鈦(Ti)是20世紀(jì)50年代發(fā)展起來的一種重要的結(jié)構(gòu)金屬，由于鈦具有強(qiáng)度高，密度小、超強(qiáng)耐腐蝕性，對人體無毒，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Al、Fe、Mg，其儲量比常見金屬cu，Pb，zn儲量的總和還多圈。全球有三十多個(gè)國家擁有鈦資源，我國鈦資源非常豐富，鈦資源儲備約兩億噸，占到全球總儲量的28.9％，鈦礦儲量位居世界第一。

隨著國內(nèi)外油氣資源需求的逐漸增長，促使石油天然氣勘探開發(fā)不斷深入，所遇環(huán)境和地層條件也越來越復(fù)雜。如超過7000m的深井越來越常見；海洋鉆井已不滿足于灘海和淺海，逐漸向深水進(jìn)軍；陸地上，以往難以開采的三高(高溫、高壓、高腐蝕)氣井，也開始攻克。與此同時(shí)，鉆完井工具、井口設(shè)備、輸油管線等將面臨多種問題朗。鈦及鈦合金由于多種的優(yōu)良特性，已經(jīng)成為油氣勘探開發(fā)中必不可少的新材料。國內(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海水中腐蝕速率的比較(見表2)，由表2可以看到鈦在海水中幾乎不會發(fā)生腐蝕問，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；無需涂層保護(hù)，簡化設(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，為提高原油采收率，降低油氣田開采成本，延長油氣田開發(fā)壽命，復(fù)雜結(jié)構(gòu)井越來越多，如大位移井、短半徑水平井、老井開窗側(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，給油田帶來重大的損失。為解決這些問題，國外開始從新材料上著手，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Ti一6AI一4V的管體經(jīng)兩端鐓粗后、在兩端對焊工具接頭組成，管體尺寸滿足API標(biāo)準(zhǔn)、長度范圍為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發(fā)已成為石油天然氣工業(yè)面臨的重大難題。國內(nèi)外對高含H₂S₂、C₂O₂ 油氣田的管材防腐問題展了多年的研究，防腐措施大致有三類：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。

耐腐蝕金屬管材主要有兩大類：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。而且我國是紅土鎳礦資源較為缺乏的國家之一，全國紅土鎳礦保有量僅占全部鎳礦資源的9.6％，且國內(nèi)紅土鎳礦品位較低，開采成本比較高，這就意味著我國在紅土鎳礦方面并沒有競爭力。因此，從長遠(yuǎn)來講依賴鎳基合金不利于油氣戰(zhàn)略發(fā)展。我國鈦資源豐富，鈦鐵礦儲量達(dá)2億噸，占全球儲量28％，排名全球第一。

鈦合金以其優(yōu)異的抗點(diǎn)蝕性能，近年來開始逐漸應(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發(fā)生腐蝕的情況下。

通過多年的研制，目前已經(jīng)形成與普通鋼材對應(yīng)的油套管用鈦合金材料(見表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P110鋼級的要求。

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，爆破形貌為縱向開裂， 符合使用要求（見圖1 ) 。

2.3 鈦合金輸送管線

由于鈦合金管易于彎曲，并具 有極高的抗海浪沖擊和平臺移動造成的動態(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)過程中的彎曲變形工況。鈦合金輸送管線焊接性能良好，單面焊接雙面成型技術(shù)保證焊縫均勻可靠（見圖2 ) , 并目鈦合金輸送管線機(jī)械性能優(yōu)異 ，通過管體拉伸力學(xué)性能測試、示波沖擊試驗(yàn)、管體壓扁試驗(yàn)、斷裂韌度KIC測試。

2.4  海洋鉆井平臺零件、隔水管

海洋鉆井平臺要求高于陸地鉆井平臺，早在20世紀(jì)90年代，國外就已經(jīng)將鈦合金運(yùn)用到海洋鉆井平臺的各個(gè)方面。北海油田挪威分部的海德威油田半潛式浮動鉆井平臺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（見圖3 )。

除此之外，海洋鉆井平臺上冷卻系統(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；各種閥門及其他管件配件也采用了鈦制品，減少了維護(hù)工作量（見圖 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、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)品依然能滿足防腐需求，同樣長度、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。

(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，使得海洋鉆井平臺可以進(jìn)入更深的水域，延長平臺服役年限。

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．世界航空鈦市場現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢『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)力腐蝕開裂與腐蝕電化學(xué)研究[D]．青島：中國海洋大學(xué)，2013．

【8】張睿，張慧霞，賈瑞靈等．鈦及其合金的腐蝕[J]．材料開發(fā)與應(yīng)用，2013，28(4)：100—107．

【9】謝群良，汪建林．工藝對Ti-3A1-2.5V鈦合金無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