鈦合金石油管材標準化技術(shù)進展及展望

Progress and Prospect of Standardization Technology for Titanium Alloy OCTG

XU Ting1 ZHANG Chengguang2 ZHANG Hua1 LI Ru1 LI Yanhua1 ZHANG Xuan3 YUAN Juntao1

（1.CNPC Tubular Goods Research Institute;2.Science and Technology Management Department，China National Petroleum Corporation;3.XianyangBOMCO Steel Tubeamp; Wire Rope Co.，Ltd.）

Abstract：Tiaumallymaterialsposes excellentpropertiessuchashighstrength，lowesityorrosionristac，low elasticmodulus，matureprocessngtechnology，andresistancetorosionandcouring，makingthemoneofthepefered materials for new upscale market ofoil country tubular goods （OCTG）.Due to the diferences inchemical composition， microstructure，elastic modulus，mechanical properties and processing techniques between titanium alloy materialsand steel materials，the standards system forsteel OCTG is not applicable totitaniumaloy OCTG.Therefore，determining the key technical parameters oftitanium alloy OCTGand developing standards become the curent research andapplication hotspots in the field of high-performance OCTG used in oil and gas drilling and production.

Keywords： titanium alloy; OCTG; standardization

0 引言

不僅是油氣資源開采、輸送和使用的必經(jīng)通道，而且涉及多學科、多環(huán)節(jié)、用量大、花錢多、類型復雜、服役環(huán)境苛刻，在石油工業(yè)中占有很重要的地油井管在油氣勘探開發(fā)中采購量大、費用高，位。例如，油管柱和套管柱通常要承受幾百甚至上千個大氣壓的內(nèi)壓或外壓，幾百噸的拉伸載荷，還有高溫及嚴酷的腐蝕介質(zhì)的作用，油套管的安全可靠性、使用壽命和經(jīng)濟性對石油工業(yè)關(guān)系極其重大。由于鈦合金材料具有高強度、低密度、耐腐蝕、彈性模量低、加工制備技術(shù)成熟、耐沖蝕、沖刷等優(yōu)良特性，成為新型高端石油管材的優(yōu)選材料之一。

目前，在國際上美國、日本、挪威等國在20世紀80年代初就開發(fā)出了多種牌號商業(yè)化鈦合金材料的油管、套管、連續(xù)管、鉆桿、海洋鉆井隔水管和懸鏈式立管等系列化產(chǎn)品，在勘探開發(fā)領(lǐng)域海洋油氣、高腐蝕環(huán)境和地熱井得到大量工業(yè)化應用。鈦合金油井管國際上的主要制造企業(yè)分布在有美國RMITitaniumCompany、Weatherford子公司GrantPrideco，RTI能源系統(tǒng)公司、Unocal石油公司和Chevron公司，新西蘭QuestIntegrityNZLLtd以及日本的住友金屬等。我國寶鋼集團、天津鋼管、攀鋼集團、寶鈦集團、中世鈦業(yè)等均有鈦合金油井管產(chǎn)品，并且在中石化四川元壩區(qū)塊、隨州區(qū)塊、塔里木盆地和南海天然氣水合物開采進行了使用。

我國油井管標準體系是主要圍繞鋼質(zhì)油井管而建立的，包含鋼制油套管、鉆桿、連續(xù)油管等標準。由于鈦合金材料從材料成分、微觀組織、彈性模量、力學性能及加工制備工藝，試驗方法、使用乃至搬運、包裝及儲存都與鋼制油套管有巨大的區(qū)別，與鋼制標準體系不適用。因此確定鈦合金石油管材關(guān)鍵技術(shù)指標及開展標準研制，成為近年來石油管材標準化工作的重點任務(wù)。

MPa的鈦合金管材[]， α+β 型合金由于可以使用熱處理強化而具有較好的強度和韌性匹配，可以用作制備較高強度要求的鉆桿、油套管及部分海洋勘探用立管[2。

用于石油天然氣工業(yè)用鈦材料包括純鈦和鈦合金。中國工業(yè)純鈦的材料牌號為TA1、TA2、TA3，具有不同的力學性能。鈦加入其他合金元素后，可提高和改善其力學性能與物理性能。世界上已研制出的鈦合金有數(shù)百種，最著名的合金有20＼～30種，如：Ti-6Al-4V、Ti-5Al- ?2.5Sn 、Ti-2Al- 2.5Zr 、Ti-32Mo、Ti-Mo-Ni、Ti-Pd、SP-700、Ti-6242、Ti-10-5-3、Ti-1023、BT9、BT20、IMI829、IMI834，性能各異，劉強等對油氣開發(fā)用鈦合金油井管選材及工況適用性進行了研究[3]。

推薦用于油管和套管的鈦合金材料見表1。

1鈦合金石油管材選材

鈦合金材料按組織可大致分為 ∝ 型、 α+β 型和β型， ∝ 型鈦合金組織穩(wěn)定，耐磨性高于純鈦，抗氧化能力強。在 500～600^°C 的溫度下，仍保持其強度和抗蠕變性能，但不能進行熱處理強化，所以一般強度不高于 689MPa 。但是如果在對強度及耐熱性有更高要求的條件下，鈦合金材料可以選擇β型或者近 β 型鈦合金，可以獲得強度高達1140＼～1242

2 鈦合金油套管標準的發(fā)展

目前關(guān)于油套管產(chǎn)品的國家標準為GB/T

19830—2023《石油天然氣工業(yè)油氣井套管或油管用鋼管》，主要以鋼鐵材料為基礎(chǔ)制定的。在鈦方面的相關(guān)標準為ASTMB337《無縫及焊接鈦合金管標準規(guī)范》、ASTMB363《單一合金鈦管及鈦合金管管件規(guī)范》、這些標準都是針對航天航空及海洋船舶用薄壁鈦管的技術(shù)規(guī)范，不適用于石油天然氣工業(yè)。

在行業(yè)巨大需求和用戶、企業(yè)的強烈要求下，工程材料研究院聯(lián)合眾多企業(yè)和用戶，通過多年的科學研究、試驗評價對鈦合金油管的選材、規(guī)格與性能、制造工藝、關(guān)鍵質(zhì)量控制點和檢驗進行深入研究分析，國際上首次建立起鈦合金油管的選材、制造、訂貨、檢驗及評價石油天然氣行業(yè)標準SY/T6896.3-2016《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》和SY/T6896.4-2018《石油天然氣工業(yè)特種管材技術(shù)規(guī)范第4部分：鈦合金套管》。

鈦合金油管和套管行業(yè)標準發(fā)布實施后，不但指導了企業(yè)的鈦合金油管生產(chǎn)制造，提高了產(chǎn)品質(zhì)量可靠性，同時也為我國苛刻工況中使用鈦合金油管提供了訂貨檢驗、質(zhì)量評估和安全管理依據(jù)，取得了良好的經(jīng)濟和社會效益。

3鈦合金鉆桿標準的發(fā)展

相較于傳統(tǒng)鋼制鉆桿，鈦合金鉆桿具有輕量化、耐腐蝕、長壽命、高柔性、無磁性五大優(yōu)點。同規(guī)格下鈦合金鉆桿的重量為常規(guī)鋼制鉆桿的 57% 這就意味了使用鈦合金鉆桿的鉆具更輕，鉆井施工也就可以選用級別較低的鉆機，可極大節(jié)約鉆機日費，從而降低鉆井成本。鉆桿標準主要包括GB/T29166—2021《石油天然氣工業(yè)鋼制鉆桿》、GB/T20659—2017《石油天然氣工業(yè)鋁合金鉆桿》、SY/T6509—2023《方鉆桿》、SY/T7826—2024《雙壁鉆桿》等，但這些標準都未包括鈦合金材料。

工程材料研究院組建鈦合金鉆桿標準研制團隊，在大量的科研研究、實驗室檢測試驗和現(xiàn)場驗證試驗的基礎(chǔ)上，進行了標準中的主要技術(shù)指標、參數(shù)、公式、性能要求、試驗方法、檢驗規(guī)則等技術(shù)條款的制定，并在生產(chǎn)制造過程和現(xiàn)場試驗應用中進行了驗證。在鈦合金材料性能指標方面，對TC4、TA15、TA8等鈦合金材料進行了分析、計算，通過大量的試驗數(shù)據(jù)，提出了鈦合金鉆桿的屈服強度、抗拉強度、硬度、沖擊韌性等性能指標；通過工業(yè)化生產(chǎn)制造，驗證了這些性能指標的可行性和合理性。在鈦合金鉆桿材料的試驗方法方面，對涉及的主要試驗方法根據(jù)國內(nèi)現(xiàn)狀及要求制定了試驗方法并進行了驗證。在鈦合金鉆桿的測量方法、檢驗及標記方面，制定了相應條款并進行了驗證分析。在鈦合金鉆桿的運輸和存儲方面，根據(jù)鈦合金鉆桿的特點，制定了相應條款并進行了驗證分析，GB/T41343—2022《石油天然氣工業(yè)鈦合金鉆桿》發(fā)布并實施。

隨著我國對高酸性油氣資源的開發(fā)和超過8000m 超深井的大量作業(yè)，以中國石油的塔里木油田和中國石化的西北油田為例，平均井深已超過8000m ，且油氣中含有硫化氫，鋼質(zhì)鉆桿的安全風險顯著提高，且 9000m 的鉆機日費成本是 7000m 鉆機的1.5倍，因此，對鉆柱的減重和生產(chǎn)的降本增效提出了嚴峻的考驗。此外，中國石油大慶油田老井區(qū)的二次開發(fā)，需要采用老井開窗側(cè)鉆，以最大限度的利用原有資源，節(jié)約開發(fā)成本，對鈦合金鉆桿也提出了重大需求。鈦合金鉆桿標準的制定，對保障鈦合金鉆桿的質(zhì)量水平，提高鈦合金鉆桿的安全，推進鈦合金鉆桿的應用，降低石油天然氣的開發(fā)成本，具有顯著的經(jīng)濟效益。

4鈦合金連續(xù)油管標準的發(fā)展

與碳鋼和不銹鋼連續(xù)油管相比，鈦合金連續(xù)油管具有3個顯著的優(yōu)點：良好的機械性能、優(yōu)異的耐蝕性和超長的耐疲勞壽命。首先，鈦合金連續(xù)油管材料的比強度遠高于碳鋼和不銹鋼連續(xù)油管。以鈦合金為例，鈦的密度為 4.51g/cm³ ，僅為鋼的 57% ，鎳基合金的 50% ，但其屈服強度卻超過許多合金結(jié)構(gòu)鋼，鈦合金管的比強度是普通P100鋼管的1.8倍，同規(guī)格下鈦合金連續(xù)油管的重量為碳鋼連續(xù)油管的 57% ，這就意味著使用鈦合金連續(xù)油管更輕。此外，鈦合金具有更高的高溫強度，普通結(jié)構(gòu)鈦合金在400 °C 以下使用時仍具有足夠的強度，并且其高溫強度明顯優(yōu)于不銹鋼。其次，鈦合金連續(xù)油管具有優(yōu)良的抗點蝕、應力腐蝕性能，對堿、氯化物、硫化氫、部分氧化性酸等有優(yōu)良的抗腐蝕能力。研究表明在含H2S氣體井況中，鈦合金的腐蝕抗力超過高端的Ni-Cr-Mo合金。最后，鈦合金材料具有優(yōu)異的抗疲勞性能。在相同應力水平下，空氣環(huán)境中鈦合金疲勞壽命比碳鋼高10倍以上，在腐蝕環(huán)境中鈦合金疲勞壽命比碳鋼高10倍以上，這對提高連續(xù)油管壽命具有重要意義。

國外鈦合金管開發(fā)企業(yè)都制定了本企業(yè)內(nèi)部的企標或使用指導手冊但對外界技術(shù)保密，現(xiàn)行發(fā)布的連續(xù)油管國際標準為APISpec5ST《連續(xù)油管規(guī)范》、APISpec5C7《油氣井用連續(xù)油管作業(yè)推薦作法》，國內(nèi)標準為GB/T34204—2017《連續(xù)油管》，SY/T7495《連續(xù)油管的維護與檢測》，以上的國內(nèi)外標準主要以常規(guī)碳鋼和高強度低合金鋼材料為基礎(chǔ)的標準，不適用于鈦合金連續(xù)油管；GB/T26057—2010《鈦及鈦合金焊接管》，所涉及的材料，壁厚，外徑尺寸等均不能覆蓋鈦及鈦合金連續(xù)管的產(chǎn)品類型，所考核的性能指標也與鈦及鈦合金連續(xù)管有很大的不同。

在目前可選用的油井管材料中，能滿足較高強度、低密度和耐蝕性能（因使用工況不同要求不同），并且制備加工工藝成熟有一定使用經(jīng)驗的輕合金材料主要是鈦合金材料，已成為目前高性能鉆采管材開發(fā)和有色金屬、油氣開發(fā)交叉領(lǐng)域研究與應用的熱點。

依托國家工信部產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同創(chuàng)新和戰(zhàn)略急需基礎(chǔ)產(chǎn)品攻關(guān)領(lǐng)域項目“石油開采用超長鈦合金連續(xù)管開發(fā)及產(chǎn)業(yè)化項目”，在項目的支撐下開展了大量鈦合金連續(xù)管用材料研發(fā)、板卷制備、成型焊接、熱處理及盤卷等實驗工作，并對國內(nèi)外能收集到的鈦合金板卷、焊管及連續(xù)管進行了理化性能、腐蝕性能、實物性能及疲勞性能評價，形成了標準中的性能要求和實驗評價方法，在此基礎(chǔ)上，形成國家標準《鈦及鈦合金連續(xù)油管》草案，并成功立項，現(xiàn)在處于征求意見階段。

5 結(jié)論及建議

（1）目前國內(nèi)已制定了石油管材核心產(chǎn)品，如：油管、套管、鉆桿和連續(xù)油管國家標準，制定了鈦合金石油管材關(guān)鍵技術(shù)指標和和試驗評價方法，這些標準的建立，填補了相關(guān)國內(nèi)標準的空白，滿足了復雜工況油氣開發(fā)的需要。

（2）由于石油管材產(chǎn)品的使用工況極為復雜和苛刻，僅靠單一產(chǎn)品標準還是無法滿足現(xiàn)場需求。在鈦合金石油管材的設(shè)計、使用維護、失效分析和完整性、鈦合金螺紋接頭實物試驗等方面，還存在標準缺失的問題。應持續(xù)開展配套標準的研制，持續(xù)完善鈦合金石油管材標準體系。

（3）我國是世界第一的鈦資源及產(chǎn)能大國，制造的鈦合金高端石油管材在國際市場上具有較高的性價比，目前缺乏鈦合金石油管材國際標準，影響我國高端鈦合金石油管材的對外貿(mào)易。應持續(xù)加快鈦合金石油管材國際標準的研制，為我國高端鈦合金石油管材進軍國際市場提供有力支撐和保證。

參考文獻

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