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钛合金管在海洋工程领域应用的性能特点与前景
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钛合金管在海洋工程领域应用的性能特点与前景

发布时间 :2023-02-19 21:40:01 浏览次数 :

钛合金是以钛为基体,加入其他元素组成的合金,钛合金管的性能与所含碳、氮、氢、氧等杂质含量有关,其特点是比强度高、热强度高、抗蚀性好、低温性能好、化学活性大、导热系数小、弹性模量小、无磁。

钛管

世界上许多国家都认识到钛合金材料的重要性,相继对其进行研究开发,并得到了实际应用。目前钛合金主要用于制作飞机发动机部件,其次为火箭、导弹和高速飞机的结构件。

一、钛合金的性能

1、优异的耐酸性气体腐蚀性能

钛合金具有优异的抗硫化物应力腐蚀性能,抗点腐蚀性能,对氢致开裂不敏感,可在含H2S、Cl-和CO2共存条件下服役。

1.1 氢致开裂(HIC)试验

依据标准NACETM0284—2000,采用A溶液,试验后未发现表面氢鼓泡现象,证明钛合金具有良好的气致开裂性能。

1.2 抗硫化物应力开裂(SSC)试验

依据标准NACETM0177—2000A法A溶液进行试验,在拉伸应力80%σy、85%σy和90%σy载荷下720h实验后均未发生开裂现象。

1.3 点蚀腐试验

依据ASTM G48 试验方法对石油用钛合金管进行试验,结果未发现点腐蚀现象。

1.4 高温高压含H2S/CO2试验

试验总压:25MPa;温度:60℃;试验时间:720h;H2S分压:2.0MPa;CO2分压:3.5MPa。

试样腐蚀前后质量没有发生变化,试样表面也没有发现腐蚀或点蚀现象,具有优异的耐H2S/CO2腐蚀性能。

2、优异的海水耐蚀性能

几种海洋工程用金属材料在流动海水中腐蚀速率的比较如表1。

钛合金与其它常用金属在海水中腐蚀对比

从表1可以看出,钛合金在海水中没有腐蚀,而与之对比的不锈钢达到每年腐蚀0.029~0.07mm之间。

3、极高的比强度

几种舰船用金属材料的屈强比和比强度的对比如表2。

钛合金与其它舰船用金属材料强度对比

从表2中可以看出,钛合金具有强度高、变形能力强的特点,特别是其密度低,考虑构件本身重量因素优势更显著。

4、焊接性能好

钛及钛合金的焊接性能非常优越,焊接方式通常采用等离子或钨极氩弧焊,焊接过程应在惰性气体保护下或真空状态下进行,这较容易做到,而钛合金焊缝拉伸强度可达到管体强度的90%以上。

二、钛合金在石油工业应用前景

钛合金在石油中应用范围非常广泛,就目前的经济可替代性而言主要有以下方面。

1、钛合金钻杆

目前国内已生产出P110钢级的钛合金钻杆,与常规普通钢S135钻杆相比,其优势有:

1.1 可以使大位移井与水平井位移延伸更远钛合金密度仅4.5g/cm3。同样壁厚与长度的钻杆在常规密度为1.25g/cm3。的水平段钻井液中其浮重仅为钢质钻杆的49%。这种情况下,摩阻力也仅为普通钻杆的50%左右,而管柱的摩阻扭矩问题是大位移井技术的核心问题之一,它决定水平位移的最大延伸,因此钛合金钻杆可以更有利于大位移 井与三维丛式水平井。在国内目前工厂化钻井越来越多情况下,钛合金钻杆使用范围更大。

1.2 减少地面设备负荷

钛合金钻杆由于重量轻,导致扭矩减少近50%,有效减少了地面顶驱(转盘)负荷,使这种损坏发生几率大大降低,而负荷减少还会带来柴油消耗的减少。

1.3 减少接头的水力损失

钛合金钻杆重量轻,扭矩低,加工的钻杆接头可以不必如钢钻杆同样的强化,通常水平井使用φ127mm S135钻杆时,接头内径就由G105钻杆的φ82.55mm减少到φ69.85mm,钛合金钻杆由于所受扭矩的减少,80钢级的钻杆可以在同样位移时达到S135钢级的强度效果(由于浮重减少51%,扭矩也会下降51%)。而X95钢级的钻杆接头内径则达到φ88.9mm。接头内径增大可以显著降低循环压耗。

钛合金钻杆与铝合金钻杆相比,优势也非常突出,钛合金与钢钻杆接头性能非常接近,因此可以使接头与本体为同一材质。而通常铝合金钻杆虽然也具有重量轻的特点,但由于铝合金不耐磨损、强度较低,因此需要对接头进行强化,接头通常采用钢质材料,这样导致钻杆重量降低有限。而且铝合金强度与高强度钢相比,还有一定差距,仅能达到钛全套钻杆的2/3左右。此外铝合金钻杆的材质硬度较低,导致钻杆与井壁碰撞时发生较严重的本体划痕磨损,因此难以使用。而钛合金钻杆则由于本体硬度可以接近于钢质钻杆,因此可以有效避免这一问题

钛合金与常规钻杆接头材料性能对比如表3。

3钛合金与常规钻杆接头材料性能对比

2、抗腐蚀油套管

对于同时含高浓度CO2与H2S的气藏,普通的不锈钢管和超级13Cr管材的耐腐性能已经满足不了如此苛刻的腐蚀环境,需要采用镍基油管(套管),这类套管价格高达30万t以上,如果使用单位重量价格与之类似的钛合金管代替,则可以达到相似的抗腐蚀性能。而由于钛合金的密度低,使其与单位长度、强度相同的镍基管相比价格更低。

钛合金无缝管通过第三方试验检测:

(1) 试验用钛合金油管具有优异的抗硫化氢应力腐蚀性能、抗点腐蚀和抗全面腐蚀性能,对氢致开裂不敏感,在本实验高温高压条件下耐HS/CO腐蚀性能良好,具有和镍基G3合金相当的耐腐蚀性能。

(2)试验用钛合金油管的力学性能均达到APISpec 5CT中对P110钢级的力学性能要求,与P110钢级的G3镍合金油管力学性能相当,接头连接强度达到标准ISO10400对Pll0钢级的要求。

3、钛合金连续管

采用钛合金生产连续管则由于其重量轻,可以在同样轴向力情况下,使井深增加近1倍(井筒工作液为清水)。此时连续管则适用于深井乃至超深井,钛合金的良好的可焊接性能使这种应用可以不受运输尺寸影响。

对于常规中深井来说,钛合金连续管可以提高疲劳寿命,也有一定的意义,特别是对于高腐蚀环境更有效益。

4、钛合金隔水管

海上钻井中隔水管长期与海水接触经受海水与海洋生物腐蚀,使用钛合金可以有效解决这类腐蚀问题,而且钛合金密度低,重量轻的特点可以使海上平台适应钻更深的水深。虽然深水隔水管可以采用浮力块减少轻平台负荷,但重量越大,浮力块体积就相应增大,这在如中国南海等洋流速度较快地区,则增大了隔水管的侧向力,这又带来隔水管强度与平台拖拽力。在海上钻井平台级别每增加一级,日费上涨以10万元计,即使不考虑钛合金没有腐蚀、强度高等其它因素,仅平台日费节省就可以在2—3年收回钛合金隔水管投资。

三、认识与建议

(1)发展钛合金在石油钻井行业的应用,不仅可以节省成本投入,更能提高应对复杂条件的能力,特别是对于三维丛式水平井与大位移井、连续管作业等,钛合金钻杆更能提升作业能力,对于石油钻井行业具有重要的意义。

(2)钛合金钻杆与连续管可尽快进行试验性应用,如先装备一支队伍,取得应用效果后可规模推广。

(3)钛合金可以取代镍基合金作为极端腐蚀环境下的油套管,可以减少这类井的成本投入。

参考文献

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