鈦合金是以鈦為基體，加入其他元素組成的合金，鈦合金的性能與所含碳、氮、氫、氧等雜質含量有關，其特點是比強度高、熱強度高、抗蝕性好、低溫性能好、化學活性大、導熱系數小、彈性模量小、無磁。

世界上許多國家都認識到鈦合金材料的重要性，相繼對其進行研究開發，并得到了實際應用。目前鈦合金主要用于制作飛機發動機部件，其次為火箭、導彈和高速飛機的結構件。

一、鈦合金的性能

1、優異的耐酸性氣體腐蝕性能

鈦管具有優異的抗硫化物應力腐蝕性能，抗點腐蝕性能，對氫致開裂不敏感，可在含H2S、Cl^-和CO₂共存條件下服役。

1.1 氫致開裂(HIC)試驗

依據標準NACETM0284—2000，采用A溶液，試驗后未發現表面氫鼓泡現象，證明鈦合金具有良好的氣致開裂性能。

1.2 抗硫化物應力開裂(SSC)試驗

依據標準NACETM0177—2000A法A溶液進行試驗，在拉伸應力80％σy、85％σy和90％σy載荷下720h實驗后均未發生開裂現象。

1.3 點蝕腐試驗

依據ASTM G48 試驗方法對石油用鈦合金管進行試驗，結果未發現點腐蝕現象。

1.4 高溫高壓含H2S／CO₂試驗

試驗總壓：25MPa；溫度：60℃；試驗時間：720h；H2S分壓：2.0MPa；CO₂分壓：3.5MPa。

試樣腐蝕前后質量沒有發生變化，試樣表面也沒有發現腐蝕或點蝕現象，具有優異的耐H₂S/CO₂腐蝕性能。

2、優異的海水耐蝕性能

幾種海洋工程用金屬材料在流動海水中腐蝕速率的比較如表1。

從表1可以看出，鈦合金在海水中沒有腐蝕，而與之對比的不銹鋼達到每年腐蝕0.029~0.07mm之間。

3、極高的比強度

幾種艦船用金屬材料的屈強比和比強度的對比如表2。

從表2中可以看出，鈦合金具有強度高、變形能力強的特點，特別是其密度低，考慮構件本身重量因素優勢更顯著。

4、焊接性能好

鈦及鈦合金的焊接性能非常優越，焊接方式通常采用等離子或鎢極氬弧焊，焊接過程應在惰性氣體保護下或真空狀態下進行，這較容易做到，而鈦合金焊縫拉伸強度可達到管體強度的90％以上。

二、鈦合金在石油工業應用前景

鈦合金在石油中應用范圍非常廣泛，就目前的經濟可替代性而言主要有以下方面。

1、鈦合金鉆桿

目前國內已生產出P110鋼級的鈦合金鉆桿，與常規普通鋼S135鉆桿相比，其優勢有：

1.1 可以使大位移井與水平井位移延伸更遠鈦合金密度僅4.5g/cm³。同樣壁厚與長度的鉆桿在常規密度為1.25g/cm³。的水平段鉆井液中其浮重僅為鋼質鉆桿的49％。這種情況下，摩阻力也僅為普通鉆桿的50％左右，而管柱的摩阻扭矩問題是大位移井技術的核心問題之一，它決定水平位移的最大延伸，因此鈦合金鉆桿可以更有利于大位移 井與三維叢式水平井。在國內目前工廠化鉆井越來越多情況下，鈦合金鉆桿使用范圍更大。

1.2 減少地面設備負荷

鈦合金鉆桿由于重量輕，導致扭矩減少近50％，有效減少了地面頂驅(轉盤)負荷，使這種損壞發生幾率大大降低，而負荷減少還會帶來柴油消耗的減少。

1.3 減少接頭的水力損失

鈦合金鉆桿重量輕，扭矩低，加工的鉆桿接頭可以不必如鋼鉆桿同樣的強化，通常水平井使用φ127mm S135鉆桿時，接頭內徑就由G105鉆桿的φ82.55mm減少到φ69.85mm，鈦合金鉆桿由于所受扭矩的減少，80鋼級的鉆桿可以在同樣位移時達到S135鋼級的強度效果(由于浮重減少51％，扭矩也會下降51％)。而X95鋼級的鉆桿接頭內徑則達到φ88.9mm。接頭內徑增大可以顯著降低循環壓耗。

鈦合金鉆桿與鋁合金鉆桿相比，優勢也非常突出，鈦合金與鋼鉆桿接頭性能非常接近，因此可以使接頭與本體為同一材質。而通常鋁合金鉆桿雖然也具有重量輕的特點，但由于鋁合金不耐磨損、強度較低，因此需要對接頭進行強化，接頭通常采用鋼質材料，這樣導致鉆桿重量降低有限。而且鋁合金強度與高強度鋼相比，還有一定差距，僅能達到鈦全套鉆桿的2/3左右。此外鋁合金鉆桿的材質硬度較低，導致鉆桿與井壁碰撞時發生較嚴重的本體劃痕磨損，因此難以使用。而鈦合金鉆桿則由于本體硬度可以接近于鋼質鉆桿，因此可以有效避免這一問題

鈦合金與常規鉆桿接頭材料性能對比如表3。

2、抗腐蝕油套管

對于同時含高濃度CO₂與H₂S的氣藏，普通的不銹鋼管和超級13Cr管材的耐腐性能已經滿足不了如此苛刻的腐蝕環境，需要采用鎳基油管(套管)，這類套管價格高達30萬t以上，如果使用單位重量價格與之類似的鈦合金管代替，則可以達到相似的抗腐蝕性能。而由于鈦合金的密度低，使其與單位長度、強度相同的鎳基管相比價格更低。

鈦合金無縫管通過第三方試驗檢測：

(1) 試驗用鈦合金油管具有優異的抗硫化氫應力腐蝕性能、抗點腐蝕和抗全面腐蝕性能，對氫致開裂不敏感，在本實驗高溫高壓條件下耐HS/CO腐蝕性能良好，具有和鎳基G3合金相當的耐腐蝕性能。

(2)試驗用鈦合金油管的力學性能均達到APISpec 5CT中對P110鋼級的力學性能要求，與P110鋼級的G3鎳合金油管力學性能相當，接頭連接強度達到標準ISO10400對Pll0鋼級的要求。

3、鈦合金連續管

采用鈦合金生產連續管則由于其重量輕，可以在同樣軸向力情況下，使井深增加近1倍(井筒工作液為清水)。此時連續管則適用于深井乃至超深井，鈦合金的良好的可焊接性能使這種應用可以不受運輸尺寸影響。

對于常規中深井來說，鈦合金連續管可以提高疲勞壽命，也有一定的意義，特別是對于高腐蝕環境更有效益。

4、鈦合金隔水管

海上鉆井中隔水管長期與海水接觸經受海水與海洋生物腐蝕，使用鈦合金可以有效解決這類腐蝕問題，而且鈦合金密度低，重量輕的特點可以使海上平臺適應鉆更深的水深。雖然深水隔水管可以采用浮力塊減少輕平臺負荷，但重量越大，浮力塊體積就相應增大，這在如中國南海等洋流速度較快地區，則增大了隔水管的側向力，這又帶來隔水管強度與平臺拖拽力。在海上鉆井平臺級別每增加一級，日費上漲以10萬元計，即使不考慮鈦合金沒有腐蝕、強度高等其它因素，僅平臺日費節省就可以在2—3年收回鈦合金隔水管投資。

三、認識與建議

(1)發展鈦合金在石油鉆井行業的應用，不僅可以節省成本投入，更能提高應對復雜條件的能力，特別是對于三維叢式水平井與大位移井、連續管作業等，鈦合金鉆桿更能提升作業能力，對于石油鉆井行業具有重要的意義。

(2)鈦合金鉆桿與連續管可盡快進行試驗性應用，如先裝備一支隊伍，取得應用效果后可規模推廣。

(3)鈦合金可以取代鎳基合金作為極端腐蝕環境下的油套管，可以減少這類井的成本投入。

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