 5C5規(guī)定的上卸扣試驗(yàn)，并進(jìn)行了爆破試驗(yàn)，打壓173MPa發(fā)生爆破，爆破形貌為縱向開(kāi)裂， 符合使用要求（見(jiàn)圖1 ) 。
2.3 鈦合金輸送管線(xiàn)
由于鈦合金管易于彎曲，并具 有極高的抗海浪沖擊和平臺(tái)移動(dòng)造成的動(dòng)態(tài)應(yīng)力腐蝕疲勞強(qiáng)度，鈦合金管抗應(yīng)力腐蝕疲勞強(qiáng)度比現(xiàn)用碳鋼高10倍以上，同時(shí)鋪設(shè)海管時(shí)鈦合金管適應(yīng)鋪設(shè)過(guò)程中的彎曲變形工況。鈦合金輸送管線(xiàn)焊接性能良好，單面焊接雙面成型技術(shù)保證焊縫均勻可靠（見(jiàn)圖2 ) , 并目鈦合金輸送管線(xiàn)機(jī)械性能優(yōu)異 ，通過(guò)管體拉伸力學(xué)性能測(cè)試、示波沖擊試驗(yàn)、管體壓扁試驗(yàn)、斷裂韌度KIC測(cè)試。
2.4 海洋鉆井平臺(tái)零件、隔水管
海洋鉆井平臺(tái)要求高于陸地鉆井平臺(tái)，早在20世紀(jì)90年代，國(guó)外就已經(jīng)將鈦合金運(yùn)用到海洋鉆井平臺(tái)的各個(gè)方面。北海油田挪威分部的海德威油田半潛式浮動(dòng)鉆井平臺(tái)巳使用鈦合金作為隔水管，降低整個(gè)系統(tǒng)質(zhì)量達(dá)50% , 從而將隔水管提升力降低了63%, 省去了巨大的柔性接頭，系統(tǒng)成本降低了40%, 預(yù)計(jì)服務(wù)年限可達(dá)25年之久（見(jiàn)圖3 )。
除此之外，海洋鉆井平臺(tái)上冷卻系統(tǒng)中的熱交換器使用了鈦制管狀冷卻裝置；各種類(lèi)型的泵（如深井泵、離心泵）均采用了鑄鈦泵體和鈦合金葉輪；各種閥門(mén)及其他管件配件也采用了鈦制品，減少了維護(hù)工作量（見(jiàn)圖 4 )。
3、結(jié)論
(1)鈦及鈦合金由于密度低、比強(qiáng)度高、抗疲勞、耐腐蝕等特性，在石油天然氣勘探斤發(fā)中的應(yīng)用前景廣闊，日前內(nèi)外已經(jīng)研制出鈦合金鉆桿、油管、套管、接箍、輸送管、連續(xù)油管、閥門(mén)、泵等多種鈦制產(chǎn)品。
(2)在極度苛刻的腐蝕性環(huán)境下，鈦合金產(chǎn)品依然能滿(mǎn)足防腐需求，同樣長(zhǎng)度、直徑、厚度和強(qiáng)度的鈦合金管材成本要低于G3鎳基合金，因此有取代鎳基合金管材趨勢(shì)。
(3)鈦合金產(chǎn)品的加入，減輕了系統(tǒng)整體質(zhì)量，設(shè)備更加町靠，使得海洋鉆井平臺(tái)可以進(jìn)入更深的水域，延長(zhǎng)平臺(tái)服役年限。
參考文獻(xiàn)：
【1】胡清熊．鈦的應(yīng)用及前景展望[J]．鈦工業(yè)進(jìn)展，2003，20(4—5)：11—15．
【2】盂慶蘭，關(guān)淑敏，李中，等．世界航空鈦市場(chǎng)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)『J]．鈦工業(yè)進(jìn)展，201 1，28(2)：1—3．
【3】李梁，孫健科，孟祥軍．鈦合金的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展前景『J]．鈦工業(yè)進(jìn)展，2004，2l(5)：19-24．
【4】廖謨圣，楊木靈．世界石油設(shè)備發(fā)展的新特點(diǎn)及機(jī)遇與挑戰(zhàn)[J ．石油礦場(chǎng)機(jī)械，2007，36(9)：1—6．
【5】陳振華．鈦與鈦合金 M]．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006：258-260．
【6】楊英麗，羅媛媛，趙恒章，等．我國(guó)艦船用鈦合金研究應(yīng)用現(xiàn)狀[J]．稀有金屬材料與工程，201 1，40(2)：538—544．
【7】山川．鈦合金的應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂與腐蝕電化學(xué)研究[D]．青島：中國(guó)海洋大學(xué)，2013．
【8】張睿，張慧霞，賈瑞靈等．鈦及其合金的腐蝕[J]．材料開(kāi)發(fā)與應(yīng)用，2013，28(4)：100—107．
【9】謝群良，汪建林．工藝對(duì)Ti-3A1-2.5V鈦合金無(wú)縫管的表面和性能的影響EJ]．上海鋼研，2002，(2)：9-14．
【10】袁文義，張泉海．國(guó)外鈦合金鉆桿的研究進(jìn)展EJ]．新疆石油科技，2006，16(3)：13—16．
【11】胡辛禾．鈦合金鉆桿一短半徑水平鉆井最佳選擇[J]．石油機(jī)械，2000，28(6)：61—63．
相關(guān)鏈接
