钛(Ti)是(shi)20世(shi)纪50年(nian)代发(fa)展起来的(de)一(yi)种(zhong)重(zhong)要(yao)的结构(gou)金(jin)属，由(you)于钛具(ju)有强度高，密(mi)度(du)小、超(chao)强(qiang)耐(nai)腐(fu)蚀(shi)性(xing)，对人体无毒，耐(nai)热(re)性高等(deng)优(you)点(dian)，被(bei)广(guang)泛(fan)应用(yong)于(yu)航空(kong)、航(hang)天(tian)、船(chuan)舶(bo)、化(hua)学(xue)化工、医(yi)疗、海(hai)洋工(gong)程和(he)石(shi)油(you)石(shi)化等各(ge)个(ge)领域，被(bei)誉为(wei)“太(tai)空(kong)”金(jin)属、“海洋(yang)”金属(shu)和(he)第(di)四(si)代(dai)金(jin)属(shu)。钛和(he)铝一(yi)样，可以与(yu)其(qi)他(ta)一(yi)些(xie)金属(shu)元素(su)形(xing)成(cheng)合(he)金(jin)，提高(gao)和(he)改善它的(de)力学(xue)性(xing)能与(yu)物(wu)理(li)特性(xing)，以(yi)适应(ying)不同(tong)的(de)需要。
通(tong)常，人(ren)们会(hui)认为(wei)钛属于(yu)“稀(xi)有(you)元素(su)”，其(qi)实不(bu)然。钛(tai)在地(di)壳中(zhong)的(de)丰(feng)度为0.61％，在所有按元(yuan)素(su)中居第9位，而(er)在(zai)可(ke)作为(wei)结构(gou)材(cai)料(liao)的金属(shu)中(zhong)居(ju)第(di)4位，仅(jin)次(ci)于(yu)Al、Fe、Mg，其(qi)储量(liang)比(bi)常见金属(shu)cu，Pb，zn储(chu)量(liang)的(de)总(zong)和(he)还(hai)多(duo)圈(quan)。全(quan)球有三十多(duo)个(ge)国(guo)家(jia)拥有钛(tai)资源(yuan)，我(wo)国钛资源(yuan)非(fei)常丰富(fu)，钛资源储(chu)备约两亿吨，占(zhan)到(dao)全球总(zong)储(chu)量的(de)28.9％，钛(tai)矿(kuang)储量位(wei)居(ju)世界第一。
随着国内外(wai)油气(qi)资源需求(qiu)的逐(zhu)渐(jian)增长(zhang)，促(cu)使(shi)石(shi)油(you)天(tian)然(ran)气勘探开发不断(duan)深入(ru)，所(suo)遇(yu)环境和地层条(tiao)件也(ye)越来越(yue)复(fu)杂。如(ru)超过7000m的深(shen)井(jing)越来越(yue)常(chang)见；海(hai)洋钻(zuan)井已不满足于(yu)滩(tan)海和浅(qian)海(hai)，逐渐向深(shen)水(shui)进(jin)军(jun)；陆地上，以(yi)往难以(yi)开采的(de)三高(高(gao)温、高(gao)压(ya)、高(gao)腐蚀)气(qi)井，也开(kai)始(shi)攻克。与此(ci)同(tong)时，钻(zuan)完井工(gong)具、井(jing)口设(she)备、输油管线(xian)等将面(mian)临(lin)多(duo)种问题朗(lang)。钛及钛合金由(you)于(yu)多(duo)种的(de)优良(liang)特性，已经成(cheng)为油气(qi)勘(kan)探开(kai)发(fa)中(zhong)必不(bu)可少的(de)新材料。国(guo)内(nei)外(wai)石油行业(ye)已(yi)制(zhi)定多项(xiang)钛(tai)合金(jin)相关标(biao)准(zhun)，如ASTM B337无缝(feng)及焊接钛(tai)合(he)金管(guan)标准规范(fan)，SY/T 6896.3《石(shi)油天(tian)然(ran)气(qi)工(gong)业特种管材(cai)技(ji)术规(gui)范(fan)第3部(bu)分(fen)：钛(tai)合(he)金(jin)油管(guan)》等。
1、钛合(he)金材料特性
1.1 密度低(di)、比强度高(gao)
钛(tai)的(de)密度(du)为(wei)4.506g/cm3~4.516g/cm3(20℃)，比铝(lv)密(mi)度2.70g/cm3高，低(di)于(yu)常用(yong)铁(tie)、铜(tong)、镍。几种常用的(de)海(hai)洋船(chuan)舶(bo)用(yong)金(jin)属材(cai)料(liao)的(de)比(bi)强(qiang)度(见(jian)表1)。在常规温度(du)范(fan)围(wei)内(nei)(一253℃～600℃)，钛(tai)合金的比(bi)强(qiang)度(du)(抗拉(la)强(qiang)度／密(mi)度)在(zai)所(suo)有(you)金属(shu)材料(liao)中最高(gao)。
比强度高的优(you)势在于(yu)：(1)可使(shi)设(she)备(bei)设计更(geng)加(jia)紧(jin)凑，大幅减小(xiao)结构(gou)质量；(2)大(da)幅提高设(she)备的技术水(shui)平(ping)，提升功(gong)能(neng)；(3)提(ti)高(gao)装(zhuang)备的(de)安(an)全性(xing)。
1.2 优异(yi)的(de)耐(nai)腐蚀性能(neng)
钛是一(yi)种(zhong)活(huo)性(xing)较高的金(jin)属(shu)，而钛(tai)及钛合(he)金(jin)却(que)具有良好的耐腐(fu)蚀性(xing)能(neng)，这是(shi)由(you)于钛(tai)表(biao)面(mian)形成(cheng)致(zhi)密(mi)而稳定(ding)的(de)氧(yang)化钛膜(mo)。几(ji)种金属(shu)材料(liao)在流动海水(shui)中腐蚀(shi)速(su)率的比(bi)较(见(jian)表(biao)2)，由表(biao)2可以(yi)看(kan)到(dao)钛在海水中几乎不(bu)会发生(sheng)腐(fu)蚀问，在(zai)更(geng)为(wei)恶(e)劣(lie)的高(gao)含硫(liu)环(huan)境下(xia)，钛(tai)合金的腐(fu)蚀(shi)速(su)率也(ye)是(shi)极低(di)的(de)。
良(liang)好(hao)的(de)耐腐蚀(shi)性能(neng)使得(de)钛(tai)合金在(zai)各(ge)种腐(fu)蚀(shi)条(tiao)件下游(you)刃(ren)有(you)余(yu)，可与整(zheng)体(ti)结构(gou)同寿(shou)命(ming)设计(ji)，减少(shao)维护(hu)成本(ben)，提(ti)高服(fu)役能力(li)；减(jian)少腐(fu)蚀(shi)富裕量设计，大幅(fu)减(jian)小(xiao)设备(bei)结(jie)构质(zhi)量(liang)；无需涂层保(bao)护，简化设(she)备(bei)制(zhi)造工艺(yi)，降低(di)制(zhi)造(zao)成(cheng)本。
1.3 抗疲(pi)劳(lao)、耐(nai)冲(chong)击(ji)
钛具有优(you)异的(de)抗(kang)冲击性(xing)能，在(zai)-60℃~20℃范(fan)围(wei)内(nei)，抗冲(chong)击系(xi)数(shu)达0.63以(yi)上(shang)，无(wu)明(ming)显(xian)的脆性转(zhuan)变(bian)点，是(shi)镍(nie)基(ji)合(he)金的(de)2.5倍(bei)以上(shang)，是(shi)B30的4倍(bei)以上；断(duan)裂(lie)韧(ren)性(xing)较高，断(duan)裂韧性在80 MPa·m1/2~110 MPa·m1/2 ，从比(bi)韧度(du)(KJRp ) 与(yu)(R以 )的(de)关(guan)系曲(qu)线(xian)可以(yi)看出，钛(tai)的断裂(lie)韧性(xing)最高，钢(gang)次(ci)之，铝(lv)合(he)金最差(cha)；疲劳(lao)强(qiang)度高，对于大(da)型(xing)焊(han)接结(jie)构和壳体，产生(sheng)高(gao)应力(li)低(di)周(zhou)数破(po)坏时的应力(li)循环周(zhou)数一(yi)般不超(chao)过(guo)105周，而(er)钛材均在(zai)107周以上。
2、钛合(he)金(jin)在(zai)石(shi)油(you)行业中的(de)应(ying)用(yong)
2.1 钛合(he)金钻杆
近(jin)年(nian)来(lai)，为提(ti)高原油采(cai)收(shou)率(lv)，降(jiang)低油(you)气田开(kai)采(cai)成本(ben)，延(yan)长油(you)气(qi)田(tian)开发(fa)寿(shou)命，复杂结构(gou)井(jing)越(yue)来(lai)越(yue)多，如(ru)大位(wei)移井、短(duan)半径(jing)水平井、老(lao)井(jing)开(kai)窗侧钻(zuan)水(shui)平井(jing)。常(chang)规钻(zuan)杆(gan)在(zai)这(zhe)些复杂结构井应用时遇(yu)到(dao)了一些(xie)难(nan)以(yi)解决的问题(ti)。如在(zai)超短半(ban)径(jing)水平(ping)井(jing)中(zhong)，井眼(yan)曲率(lv)很小(<18 m)，这(zhe)使得(de)常(chang)规钻(zuan)杆产生(sheng)很(hen)大(da)的交(jiao)变应力。交(jiao)变(bian)应(ying)力(li)引起(qi)钻杆疲(pi)劳(lao)断(duan)裂的情(qing)况时(shi)有发生，给(gei)油(you)田(tian)带(dai)来重(zhong)大(da)的损失(shi)。为(wei)解(jie)决(jue)这(zhe)些问(wen)题(ti)，国(guo)外(wai)开始从新材料上着(zhe)手(shou)，研(yan)制(zhi)钛合(he)金(jin)钻杆(gan)、铝(lv)合金(jin)钻(zuan)杆(gan)、复(fu)合钻杆等(deng)代替常规钻杆(gan)。
实(shi)验(yan)室证实，当(dang)周期(qi)应(ying)力(li)处于(yu)30 000 psi~40 000 psi时，钛的疲劳(lao)寿(shou)命(ming)是(shi)普通(tong)钢(gang)材的(de)10倍，钛合金(jin)管材(cai)的弹(dan)性系数约(yue)为16.5 msi，弹性比(bi)钢制钻(zuan)杆要(yao)好(hao)，更适于(yu)高(gao)曲率(lv)井(jing)段(见(jian)表(biao)3)。目(mu)前已经(jing)生产出(chu)经济性(xing)较(jiao)好(hao)的(de)钛合金钻杆(gan)，由(you)材料(liao)为Ti一(yi)6AI一(yi)4V的管体(ti)经两(liang)端(duan)镦(dui)粗后、在两(liang)端(duan)对(dui)焊工具(ju)接头(tou)组(zu)成(cheng)，管体尺寸(cun)满足API标(biao)准、长(zhang)度范围为(wei)API标准(zhun)规定的范(fan)围(wei)2或3。为降低(di)制造(zao)成本(ben)，工(gong)具接(jie)头(tou)采用钢(gang)制，接头螺纹经(jing)过上(shang)卸(xie)扣(kou)磨合，接(jie)头(tou)外(wai)径敷焊(han)耐磨(mo)带(避(bi)免接(jie)头(tou)磨(mo)损(sun)后(hou)用普(pu)通焊条(tiao)补焊(han))。
国(guo)外某油田在(zai)小(xiao)曲率(lv)井(jing)中应用钛(tai)合(he)金钻(zuan)杆(gan)次(ci)数已达数(shu)百(bai)口(kou)(见表(biao)4)。
钛合(he)金钻(zuan)杆(gan)在超(chao)深井、大位(wei)移井(jing)中也(ye)有(you)应(ying)用。由于钛合(he)金密(mi)度(du)低，可(ke)降(jiang)低(di)大钩(gou)载荷30％，降(jiang)低扭(niu)矩30％～ 40％，显著(zhu)提(ti)高(gao)钻具的拉(la)力余(yu)量(liang)与安(an)全系(xi)数，提(ti)高处理(li)事(shi)故复(fu)杂能力(li)。
2.2 钛合金(jin)油套(tao)管
我国的天(tian)然气资源中大(da)部(bu)分(fen)都(dou)是(shi)含(han)硫气田，如新(xin)疆塔(ta)里(li)木、四(si)川盆(pen)地都(dou)属于高(gao)含硫(liu)油气田(tian)。高腐(fu)蚀性油(you)气田的(de)开发(fa)已(yi)成为石油(you)天然气工(gong)业面临(lin)的重(zhong)大难(nan)题(ti)。国内(nei)外对(dui)高(gao)含H2S2、C2O2 油(you)气(qi)田的管材防腐问题展了多(duo)年(nian)的研究(jiu)，防(fang)腐措(cuo)施大(da)致有(you)三类(lei)：加(jia)缓(huan)蚀剂、防(fang)腐涂层、耐(nai)腐(fu)蚀(shi)管(guan)材(cai)。前(qian)两(liang)者(zhe)在一定(ding)程度(du)上(shang)可(ke)以起(qi)到防(fang)腐(fu)作用，但解(jie)决(jue)不(bu)了高温(wen)高(gao)压条(tiao)件下长期(qi)服(fu)役的防腐。因(yin)此，选取优质的(de)耐腐(fu)蚀材料作管(guan)材已成为主(zhu)导(dao)趋势(shi)。
耐(nai)腐(fu)蚀金(jin)属管材主要有(you)两大(da)类：镍(nie)基合(he)金(jin)和钛合(he)金(jin)。目(mu)前镍基合(he)金(jin)使(shi)用较为(wei)广(guang)泛，但镍基(ji)合金管(guan)材也(ye)存在如加工(gong)工(gong)艺(yi)复(fu)杂(za)、材(cai)料(liao)成本高(gao)、管(guan)材(cai)表(biao)面(mian)易损(sun)伤(shang)等(deng)缺(que)陷(xian)。而(er)且我(wo)国是(shi)红土镍(nie)矿资源较为(wei)缺乏(fa)的(de)国(guo)家(jia)之(zhi)一，全(quan)国(guo)红(hong)土镍(nie)矿(kuang)保有(you)量仅占(zhan)全部镍(nie)矿资源(yuan)的9.6％，且(qie)国(guo)内(nei)红土镍矿品(pin)位(wei)较低，开(kai)采(cai)成本比较高(gao)，这就(jiu)意(yi)味着(zhe)我(wo)国在(zai)红(hong)土镍(nie)矿方面(mian)并没(mei)有竞争(zheng)力。因(yin)此，从(cong)长远(yuan)来讲(jiang)依赖镍基(ji)合(he)金不利于(yu)油气(qi)战(zhan)略(lve)发展(zhan)。我国(guo)钛(tai)资(zi)源丰(feng)富，钛铁矿(kuang)储量(liang)达2亿(yi)吨，占全球(qiu)储量(liang)28％，排(pai)名(ming)全(quan)球第(di)一。
钛(tai)合金以(yi)其优异的抗(kang)点(dian)蚀性能，近年(nian)来开(kai)始逐(zhu)渐(jian)应用于高含硫(liu)环境(jing)中(zhong)。特(te)别(bie)是工况条件(jian)比较(jiao)恶劣，CL和H2S含(han)量很高，一般(ban)的不锈钢，甚至是(shi)镍(nie)基合金(jin)都会(hui)发生腐(fu)蚀(shi)的(de)情(qing)况(kuang)下(xia)。
通过(guo)多年的(de)研制(zhi)，目(mu)前(qian)已经(jing)形(xing)成(cheng)与(yu)普(pu)通(tong)钢材(cai)对应的油(you)套管用(yong)钛合金材料(liao)(见表5)。钛合(he)金油(you)管力学(xue)性(xing)能与镍(nie)基(ji)合金油(you)管(guan)力(li)学性(xing)能相当，接头(tou)强(qiang)度(du)达到标准IS010400对(dui)P110钢级的(de)要(yao)求(qiu)。
忠(zhong)世(shi)高新(xin)材料股份(fen)有(you)限公(gong)司(si)研制(zhi)的钛(tai)合(he)金(jin)油(you)管，通过(guo)了(le)API RP 5C5规定(ding)的上卸扣试验，并进行(xing)了爆破(po)试验，打压(ya)173MPa发(fa)生(sheng)爆破(po)，爆(bao)破形貌为纵向(xiang)开(kai)裂(lie)， 符合使用(yong)要(yao)求（见图1 ) 。
2.3 钛(tai)合金(jin)输送(song)管线
由(you)于钛合金管易(yi)于(yu)弯曲，并具(ju) 有极(ji)高(gao)的抗海(hai)浪冲(chong)击和(he)平(ping)台(tai)移(yi)动造成(cheng)的(de)动(dong)态应力腐蚀疲劳强度(du)，钛(tai)合金(jin)管(guan)抗(kang)应力(li)腐蚀(shi)疲(pi)劳(lao)强(qiang)度(du)比(bi)现(xian)用(yong)碳(tan)钢高(gao)10倍以(yi)上，同(tong)时铺(pu)设(she)海(hai)管(guan)时钛(tai)合(he)金(jin)管(guan)适应铺设(she)过(guo)程(cheng)中(zhong)的(de)弯(wan)曲变(bian)形工(gong)况。钛合金输送(song)管(guan)线(xian)焊(han)接(jie)性(xing)能(neng)良(liang)好，单面(mian)焊接双(shuang)面(mian)成型(xing)技(ji)术保(bao)证焊(han)缝(feng)均(jun)匀(yun)可靠(kao)（见(jian)图2 ) , 并目钛合金(jin)输(shu)送管(guan)线机械(xie)性(xing)能(neng)优(you)异 ，通(tong)过管体拉(la)伸力学性能测(ce)试、示(shi)波(bo)冲(chong)击试验、管体(ti)压(ya)扁(bian)试(shi)验(yan)、断裂(lie)韧(ren)度KIC测试。
2.4 海洋钻井平台零(ling)件(jian)、隔水管(guan)
海(hai)洋钻(zuan)井(jing)平台要求高于(yu)陆地(di)钻井平台(tai)，早(zao)在20世(shi)纪90年(nian)代，国(guo)外就(jiu)已经将钛(tai)合(he)金(jin)运用到(dao)海洋钻(zuan)井(jing)平(ping)台(tai)的各(ge)个方面。北(bei)海(hai)油(you)田挪(nuo)威分(fen)部(bu)的(de)海德(de)威(wei)油(you)田半潜(qian)式浮(fu)动钻(zuan)井(jing)平台巳(si)使用(yong)钛合(he)金(jin)作为隔(ge)水(shui)管，降(jiang)低整个(ge)系统(tong)质(zhi)量(liang)达50% , 从(cong)而(er)将隔水管(guan)提升力降低了63%, 省去了巨(ju)大的(de)柔性(xing)接(jie)头，系(xi)统成本(ben)降(jiang)低(di)了40%, 预(yu)计(ji)服务年限(xian)可达(da)25年(nian)之(zhi)久(jiu)（见(jian)图3 )。
除此(ci)之外，海(hai)洋(yang)钻(zuan)井平(ping)台(tai)上(shang)冷(leng)却系统中(zhong)的(de)热交换器(qi)使用(yong)了钛(tai)制(zhi)管(guan)状冷(leng)却(que)装(zhuang)置；各(ge)种类型(xing)的泵(beng)（如(ru)深井(jing)泵(beng)、离(li)心泵）均(jun)采(cai)用(yong)了铸(zhu)钛(tai)泵体和(he)钛(tai)合金叶(ye)轮(lun)；各种(zhong)阀门(men)及其(qi)他管(guan)件配(pei)件也采(cai)用了(le)钛制品，减(jian)少(shao)了维护(hu)工(gong)作(zuo)量（见(jian)图 4 )。
3、结(jie)论
(1)钛及(ji)钛(tai)合金由于密度低、比强度高(gao)、抗(kang)疲劳、耐(nai)腐(fu)蚀等(deng)特(te)性，在(zai)石(shi)油天(tian)然(ran)气(qi)勘探(tan)斤(jin)发(fa)中的应用前景广阔(kuo)，日(ri)前内外(wai)已经(jing)研(yan)制出钛(tai)合(he)金(jin)钻杆(gan)、油(you)管(guan)、套管(guan)、接(jie)箍、输送(song)管(guan)、连(lian)续(xu)油(you)管、阀门(men)、泵等(deng)多(duo)种钛(tai)制产品(pin)。
(2)在极(ji)度苛(ke)刻(ke)的腐(fu)蚀(shi)性(xing)环(huan)境下(xia)，钛(tai)合(he)金产(chan)品(pin)依(yi)然(ran)能(neng)满(man)足防腐需求，同(tong)样(yang)长(zhang)度(du)、直(zhi)径、厚度(du)和强(qiang)度的钛合(he)金(jin)管材(cai)成本要低(di)于G3镍基合金，因此(ci)有取(qu)代镍基合(he)金管(guan)材趋(qu)势。
(3)钛(tai)合(he)金(jin)产品(pin)的(de)加(jia)入，减轻了系(xi)统(tong)整(zheng)体(ti)质(zhi)量，设备更(geng)加(jia)町(ting)靠(kao)，使(shi)得(de)海(hai)洋钻(zuan)井平(ping)台可(ke)以(yi)进(jin)入(ru)更(geng)深的水(shui)域(yu)，延(yan)长平(ping)台服(fu)役(yi)年限(xian)。
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