TP-Ti-110鋼級TP-G2（Ti）特殊螺紋鈦合金油管的研發(fā)*

周曉鋒，孫 宇，張傳友，楊永昌，史 彬，梅 麗

（天津鋼管集團(tuán)股份有限公司，天津 300301）

隨著油氣儲量的減少，油氣井的開采環(huán)境愈加惡劣。對于高溫、高壓、高H2S/CO2分壓、高Cl-、高有機硫油氣田的勘探開發(fā)，油套管選材以耐蝕合金為主導(dǎo)趨勢。目前使用的耐蝕合金管材以13Cr、超級13Cr和鎳基合金為主。對于高含硫區(qū)塊，Cr合金的管材已經(jīng)無法滿足苛刻環(huán)境需求；鎳基合金雖然在H2S/CO2共存的環(huán)境下耐蝕性較好，但是也存在加工工藝復(fù)雜、生產(chǎn)技術(shù)難度大、材料成本高、表面易損傷等缺點，并且我國鎳資源匱乏，依賴于鎳基合金的耐蝕管材并不利于油氣戰(zhàn)略發(fā)展［1］。鈦合金是鎳基合金的理想替代材料［2-3］。我國是富鈦國家，已經(jīng)探明的鈦資源量約占全球的40%，海綿鈦（純鈦）產(chǎn)量約占全球的50%，開發(fā)鈦合金油井管也是確保國家油氣安全的重要戰(zhàn)略之一。

國際上鈦合金油井管的開發(fā)與使用較早。20世紀(jì)90年代美國就已經(jīng)實現(xiàn)了鈦合金管材在石油天然氣勘探開發(fā)領(lǐng)域的工業(yè)化應(yīng)用。鈦合金管材應(yīng)用最為成熟的是美國RMI公司［4］，該公司于20世紀(jì)90年代開發(fā)設(shè)計出Gr.28鈦合金用于油井管的生產(chǎn)制造，隨后在此基礎(chǔ)上又成功研制出鈦合金材質(zhì)的套管、油管、連續(xù)管、鉆桿、海洋鉆井隔水管和懸鏈?zhǔn)搅⒐艿犬a(chǎn)品［5］，并已成功應(yīng)用。近幾年，美國雪佛龍股份有限公司聯(lián)合美國鈦金屬公司及其他鈦金屬合金生產(chǎn)企業(yè)，開始研發(fā)一種高溫高壓抗腐蝕鈦合金油井管產(chǎn)品，且成品已經(jīng)通過一系列評價試驗，并建立了相關(guān)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，其生產(chǎn)的鈦合金油井管已在井深1 500 m左右的地?zé)峋性囉?。與國外相比，我國由于起步較晚，對鈦合金油井管的應(yīng)用還處于初始階段，國內(nèi)寶鈦集團(tuán)有限公司、寶山鋼鐵股份有限公司、攀鋼集團(tuán)成都鋼釩有限公司、天津鋼管集團(tuán)股份有限公司（簡稱天津鋼管）和忠世高新材料股份有限公司（簡稱忠世高新）等企業(yè)近幾年開始積極研制鈦合金油井管，以滿足國內(nèi)超深、超高壓油氣井對高強耐蝕管材的迫切需求。

為開發(fā)綜合性能優(yōu)異，適用于苛刻油氣環(huán)境的鈦合金油管產(chǎn)品，天津鋼管結(jié)合自身的設(shè)備及生產(chǎn)能力、技術(shù)水平及內(nèi)外優(yōu)勢資源，形成了TP－Ti－110鋼級鈦合金油管產(chǎn)品開發(fā)技術(shù)方案，通過獨特的化學(xué)成分設(shè)計，使產(chǎn)品在滿足高強度的同時，韌性滿足API Spec 5CT—2012《套管和油管規(guī)范》要求；且管材制備工藝多樣化，通過冷軋及熱連軋工藝均能實現(xiàn)批量生產(chǎn)。本文將介紹TP－Ti－110鋼級TP－G2（Ti）特殊螺紋鈦合金油管的研發(fā)情況。

1 材料選擇

根據(jù)API Spec 5CT—2012對油井管的性能要求，要保證鈦合金油井管的性能滿足要求，首先要在化學(xué)成分上做出恰當(dāng)?shù)脑O(shè)計。鈦合金是以鈦元素為基體加入其他合金元素組成的合金，合金化的原理與鋼類似，添加不同的合金元素以保證其強度、韌性、抗腐蝕等多種性能。針對P110鋼級油井管的材料性能需求，對現(xiàn)有鈦合金品種及性能進(jìn)行了調(diào)研，確定了選用新型TA31（Ti80）鈦合金作為開發(fā)TP－Ti－110 鋼級鈦合金油管的材料［6－7］。

新型TA31（Ti80）鈦合金的名義化學(xué)成分為Ti－6Al－3Nb－2Zr－1Mo，是一種以工業(yè)純鈦為基體，添加5.5%～6.5%的鋁，3%的鈮、2%的鋯和1%的鉬形成的新型鈦合金。鋁是α鈦合金形成元素，室溫下能置換固溶于α－Ti，溶解度可達(dá)7.5%而不形成鈦鋁化合物，是鈦合金低溫和高溫強化最有效的元素之一。鋯與鈦同為活性金屬，室溫下為密排六方晶體結(jié)構(gòu)，能與α－Ti和β－Ti在室溫或高溫條件下無限互溶，形成置換型固溶體。鈮、鉬具有體心立方結(jié)構(gòu)，為β－Ti形成元素，與β－Ti能無限置換固溶形成固溶體，室溫下鈮在α－Ti中溶解度可達(dá)4%，鉬可達(dá)0.8%，在α－Ti中以置換固溶體形式存在，當(dāng)超過溶解度時，鈮、鉬固溶于β－Ti（2%～6%）保留到室溫組織。在溶解度范圍內(nèi)，鋁、鋯、鈮、鉬固溶于鈦但不形成過飽和α－Ti組織。因此，新型TA31（Ti80）鈦合金在合金元素置換固溶強化和少量β相的強化作用下，室溫和高溫強度明顯提高，同時由于不形成過飽和組織，材料韌性和塑性得到改善，形成以α為基本相、含有少量β相的中等強度近α的新型鈦合金［8］。

2 專用氣密封特殊螺紋

油井管螺紋接頭尤其是油管接頭，除密封性要求外，還應(yīng)在上卸扣過程中不發(fā)生螺紋黏結(jié)和表面損傷，這就對鈦合金油井管螺紋接頭的設(shè)計和加工提出了較高的要求。鈦合金具有彈性模量小、表面硬度低、耐磨性能差和導(dǎo)熱系數(shù)小等特點，用鈦合金管材加工API螺紋極易發(fā)生黏結(jié)現(xiàn)象，以鋼鐵材料為基礎(chǔ)設(shè)計的一般特殊螺紋結(jié)構(gòu)不適用于鈦合金油井管，容易發(fā)生螺紋黏結(jié)和密封失效。針對鈦合金材質(zhì)的特性，中國石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院和忠世高新采用多級密封［9－10］，使接觸壓力分布更均勻，降低螺紋黏結(jié)風(fēng)險，并提高氣密封性。天津鋼管針對鈦合金油管的使用要求，開發(fā)了弧面－錐面的氣密封特殊螺紋 TP－G2（Ti）［11］。鈦合金油管專用氣密封特殊螺紋TP－G2（Ti）是在偏梯形螺紋基礎(chǔ)上開發(fā)的，并進(jìn)行了改進(jìn)。

（1）采用負(fù)角度偏梯螺紋設(shè)計。負(fù)角度承載側(cè)設(shè)計的螺紋在擰接后，接頭受到拉伸載荷、彎曲載荷時承載側(cè)面上的分力能顯著降低螺紋端徑向分離的趨勢，提高了螺紋的連接性能及抗彎曲性能。

（2）改進(jìn)了接箍齒高，使內(nèi)螺紋的齒高略高于外螺紋的齒高。接箍螺紋齒高增高后，螺紋嚙合時在齒頂和齒底之間有合理的間隙，降低了發(fā)生螺紋黏結(jié)的可能性。

（3）接頭增大了導(dǎo)入側(cè)的角度。增大導(dǎo)入側(cè)角度的設(shè)計便于對扣、引扣，不易錯扣。

（4）設(shè)計了合理的齒側(cè)間隙。合理的齒側(cè)間隙設(shè)計提高了接頭的抗壓縮能力，TP－G2（Ti）的抗壓縮能力達(dá)到管體屈服強度的100%。

（5）設(shè)計了獨特的密封面。鈦合金材質(zhì)由于黏性較大，所以采用弧面－錐面的密封形式，由于外螺紋端為大半徑的弧面，能夠保證密封面的接觸面積，從而保證足夠的密封能力。

3 綜合評價試驗

天津鋼管利用新型TA31（Ti80）鈦合金，開發(fā)出 Φ88.9 mm×7.34 mm 規(guī)格、TP－Ti－110 鋼級 TPG2（Ti）氣密封特殊螺紋鈦合金油管，并對其力學(xué)性能、整管性能和抗腐蝕性能進(jìn)行評價。

3.1 力學(xué)性能

由于目前還沒有關(guān)于鈦合金油井管的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)；因此，鈦合金油管的力學(xué)性能指標(biāo)參照了API Spec 5CT—2012標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于碳鋼力學(xué)性能指標(biāo)的規(guī)定。TP－Ti－110 鋼級 TP－G2（Ti）氣密封特殊螺紋鈦合金油管的力學(xué)性能見表1。

表1 TP－Ti－110鋼級TP－G2（Ti）氣密封特殊螺紋鈦合金油管的力學(xué)性能

評價結(jié)果表明，Φ88.9 mm×7.34 mm規(guī)格鈦合金油管的力學(xué)性能均達(dá)到設(shè)計要求，并且能夠滿足API Spec 5CT—2012標(biāo)準(zhǔn)對110鋼級碳鋼管體和接箍力學(xué)性能的要求。

3.2 整管性能

在第三方監(jiān)制下進(jìn)行管體爆破強度、螺紋連接強度、帶接頭抗外壓試驗、ISO 13679∶2002《石油和天然氣工業(yè)套管和管連接的測試程序》CALⅡ級B系和C系試驗。管體爆破試驗實際加載值是保證值的198.49%，螺紋連接強度試驗實際加載值是保證值的119.87%（超過保證值20%加載15 min未失效，基于設(shè)備安全考慮，未做拉斷試驗），帶接頭抗外壓試驗實際加載值是保證值的153.63%（接頭保載過程中未泄漏）。按照ISO 13679∶2002標(biāo)準(zhǔn)要求，分別進(jìn)行了鈦合金管體+鈦合金接箍和鈦合金管體+鎳基合金接箍的ISO 13679∶2002標(biāo)準(zhǔn)CALⅡ級B系和C系TP－G2（Ti）特殊螺紋的評價試驗，接頭均未發(fā)生泄漏。

評價結(jié)果表明，TP－Ti－110鋼級鈦合金油管通過了管體爆破強度、螺紋連接強度、帶接頭抗外壓試驗，實測值均大幅超出保證值，完全能夠滿足用戶的使用要求；TP－G2（Ti）鈦合金油管專用氣密封特殊螺紋通過了ISO 13679∶2002標(biāo)準(zhǔn)CALⅡ級評價試驗，適用于復(fù)雜井況，具有更高的安全性。

3.3 抗腐蝕性能

中國石油化工股份有限公司西南油氣分公司元壩氣田（簡稱元壩氣田）屬于超高含硫海相氣田，井況條件復(fù)雜苛刻，完鉆井深6 500 m以上，井底地層壓力70 MPa以上，地層溫度160℃左右，井底最高H2S分壓可達(dá)6 MPa，最高CO2分壓可達(dá)8 MPa，且有單質(zhì)硫產(chǎn)出。為評價 TP－G2（Ti）鈦合金油管在元壩氣田環(huán)境中的抗腐蝕性能，在模擬環(huán)境下進(jìn)行抗腐蝕性能評價試驗。評價試驗考慮的主要問題有：采輸過程中的電化學(xué)腐蝕；采輸過程中的彎曲應(yīng)力和軸向拉伸應(yīng)力開裂；酸化過程殘酸返排對管柱的電化學(xué)腐蝕；鈦合金油管和鎳基合金井下工具連接處的電化學(xué)腐蝕；鈦合金油管產(chǎn)生彎曲貼合井壁處和高抗硫材質(zhì)的電化學(xué)腐蝕［12］。

（1） 均勻腐蝕試驗，以評價 TP－G2（Ti）鈦合金油管在模擬生產(chǎn)環(huán)境的抗電化學(xué)腐蝕性能。試驗按照J(rèn)B/T 7901—2001《金屬材料實驗室均勻腐蝕全浸試驗方法》進(jìn)行，試驗溫度160℃，H2S分壓5 MPa，CO2分壓11 MPa，單質(zhì)硫含量3 g/L，試驗溶液Cl－濃度10%，流速3 m/s，試驗周期168 h。試驗結(jié)果顯示：TP－G2（Ti）鈦合金油管在上述試驗條件下的平均腐蝕速率只有0.002 0 mm/a。

（2）硫化物應(yīng)力腐蝕（四點彎曲）試驗，以評價TP－G2（Ti）鈦合金油管在模擬生產(chǎn)環(huán)境的抗彎曲應(yīng)力腐蝕性能。試驗按照NACE TM 0177—2005《金屬抗硫化物應(yīng)力開裂和H2S環(huán)境中應(yīng)力腐蝕開裂的試驗室試驗方法》中的硫化物應(yīng)力腐蝕（四點彎曲）試驗方法進(jìn)行，試驗溫度160℃，H2S分壓5 MPa，CO2分壓11 MPa，單質(zhì)硫含量3 g/L，試驗溶液Cl－濃度10%，試驗周期720 h，按照名義屈服強度100%加載載荷。經(jīng)過720 h后所有試樣受拉面均沒有裂紋。

（3）硫化物應(yīng)力腐蝕（軸向拉伸）試驗，以評價TP-G2（Ti）鈦合金油管在模擬生產(chǎn)環(huán)境的抗軸向拉伸應(yīng)力腐蝕性能。試驗按照NACE TM 0177—2005標(biāo)準(zhǔn)中硫化物應(yīng)力腐蝕（軸向拉伸）試驗方法進(jìn)行，試驗溫度24℃，H2S分壓0.1 MPa，腐蝕溶液為標(biāo)準(zhǔn)A溶液，試驗周期720 h，按照名義屈服強度100%加載載荷。經(jīng)過720 h后所有試樣標(biāo)距部分均未產(chǎn)生裂紋。

（4）強酸均勻腐蝕試驗，以評價TP-G2（Ti）鈦合金油管在殘酸返排過程的抗電化學(xué)腐蝕性能。試驗按照J(rèn)B/T 7901—2001標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，試驗溫度160℃，H2S分壓5 MPa，CO2分壓11 MPa，流速3 m/s，試驗介質(zhì)為pH值4的膠凝酸，試驗周期72 h。TP-G2（Ti）鈦合金油管在該試驗條件下的平均腐蝕速率為0.005 6 mm/a。

（5）電偶腐蝕試驗，以評價TP-G2（Ti）鈦合金和718鎳合金材質(zhì)組合在生產(chǎn)環(huán)境中的抗電化學(xué)腐蝕性能及鈦合金和110SS材質(zhì)組合在生產(chǎn)環(huán)境中的抗電化學(xué)腐蝕性能。試驗按照J(rèn)B/T 7901—2001標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，試驗溫度160℃，H2S分壓5 MPa，CO2分壓 11 MPa，試驗周期 168 h。TP-G2（Ti）鈦合金油管外螺紋+718鎳合金內(nèi)螺紋配合下鈦合金的平均腐蝕速率為0.005 0 mm/a，718鎳合金的平均腐蝕速率為0.000 4 mm/a；鈦合金外螺紋+110SS材質(zhì)內(nèi)螺紋配合下鈦合金的平均腐蝕速率為0.046 8 mm/a，110SS的平均腐蝕速率為0.253 7 mm/a。

由此可見，TP-Ti-110鋼級鈦合金油井管在各種模擬工況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0.002 0 mm/a，模擬殘酸返排過程中的平均腐蝕速率為0.005 6 mm/a）；抗硫化物應(yīng)力（彎曲和軸向拉伸）腐蝕開裂性能優(yōu)異。與鎳基合金相比，鈦合金的抗腐蝕性能與鎳基合金接近，甚至優(yōu)于鎳基合金。該TP-Ti-110鋼級鈦合金油管完全可以滿足元壩氣田高腐蝕環(huán)境使用要求。

4 用戶評價

天津鋼管生產(chǎn)的Φ88.9 mm×7.34 mm規(guī)格TPTi-110鋼級TP-G2（Ti）氣密封特殊螺紋鈦合金油管分別于2015年5月和2016年10月在元壩氣田兩口井成功全井應(yīng)用，是鈦合金油管首次在超深高含硫氣井應(yīng)用，且下井順利，所有接頭經(jīng)80 MPa氣密封檢測均合格，后續(xù)壓裂施工、試氣均正常，累計用量長度約12 500 m，質(zhì)量約120 t。

5 結(jié) 語

天津鋼管研發(fā)的TP-Ti-110鋼級鈦合金油管，其力學(xué)性能滿足API Spec 5CT—2012標(biāo)準(zhǔn)對110鋼級碳鋼管體和接箍力學(xué)性能的要求；且通過了管體爆破強度、螺紋連接強度、帶接頭抗外壓試驗，實測值均大幅超出保證值，完全滿足用戶的使用要求；TP-G2（Ti）鈦合金油管專用氣密封特殊螺紋通過了ISO 13679∶2002標(biāo)準(zhǔn)CALⅡ級評價試驗，適用于復(fù)雜井況，具有更高的安全性；通過了全面的各種模擬工況下的抗腐蝕試驗，完全滿足元壩氣田高腐蝕環(huán)境使用要求，并且首次成功進(jìn)行全井下井應(yīng)用。