鈦合金油井管應(yīng)用研究現(xiàn)狀及進(jìn)展

張 峰， 黃文克， 李遠(yuǎn)征， 徐 凱，楊曉龍，郭 丹，薛康利

（1.國(guó)家石油天然氣管材工程技術(shù)研究中心，陜西 寶雞721008；2.寶雞石油鋼管有限責(zé)任公司，陜西 寶雞721008）

鈦合金油井管應(yīng)用研究現(xiàn)狀及進(jìn)展

張 峰1,2， 黃文克1,2， 李遠(yuǎn)征1,2， 徐 凱1,2，楊曉龍1,2，郭 丹2，薛康利2

（1.國(guó)家石油天然氣管材工程技術(shù)研究中心，陜西 寶雞721008；2.寶雞石油鋼管有限責(zé)任公司，陜西 寶雞721008）

介紹了鈦合金油井管的成分設(shè)計(jì)及其管坯制造工藝，分析了鈦合金油井管的金相組織與其力學(xué)性能的關(guān)系，對(duì)比了兩種758 MPa（110 ksi）級(jí)鈦合金油井管在酸液中的耐腐蝕性能，給出了鈦合金油井管螺紋接頭設(shè)計(jì)與加工的難點(diǎn)及應(yīng)注意事項(xiàng)。最后指出了我國(guó)發(fā)展鈦合金油井管應(yīng)該攻克的技術(shù)關(guān)鍵，即鈦合金油井管管坯成分的系列化和低成本化，鈦合金油井管應(yīng)用性能研究，管坯制造工藝和螺紋接頭設(shè)計(jì)與加工等。

鈦合金；油井管；制造工藝；組織與性能；腐蝕性能

鈦合金因具有優(yōu)異的耐腐蝕性能和較高的比強(qiáng)度等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于航空航天、船舶和生物醫(yī)療等行業(yè)。20世紀(jì)90年代，國(guó)外就已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了鈦合金管材在石油天然氣行業(yè)的應(yīng)用[1-2]。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，對(duì)石油天然氣的需求與日俱增，油氣開(kāi)采逐漸轉(zhuǎn)向環(huán)境惡劣、地質(zhì)條件復(fù)雜的區(qū)域，迫切需要采用高強(qiáng)耐蝕管材以適應(yīng)苛刻的工況條件。近些年來(lái)，我國(guó)也在嘗試把鈦合金應(yīng)用于石油天然氣行業(yè)。2015年，超深高含硫氣井首次入井使用鈦合金油管。與此同時(shí)，我國(guó)一些相關(guān)科研單位和企業(yè)也在加快鈦合金油井管的研發(fā)。

與國(guó)外相比，由于起步較晚，我國(guó)對(duì)鈦合金油井管的應(yīng)用還處于初始階段，在研制和應(yīng)用過(guò)程中還存在著諸多問(wèn)題。本研究從鈦合金油井管的成分設(shè)計(jì)、制造工藝、組織與性能、耐腐蝕性能和螺紋加工等幾個(gè)方面進(jìn)行綜述性分析和探討，為最終實(shí)現(xiàn)鈦合金油井管在石油天然氣行業(yè)的推廣和應(yīng)用提供參考和借鑒。

1 鈦合金油井管成分設(shè)計(jì)

至2010年，世界上已有數(shù)百種鈦合金被研制出來(lái)[3]。我國(guó)研究和試制的鈦合金油井管以TC4較為常見(jiàn)，具體成分見(jiàn)表1。

表1 TC4油井管的化學(xué)成分 %

一些企業(yè)或科研機(jī)構(gòu)進(jìn)一步在TC4或其他牌號(hào)成分基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)，以適應(yīng)油氣田特殊工況環(huán)境的需求。寶鈦集團(tuán)有限公司對(duì)Ti-6Al-4V進(jìn)行改型，批量生產(chǎn)力學(xué)性能滿足API SPEC 5CT中P110鋼性能指標(biāo)的擠壓管[4]；中石化聯(lián)合天津鋼管集團(tuán)有限公司，在Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo基礎(chǔ)上調(diào)整化學(xué)成分，開(kāi)發(fā)出110鋼級(jí)、Φ88.9 mm×7.34 mm鈦合金油井管[5]。

對(duì)于高性能鈦合金的成分設(shè)計(jì)，我國(guó)近年來(lái)已有相當(dāng)數(shù)量的研究。趙永慶等[6]在計(jì)算合金Mo當(dāng)量的基礎(chǔ)上，綜合考慮合金元素及微觀組織的影響，設(shè)計(jì)獲得強(qiáng)度在1 200 MPa以上的新型高強(qiáng)高韌富β型鈦合金。王光榮等[7]分析討論了β型鈦合金成分設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮的因素，包括成分設(shè)計(jì)基本原理，合金化對(duì)鈦合金性能的影響，Kβ穩(wěn)定系數(shù)和Al、Mo當(dāng)量設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，電子濃度因素和d－電子合金設(shè)計(jì)方法等。江濤等[8]則在已優(yōu)化的Ti-Al-Cr-Mn四元熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)并制得了新型α鈦合金Ti-6Al-3Cr-1Mn，其屈服強(qiáng)度為894.9 MPa，抗拉強(qiáng)度為926.7 MPa，斷后伸長(zhǎng)率為15.2%。

上述這些研究涉及的高性能鈦合金主要用于航空領(lǐng)域和生物醫(yī)療等，而國(guó)內(nèi)針對(duì)油氣田應(yīng)用特點(diǎn)的鈦合金成分研究還比較少。劉強(qiáng)等[2]指出，國(guó)內(nèi)只有少數(shù)幾家研究院所和制造廠進(jìn)行了鈦合金材料在石油天然氣鉆完井領(lǐng)域的先期研究。

綜合來(lái)看，我國(guó)鈦合金油井管的成分設(shè)計(jì)處于仿照國(guó)外、探索和數(shù)據(jù)積累階段。研究油井管用鈦合金元素的影響作用，進(jìn)一步開(kāi)發(fā)出具有獨(dú)立自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新成分體系和牌號(hào)的鈦合金油井管，可有力推動(dòng)和普及鈦合金油井管在我國(guó)油氣行業(yè)的應(yīng)用。

2 鈦合金油井管管坯制造工藝

林永新[9]在2005年發(fā)表的綜述性文章中指出，中高強(qiáng)度鈦合金管材溫軋生產(chǎn)技術(shù)尚屬空白，而焊管所需帶材我國(guó)尚不能生產(chǎn)，嚴(yán)重阻礙鈦焊管的發(fā)展。時(shí)至今日，我國(guó)的高強(qiáng)度鈦合金管坯制造工藝取得了長(zhǎng)足進(jìn)展。鑫鵬源智能裝備集團(tuán)有限公司通過(guò)采用熱軋成型新工藝，生產(chǎn)出長(zhǎng)度達(dá)12 m的大型鈦合金管，該公司已具備生產(chǎn)大直徑鈦合金無(wú)縫管的能力[10]。其他一些相關(guān)制造企業(yè)也已具備生產(chǎn)長(zhǎng)尺寸、大直徑鈦合金管的能力。

鈦合金管坯制造通常采用3種工藝[11]：鉆孔擠壓、板（帶）焊接和斜軋穿孔。鉆孔擠壓和斜軋穿孔兩種無(wú)縫管坯制備工藝，裂紋和微缺陷等是鈦合金冷軋過(guò)程中的主要問(wèn)題，也是很難消除的一類缺陷[12]。余偉等[13]采用熱穿軋工藝試制了大規(guī)格（Φ160 mm×8 mm）TC4鈦合金無(wú)縫管，該鈦合金無(wú)縫管表面質(zhì)量、尺寸精度和力學(xué)性能等均合格，采用該熱穿軋工藝生產(chǎn)的單根鈦合金管長(zhǎng)度可達(dá)12 m。王超峰等[14]通過(guò)試驗(yàn)證明浮動(dòng)連軋管工藝在適當(dāng)溫度和變形制度的前提下可生產(chǎn)出鈦合金油井管，該工藝可多倍尺生產(chǎn)，在效率和成本上有著其他制管工藝無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)。廖強(qiáng)等[15]研究了冷軋道次變形率對(duì)TA18鈦合金管材組織與拉伸性能的影響，認(rèn)為通過(guò)連軋的方式簡(jiǎn)化工藝流程是可能的。李永林等[16]認(rèn)為采用兩輥冷軋配合熱矯直方法可縮短生產(chǎn)周期，提高效率，所采用的制管工藝為棒坯鉆孔+擠壓+冷軋。

對(duì)于焊管，由于鈦及鈦合金材料在焊接過(guò)程中易產(chǎn)生氧化、裂紋和氣孔等缺陷，需要制定合理的焊接工藝和氣體保護(hù)措施以保證焊接質(zhì)量[17]。鈦合金在400℃以上的高溫狀態(tài)下易與空氣中的O、H和N等元素結(jié)合而發(fā)生反應(yīng)，導(dǎo)致焊接質(zhì)量差甚至報(bào)廢，增加了鈦合金管的焊接難度，焊接過(guò)程中氣體保護(hù)措施尤顯重要[17-18]。

綜合來(lái)看，我國(guó)一些相關(guān)制造企業(yè)已具備長(zhǎng)尺寸、大直徑鈦合金油井管無(wú)縫管坯的批量生產(chǎn)能力，但受坯料、焊接技術(shù)和油氣田苛刻應(yīng)用環(huán)境等的限制，長(zhǎng)尺寸、大直徑的鈦合金油井管焊管的生產(chǎn)仍屬空白。

3 鈦合金油井管組織與性能

鈦合金有α型、β型和α＋β型三種組織類型。常見(jiàn)的TC4合金即α＋β型，其力學(xué)性能取決于α相和β相的形態(tài)和比例。對(duì)于相組織形態(tài)，包括籃網(wǎng)、雙態(tài)和魏氏組織等，不同相組織形態(tài)的鈦合金性能存在差別[19]，而不同初始形態(tài)的鈦合金組織對(duì)后續(xù)工藝性能的影響也不同[20]。對(duì)于兩相比例的影響，一般來(lái)說(shuō)，等軸α相含量越高，越有利于塑性提高，而片層狀β相轉(zhuǎn)變組織含量越高，則越有利于強(qiáng)度的提升[21]。

圖1 成分相近的兩種758 MPa（110 ksi）級(jí)鈦合金油管管坯的顯微組織

成分相近的兩種758 MPa（110 ksi）級(jí)鈦合金油管管坯的顯微組織如圖1所示。圖1（a）中鈦合金A的顯微組織為近等軸α相和β轉(zhuǎn)變組織；而圖1（b）中鈦合金B(yǎng)的顯微組織則以層片狀α+β為主，為典型的籃網(wǎng)組織。兩種油管管坯對(duì)應(yīng)的力學(xué)性能見(jiàn)表2。由表2可見(jiàn)，鈦合金A的強(qiáng)度和沖擊功低于鈦合金B(yǎng)，伸長(zhǎng)率則高于B。這說(shuō)明增加等軸α相的數(shù)量和尺寸有利于塑性的升高，而提高層片狀組織的含量則可提高強(qiáng)度和韌性。

表2 成分相近的兩種758 MPa(110 ksi)級(jí)鈦合金油管的力學(xué)性能

目前國(guó)內(nèi)關(guān)于TC4組織性能的研究有很多，包括熱處理和形變等工藝參數(shù)的影響。對(duì)于TC4這種α＋β型的兩相型合金，在相變點(diǎn)以下提高固溶溫度有利于提高β相轉(zhuǎn)變組織含量，從而獲得高強(qiáng)度；提高時(shí)效溫度則有利于α相的長(zhǎng)大，使塑性提高；但當(dāng)固溶溫度在相變點(diǎn)以上時(shí)，則會(huì)形成魏氏組織，導(dǎo)致性能惡化[21-25]。對(duì)于形變量的影響，形變量越大，再結(jié)晶越容易形成細(xì)小的等軸組織[26-27]。由于涉及到相變，TC4鈦合金的回復(fù)和再結(jié)晶狀況比較復(fù)雜[28-30]。王恒強(qiáng)等[30]研究了TC4合金的熱變形行為，在800～950℃區(qū)間內(nèi)發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，1 000～1 050℃區(qū)間內(nèi)則以動(dòng)態(tài)回復(fù)為主；動(dòng)態(tài)再結(jié)晶越充分，初生等軸α相含量越多。

除TC4外，對(duì)于其他高強(qiáng)度鈦合金的組織性能也有諸多研究，包括TA18[15]、TA15[31-32]以及其他成分鈦合金[33]等。結(jié)合鈦合金組織性能變化特點(diǎn)，在進(jìn)行管坯加工時(shí)還應(yīng)考慮加工方式的影響[34-37]。

4 鈦合金耐腐蝕性能

鈦合金有著比13Cr不銹鋼更加優(yōu)異的耐腐蝕性能，可以在含H2S和CO2的腐蝕環(huán)境介質(zhì)中使用。而與耐腐蝕性能優(yōu)異的鎳基合金相比，鈦合金密度接近鎳基合金的一半，可顯著降低管柱自重，增大應(yīng)用井深，且成本較低。因此，鈦合金是油井管的理想選材。

兩種758 MPa（110 ksi）級(jí)鈦合金油管試樣在酸液中的浸蝕試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。由表3可見(jiàn)，在20%HCl溶液中，兩種油管的腐蝕速率隨著試驗(yàn)溫度的升高而加快。在室溫和60℃條件下，鈦合金B(yǎng)的腐蝕速率明顯大于鈦合金A，這可能是因?yàn)槌叽缂?xì)小的層片狀組織晶界較多，容易誘發(fā)腐蝕；當(dāng)試驗(yàn)溫度為90℃時(shí)，兩種油管的腐蝕速率均明顯加劇，鈦合金A的腐蝕速率增加至34 mm/a以上，鈦合金B(yǎng)的腐蝕速率也在24 mm/a以上。由于鈦合金B(yǎng)中添加有可改善耐蝕性能的合金元素，因而在高溫下的抗酸浸腐蝕性能較鈦合金A更為穩(wěn)定。

表3 兩種758 MPa（110 ksi）級(jí)鈦合金油管在酸液中的腐蝕試驗(yàn)結(jié)果

由上述試驗(yàn)結(jié)果可見(jiàn)，在較低溫度條件下，鈦合金的組織形態(tài)對(duì)腐蝕發(fā)生起主導(dǎo)作用；而在高溫狀態(tài)下腐蝕進(jìn)展到一定程度時(shí)，基體成分則起主導(dǎo)作用。由表3可知，在15%HCl+5%HNO3溶液中，即使是在90℃的高溫試驗(yàn)條件下，兩種油管的腐蝕速率均較小。這說(shuō)明酸性條件下Cl－濃度達(dá)到一定程度時(shí)才對(duì)鈦合金油管的腐蝕產(chǎn)生較大影響。

同時(shí)還對(duì)兩種758 MPa（110 ksi）級(jí)鈦合金油管試樣進(jìn)行了抗硫化氫應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂試驗(yàn)。采用四點(diǎn)彎試樣，應(yīng)力加載為名義屈服強(qiáng)度的85%，用H2S飽和溶液（A溶液）浸泡720 h后，均沒(méi)有出現(xiàn)斷裂。

鈦合金雖然有著比鋼材更優(yōu)異的耐腐蝕性能，但這種耐腐蝕并不是絕對(duì)的。由上述試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，在酸性腐蝕環(huán)境中，當(dāng)Cl－濃度較大且溫度較高時(shí)，鈦合金的腐蝕比較嚴(yán)重。并且，在含有HF環(huán)境介質(zhì)中鈦合金也是不耐腐蝕的[5]。因此，在把鈦合金用作油井管時(shí)，應(yīng)考慮油氣田中腐蝕介質(zhì)的特點(diǎn)。另外，也可通過(guò)對(duì)鈦合金油井管的成分和工藝的優(yōu)化設(shè)計(jì)，有針對(duì)性地添加耐腐蝕元素，優(yōu)化顯微組織結(jié)構(gòu)等，進(jìn)一步提高鈦合金油井管的耐腐蝕能力。

5 鈦合金油井管螺紋加工

油井管螺紋接頭尤其是油管接頭，除密封性要求外，還應(yīng)在上卸扣過(guò)程中不發(fā)生粘扣和表面損傷。這就對(duì)鈦合金管螺紋接頭的設(shè)計(jì)和加工提出了較高的要求。由于鈦合金彈性模量低，散熱系數(shù)小且耐磨性能差，導(dǎo)致螺紋加工時(shí)易發(fā)生粘刀，螺紋接頭部位易發(fā)生粘扣和磨損等問(wèn)題。這也是制約鈦合金管材在油氣井應(yīng)用的難點(diǎn)。史雪芝等[5]也認(rèn)為螺紋連接是研發(fā)鈦合金油井管的關(guān)鍵。

從螺紋加工制造方面，可考慮設(shè)計(jì)合理的螺紋結(jié)構(gòu)并采用鈦合金的專用刀具[38-39]，保證螺紋加工質(zhì)量的同時(shí)滿足應(yīng)用要求；從表面防護(hù)方面，可考慮對(duì)螺紋表面施加鍍層或涂層等，增加表面耐磨性，防止發(fā)生粘扣或損傷。

6 結(jié)束語(yǔ)

我國(guó)鈦合金油井管的研發(fā)和應(yīng)用已開(kāi)始起步，從管坯成分設(shè)計(jì)和組織性能研究，到制造工藝和裝備升級(jí)改進(jìn)，及最終的應(yīng)用評(píng)價(jià)等，各個(gè)環(huán)節(jié)都需要進(jìn)行大量的研究工作。綜合來(lái)看，需要在以下幾個(gè)方面重點(diǎn)攻關(guān)：①鈦合金油井管管坯成分的系列化和低成本化；②鈦合金油井管應(yīng)用性能研究；③管坯制造工藝和螺紋接頭設(shè)計(jì)與加工等。只有把相關(guān)各個(gè)環(huán)節(jié)都做到位，才有可能實(shí)現(xiàn)鈦合金油井管在油氣田的廣泛應(yīng)用。

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Application Research Status and Progresses of Titanium Alloy OCTG

ZHANG Feng1,2,HUANG Wenke1,2,LI Yuanzheng1,2,XU Kai1,2,YANG Xiaolong1,2，GUO Dan2，XUE Kangli2
（1.Chinese National Engineering Technology Research Center for Petroleum and Natural Gas Tubular Goods,Baoji 721008,Shaanxi,China;2.Baoji Petroleum Steel Pipe Co.,Ltd.,Baoji 721008,Shaanxi,China）

This paper introduced the composition design and tube blank manufacturing process of titanium alloy OCTG,analyzed the relationship between metallographic structure and mechanical property,compared corrosion resistances of two 758MPa（110ksi）grades titaniumalloyOCTGintheacidsolution,andgiveddesignandprocessingdifficultiesandannouncements of screwed joint.The key technology of domestic titanium alloy OCTG development was seriation and low-cost of tube blank composition,application performance study of titanium alloy OCTG,and tube blank manufacturing process and design and machining of screwed joint.

titanium alloy;OCTG;manufacturing process;microstructure and properties;corrosion resistance

TE931.2

A

10.19291/j.cnki.1001-3938.2017.11.002

張 峰（1979—），男，工程師，主要從事油井管的研發(fā)工作。

2017-06-22

編輯：謝淑霞