鈦合金無縫管在油氣井中的應(yīng)用現(xiàn)狀及工藝研發(fā)*

董恩濤 ，余 偉 ，史佳新 ，許澤慶 ，韓 盈 ，張家銘

（1.北京科技大學(xué)工程技術(shù)研究院，北京 100083；2.鋼鐵共性技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心，北京 100083；3.高效軋制國家工程研究中心，北京 100083）

石油工業(yè)在我國國民經(jīng)濟(jì)中一直占有重要的地位，而且隨著石油工業(yè)的發(fā)展，油氣井用管作為石油天然氣開發(fā)工程中所必須的重要材料，其需求與日俱增。石油工業(yè)中，每年由于石油用管服役工況惡劣導(dǎo)致其磨損、腐蝕、斷裂、開裂等問題，所帶來的破壞對(duì)國家造成重大經(jīng)濟(jì)損失。尤其近年來隨著石油資源的不斷開采，石油天然氣勘探開發(fā)向極地和海洋拓展，高壓、高溫井的不斷涌現(xiàn)使得開采難度越來越大，深井、超深井的井下高溫、高壓環(huán)境對(duì)油井管的強(qiáng)度、韌性等使用性能有著極高要求，所處條件超出大多數(shù)低碳微合金鋼管和耐蝕合金管（如鎳基合金）長(zhǎng)期服役的能力范圍［1-2］。

鈦及鈦合金是20 世紀(jì)中葉發(fā)展起來的一種重要金屬，其密度小，具有比強(qiáng)度高和耐腐蝕性好等優(yōu)點(diǎn)，在航空航天、生物醫(yī)療、石油和冶金領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛［3］。其中，鈦合金油井管作為現(xiàn)有油井管的補(bǔ)充和替代產(chǎn)品，其優(yōu)勢(shì)和需求越來越明顯，使得鈦合金油井管的研究和應(yīng)用成為目前高溫、高壓及高腐蝕惡劣環(huán)境油氣井選材和腐蝕控制最熱門的方向。隨著我國科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，鈦合金材料制備技術(shù)及產(chǎn)品質(zhì)量得到了大幅度提高，但在鈦及鈦合金管材的生產(chǎn)過程中依然存在著很多的問題，制約著其應(yīng)用前景［4］?，F(xiàn)探討國內(nèi)外鈦合金無縫管在油氣井中的應(yīng)用現(xiàn)狀及前景，結(jié)合目前的研究基礎(chǔ)，提供油氣井用新成分鈦合金管材生產(chǎn)工藝，以彌補(bǔ)現(xiàn)有技術(shù)中存在的鈦合金無縫管制造工藝復(fù)雜、產(chǎn)品性能欠佳的缺點(diǎn)，以拓展其應(yīng)用前景。

1 鈦合金無縫管的生產(chǎn)及在油氣井中的應(yīng)用

1.1 鈦合金無縫管的生產(chǎn)現(xiàn)狀

高強(qiáng)度的鈦合金雖然具有較好的耐蝕性、高溫強(qiáng)度和熱穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)，但其在500 ℃以下的熱導(dǎo)率不到鋼的一半，因此在變形過程中易升溫、難傳熱；此外，鈦合金的比熱容與鋼相當(dāng)，所以鈦合金在高溫條件下的溫降較快。鈦合金的高溫變形抗力受變形溫度和相變溫度的影響顯著，導(dǎo)致大部分鈦合金的熱加工溫度窗口較窄（如近α 型、α+β 型和近β 型鈦合金）。此外，鈦合金雖然在450 ℃以下加工時(shí)，其表面能形成致密的氧化膜，該氧化膜具有出色的抗氧化性能，但是處于較高溫度所形成的氧化產(chǎn)物極易出現(xiàn)裂紋及孔洞［5］，會(huì)降低抗氧化性能，而且剝落的氧化產(chǎn)物會(huì)在后續(xù)加工工序中被壓入基體，從而導(dǎo)致表面質(zhì)量惡化。另外，鈦合金在高溫變形過程中的摩擦性能差，摩擦因數(shù)高且不穩(wěn)定［6］，易磨損腐蝕，并與軋制工具黏附。由于鈦合金的這些屬性特點(diǎn)，增加了制造大尺寸高強(qiáng)度鈦合金無縫管的技術(shù)難度，尤其是中厚壁管材（徑壁比12～20）和薄壁管材（徑壁比∧20）。

傳統(tǒng)的熱擠壓工藝能制造塑性較低的鈦合金無縫管，但由于擠壓比的限制，無法生產(chǎn)徑壁比較大的管材。另外，為了獲得好的鈦合金無縫管表面質(zhì)量，需要對(duì)鈦合金管坯進(jìn)行銅包覆等潤(rùn)滑處理［7］，但高溫時(shí)銅與鈦會(huì)發(fā)生反應(yīng)，并生成金屬間化合物，發(fā)生界面復(fù)合，銅層去除困難。而且，在熱擠壓時(shí)，坯料表層與內(nèi)層會(huì)產(chǎn)生很大的溫差，可達(dá)200 ℃，其結(jié)果是管坯心部的變形抗力遠(yuǎn)低于擠壓筒內(nèi)壁及?？椎沫h(huán)形區(qū)，造成變形不均勻，在表面層中產(chǎn)生大的附加拉應(yīng)力，在管材表面形成裂紋源，導(dǎo)致擠壓管材的表面質(zhì)量難以保證。

擠壓-冷軋（拔）工藝是采用熱擠壓方法獲得管坯，管坯在表面處理后進(jìn)行冷軋（拔），然后退火消除加工硬化，以調(diào)整組織性能。鈦合金冷加工的性能較差，為了保證管材的壁厚和性能，薄壁管往往需要多次冷軋和退火處理。該工藝生產(chǎn)的鈦合金無縫管，其表面質(zhì)量和尺寸精度高，性能均勻性好，但其表面處理時(shí)往往采用強(qiáng)酸酸洗，這易造成環(huán)境污染，且加工周期長(zhǎng)、能耗高、成材率較低。

斜軋穿孔-軋制的熱加工方法是目前生產(chǎn)鈦合金無縫管采用較多的工藝，其利用現(xiàn)有無縫鋼管的生產(chǎn)線，相比于擠壓工藝，可顯著簡(jiǎn)化流程，提高生產(chǎn)效率。但鈦合金對(duì)熱變形參數(shù)敏感，這使得管材變形機(jī)制復(fù)雜，穿孔、軋制和定（減）徑等工序都會(huì)在一定程度上改變鈦合金的組織及表面質(zhì)量［8］。另外，鈦合金的組織具有遺傳性，導(dǎo)致加工過程不同階段和位置的組織性能存在多樣性，而且管材成型尺寸越長(zhǎng)，頭尾溫差越大，大直徑鈦合金無縫管外壁、內(nèi)壁和頭尾的組織性能波動(dòng)幅度就越大。因此，目前亟待開發(fā)更加成熟、高效的短流程大直徑鈦合金無縫管熱軋生產(chǎn)工藝，并形成穩(wěn)定的低成本鈦合金無縫管工業(yè)化制備規(guī)范。

1.2 鈦合金無縫管在油氣井中的應(yīng)用

鈦合金無縫管在石油天然氣行業(yè)用途很廣泛，特別是在腐蝕環(huán)境條件下應(yīng)用具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)，能在潮濕的大氣和海水介質(zhì)中服役，對(duì)點(diǎn)蝕、酸蝕和應(yīng)力腐蝕的抵抗力特別強(qiáng)，對(duì)CO2+H2S+Cl-也有極強(qiáng)的腐蝕抗力，抗蝕性遠(yuǎn)超低碳微合金鋼和不銹鋼［9］。

鈦合金無縫管的彈性模量小，具有極高的抗疲勞強(qiáng)度，能夠防止海浪沖擊和平臺(tái)移動(dòng)造成的動(dòng)態(tài)應(yīng)力腐蝕，適應(yīng)鋪設(shè)過程中的彎曲變形工況，滿足復(fù)雜海洋環(huán)境要求輸油氣管線抗腐蝕性能和高穩(wěn)定要求［10］。對(duì)于短半徑井和水平井，鈦合金鉆桿可以大幅降低設(shè)備載荷，顯著提高其使用壽命，不易出現(xiàn)普通材質(zhì)鉆桿發(fā)生的疲勞斷裂。美國RMI 活性金屬公司等通過在部分鈦合金中加入稀有元素等對(duì)鈦合金的耐蝕性能進(jìn)行提升，并采用熱旋轉(zhuǎn)+壓力穿孔管材軋制工藝，成功研制出高強(qiáng)度鈦合金材質(zhì)套管、油管、連續(xù)管和海洋鉆井隔水管等產(chǎn)品，產(chǎn)品已在多個(gè)油氣井及鉆井項(xiàng)目中成功應(yīng)用［11］。美國RTI 國際金屬公司開展了擠壓鈦合金油管和焊接鈦合金油管的研發(fā)工作，其產(chǎn)品已在酸性油氣田得到批量應(yīng)用［12］。

相比于鈦合金無縫管在國外的研發(fā)和應(yīng)用，我國的鈦合金無縫管主要用于航空、航天及醫(yī)療領(lǐng)域，石油及天然氣用鈦合金無縫管的研制和開發(fā)還處于起步階段，而我國中西部高腐蝕性油氣田勘探及高壓高溫井的開發(fā)對(duì)其所用油井管提出了更苛刻的要求，現(xiàn)在使用的微合金鋼和耐蝕合金無縫管已經(jīng)無法完全滿足當(dāng)前工況環(huán)境需求，而鈦合金油套管的力學(xué)性能與鎳基耐蝕合金油套管相當(dāng)，符合其開發(fā)需要。

2 鈦合金油井管的新工藝研發(fā)

2.1 鈦合金成分設(shè)計(jì)

添加不同的合金元素以及不同的添加量都會(huì)影響到產(chǎn)品的物理、化學(xué)與力學(xué)性能。根據(jù)鈦合金的不同用途來進(jìn)行針對(duì)性地合金化設(shè)計(jì)是強(qiáng)化鈦合金性能的主要方法，目前添加合金元素（比如β 相穩(wěn)定元素）是提高鈦合金的高溫性能及耐腐蝕性能的重要手段。若β 相穩(wěn)定元素含量不足，無法起到強(qiáng)化改善的作用；添加過多，不僅會(huì)增加鈦合金的成本和密度，還容易形成元素偏析或大量脆性中間相，從而影響材料性能。因此，β 相穩(wěn)定元素的選擇和含量的精確控制是需要著重考慮的。

筆者在現(xiàn)有TC4 鈦合金成分基礎(chǔ)上，分別開發(fā)了兩種新成分鈦合金，TC4 基鈦合金化學(xué)成分見表1。從表1 可以看出：一種是TC4 合金添加了Ru 和 Bi 等；另一種為 TC4-NiNb 合金［13］，添加微量的β 相穩(wěn)定元素Ni 和Nb，能提高鈦合金的抗氧化性和固溶強(qiáng)化作用［14］，提高強(qiáng)度、高溫性能、耐蝕性等性能指標(biāo)，配合熱軋后熱處理工藝還可改善產(chǎn)品的綜合性能，可廣泛應(yīng)用于服役工況苛刻的油氣井行業(yè)，比現(xiàn)有的高合金鈦合金無縫管和鎳基合金無縫管更具經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性，可對(duì)我國石油工業(yè)的發(fā)展具有極大的促進(jìn)作用。TC4-NiNb 合金管坯及熱軋態(tài)管材的金相組織如圖1 所示。

表1 TC4 基鈦合金化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）%

圖1 TC4-NiNb 合金管坯及熱軋態(tài)管材的金相組織

2.2 鈦合金無縫管新工藝

無縫管材加工流程如圖2 所示。傳統(tǒng)無縫鋼管生產(chǎn)工藝為：1→2→3→5→6→7→（8→9）→11，生產(chǎn)線采用一套環(huán)形加熱爐或斜底式加熱爐用于加熱坯料，其加熱的坯料因長(zhǎng)時(shí)間的爐內(nèi)均熱會(huì)導(dǎo)致表面滲氧層的存在，采用該工藝生產(chǎn)鈦合金無縫管時(shí)，會(huì)使得鈦合金無縫管內(nèi)外表面質(zhì)量差、缺陷多，且同一時(shí)段只能實(shí)現(xiàn)鋼管或鈦合金管單一品種的軋制，生產(chǎn)切換能耗高、周期長(zhǎng)、設(shè)備利用率低，不能實(shí)現(xiàn)短流程生產(chǎn)。

圖2 無縫管材加工流程示意

鑒于此，筆者提出了一種適合鈦管生產(chǎn)的短流程工藝：4→5→6→7→10→11，即在傳統(tǒng)無縫鋼管生產(chǎn)線上增加鈦坯加熱爐，用環(huán)形加熱爐加熱鋼坯，鈦坯加熱爐加熱探傷合格的鈦坯，以便于兩者可以使用同一條生產(chǎn)線，容錯(cuò)率高，提高了設(shè)備利用率，而且還可減少鈦坯加熱過程中的吸氧、吸氫。在計(jì)劃軋制的鈦管和鋼管規(guī)格相同時(shí)，從鋼管軋制可直接切換至鈦管軋制。切換時(shí)，對(duì)穿孔機(jī)導(dǎo)板、頂頭和軋管機(jī)芯棒或頂頭做潤(rùn)滑處理，使穿孔過程更加順滑，盡可能減少管壁缺陷和管坯變形過程中的切向剪切應(yīng)力，避免橫鍛效應(yīng)，從而得到質(zhì)量均勻的荒管。精軋中對(duì)毛管內(nèi)壁進(jìn)行潤(rùn)滑，有效地減少了軋輥和鈦管之間的摩擦因數(shù)，降低軋制力，避免軋輥與鈦管之間因摩擦而使鈦管軋入雜質(zhì)，有效提高了軋件表面質(zhì)量和內(nèi)部性能。隨后，根據(jù)軋制后毛管的溫降程度，選擇經(jīng)電感應(yīng)補(bǔ)熱后定（減）徑或直接定（減）徑軋制，再經(jīng)溫矯直、冷卻、磨光或無心車削，生產(chǎn)出高質(zhì)量鈦合金無縫管。該工藝通過坯料加熱流程的改變，可以實(shí)現(xiàn)不同加熱工藝和不同軋制溫度產(chǎn)品的共線生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)鋼管和鈦管混合軋制，可用于高強(qiáng)度鈦合金或純鈦管的短流程加工，設(shè)備利用率高，解決交換耗時(shí)且生產(chǎn)效率低的問題。

鈦合金無縫管同鋼管類似，可以通過熱處理獲得不同組織結(jié)構(gòu)來發(fā)揮其多功能的用途［9］，但其本質(zhì)與鋼質(zhì)管材又有所不同，這是由鈦合金本身的材料屬性所決定的。通常鈦合金有效的熱處理工藝為固溶處理+時(shí)效處理，鈦合金進(jìn)行兩相區(qū)固溶是為了保證合金元素在β 相中充分固溶，以獲得可以產(chǎn)生時(shí)效強(qiáng)化的亞穩(wěn)態(tài)β 相，固溶后的冷卻速度會(huì)對(duì)亞穩(wěn)態(tài)β 相分解的抑制程度造成影響，進(jìn)而影響α 相和β 相的占比，空冷比水冷條件下的α相的比例大，而且冷卻速度低可以使片層厚度增加，水冷會(huì)有部分針狀馬氏體出現(xiàn)［15-16］。時(shí)效處理之前的亞穩(wěn)相會(huì)影響時(shí)效處理后其分解的微觀組織，空冷時(shí)效由于亞穩(wěn)相的分解導(dǎo)致時(shí)效后的細(xì)針組織降低，雖然強(qiáng)度會(huì)略低于水冷時(shí)效，但是韌性和抗疲勞損傷性顯著提高，滿足油氣井的使用環(huán)境要求。另外，對(duì)于超長(zhǎng)尺寸大直徑鈦合金油井管，為了防止淬火變形和提高經(jīng)濟(jì)效果，固溶空冷工藝相比具有更好的工藝穩(wěn)定性。

因此，在穿孔+軋制+熱處理的工藝基礎(chǔ)上，開發(fā)了一種無縫管鋼材和鈦材共用一條生產(chǎn)線的高效率、短流程加工工藝，避免鈦材無縫管、鋼材無縫管生產(chǎn)切換過程中環(huán)形爐的降溫和升溫操作，可以實(shí)現(xiàn)及時(shí)安排生產(chǎn)計(jì)劃；此外，還可以實(shí)現(xiàn)在線固溶處理，更好地調(diào)控鈦合金無縫管的組織和力學(xué)性能，以實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度、高韌性鈦合金油井管的生產(chǎn)。采用該工藝試制了TC4-NiNb 合金無縫管。先在TC4 基鈦合金化學(xué)成分的基礎(chǔ)上，通過適當(dāng)?shù)腘i、Nb 合金化，開發(fā)出高強(qiáng)度、高韌性鈦合金管材料TC4-NiNb，再將真空電弧爐熔煉的坯料鍛造后的鈦合金管坯加熱，穿孔獲得毛管，并獲得（α+β）兩相組織，在鈦合金的兩相區(qū)溫度范圍（820～950 ℃）進(jìn)一步連軋或斜軋即在兩相區(qū)溫度進(jìn)行塑性變形以獲得荒管，然后加熱至固溶溫度（850～950℃）保溫一定時(shí)間即在線固溶處理，部分片層組織經(jīng)兩相區(qū)變形動(dòng)態(tài)多邊形化和再結(jié)晶完成向球化組織的轉(zhuǎn)變，而后再經(jīng)后續(xù)定（減）徑及時(shí)效處理等工序，最終使成品Φ139.7 mm 鈦合金無縫管獲得片層球化混合微觀組織。Φ139.7 mm 鈦合金無縫管的沖擊斷口由細(xì)小韌窩所構(gòu)成，是典型的韌性斷裂，此組織較單純的片層、網(wǎng)籃和雙態(tài)組織不僅具有較好的強(qiáng)度和塑性，同時(shí)還具有較高的高溫性能和抗疲勞斷裂韌性。TC4-NiNb 鈦合金在線熱處理管材掃描電鏡照片如圖3 所示，力學(xué)性能見表2，其室溫強(qiáng)度較常規(guī)TC4 鈦合金的強(qiáng)度可提高100 MPa以上，產(chǎn)品性能可以達(dá)到P110 或Q125 鋼級(jí)油井管性能標(biāo)準(zhǔn)要求。該高效率、全流程熱加工及在線熱處理工藝能有效替代傳統(tǒng)熱擠壓工藝及離線熱處理工藝，這對(duì)于實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度、高韌性鈦合金油井管的關(guān)鍵工藝生產(chǎn)及其應(yīng)用具有十分重要的意義。

圖3 TC4-NiNb 鈦合金在線熱處理管材掃描電鏡照片

表2 TC4-NiNb 鈦合金在線熱處理管材的力學(xué)性能

3 結(jié) 語

（1） 高經(jīng)濟(jì)性的鈦及鈦合金無縫管已成為高壓高溫、超高壓高溫?zé)崴嵝杂蜌饩_發(fā)用管的理想選擇，國內(nèi)外均在積極開發(fā)油氣井用鈦合金管材，其應(yīng)用前景廣闊。

（2） 對(duì)于超長(zhǎng)大尺寸的油氣井用高強(qiáng)度、高韌鈦合金無縫管，完全可以采用全流程優(yōu)化設(shè)計(jì)的熱軋工藝進(jìn)行生產(chǎn)，這可有效提高成型過程的穩(wěn)定性，顯著改善成品管的組織性能及內(nèi)外表面質(zhì)量，并有效降低工具損耗，提升軋制成材率。