钛合金材料在石化行业应用研究_刘强
石油化学工业中新材料的研究与应用
石油化学工业中新材料的研究与应用随着社会的发展和科技的进步，石油化学工业在人类经济发展中占据越来越重要的地位。
然而，石油资源的枯竭和环境问题的加剧，使得石油化学工业面临着巨大的挑战。
在这个背景下，新材料的研究和应用成为了石油化学工业发展的重要方向。
一、新型聚酰胺材料在石油化学工业中的应用聚酰胺材料具有优异的性能和广泛的应用前景。
在石油化学工业中，聚酰胺材料的应用主要集中在以下三个方面：1. 聚酰胺树脂的应用聚酰胺树脂是一种高分子化合物，具有优异的耐热性、机械性能和耐化学腐蚀性能。
在石油化工生产中，聚酰胺树脂被广泛应用于防腐、绝缘和耐热材料的制备中。
例如，聚酰胺树脂可以用于制备耐酸碱和耐高温的阀门密封件、管道衬里等。
2. 聚酰胺纤维的应用聚酰胺纤维具有高强度、高模量和优异的耐热、耐化学腐蚀性能。
在石油化工生产中，聚酰胺纤维被广泛应用于增强材料和防护材料的制备中。
例如，聚酰胺纤维可以用于制备耐化学腐蚀的管道衬里、耐高温的叶片材料等。
3. 聚酰胺泡沫塑料的应用聚酰胺泡沫塑料具有优异的隔热、防火性能和低温性能。
在石油化工生产中，聚酰胺泡沫塑料被广泛应用于绝缘和隔热材料的制备中。
例如，聚酰胺泡沫塑料可以用于制备储罐保温材料、隔热管道等。
二、新型有机硅材料在石油化学工业中的应用有机硅材料具有优异的耐高温、耐化学腐蚀和电气性能。
在石油化学工业中，有机硅材料的应用主要集中在以下三个方面：1. 有机硅涂料的应用有机硅涂料具有优异的耐化学腐蚀性能和耐高温性能。
在石油化工生产中，有机硅涂料被广泛应用于防腐和绝缘材料的制备中。
例如，有机硅涂料可以用于制备储罐防腐层、管道衬里等。
2. 有机硅树脂的应用有机硅树脂具有优异的耐高温、耐化学腐蚀和隔热性能。
在石油化工生产中，有机硅树脂被广泛应用于隔热和耐热材料的制备中。
例如，有机硅树脂可以用于制备炉墙、窑炉、炉膛等高温设备的隔热层。
3. 有机硅胶的应用有机硅胶具有优异的粘接性能、耐高温性能和耐化学腐蚀性能。
钛及钛合金材料在石油化工中的应用
(5)乙醛氧化制乙酸是我国的通用工艺，现已采用钛材作为高沸物再沸器，一级品醋酸塔再沸器和冷凝冷却器等多种设备。国外在精馏塔、分馏塔和蒸馏塔等都采用了钛设备。尤其在低级烷烃氧化制乙酸时副产品较多，甲酸含量达8％，腐蚀性极强，此时用钛代替不锈钢，效果十分理想。
(6)对苯二甲酸是合成涤纶的原料，工业上用对二甲苯氧化法制取。不论高温氧化还是低温氧化均存在乙酸和溴化物的高温腐蚀，在温度高于135的介质中，316L不锈钢经过几十小时即发生点蚀。故设计规范规定在135以上必须使用钛材。北京石化总厂引进全套钛设备，包括氧化反应釜、溶剂脱水塔、加热器、冷凝器、再沸器等16台。南京扬子石化公司引进年产45万吨对苯二甲酸装置,有56台钛设备和大量钛管道阀门。上海石化总厂引进的氧化反应釜高32m，上直径4m，下直径5．3m，容积为505m，设备自重达175t。使用钛材效果很好，推广应用前景光明。
(7)尿素是优质化肥，又是石油化工的原料。自1963年第一台衬钛尿素合成塔投产以来，目前已有近万台设备在全世界运行，实践表明衬钛合成塔无明显腐蚀。而316L不锈钢的折算腐蚀速度为4．1—4．5mm／a。因此钛材比不锈钢具有更好的经济效益。除了衬钛尿素合成塔外，国内从70年代以来，先后使用了C02汽提塔、换热器、混合器和泵阀等。
钛及钛合金材料在石油化工中的应用
在石油化工企业中钛换热器、冷凝器及有关辅助设备已经成广泛)，Ti-6Al—4V(在需要一定强度时)和Ti-0．8Ni—0．3Mo(存在缝隙时或在非氧化性介质中)。
(1)在含硫和含盐高的原油炼制中，钛制设备是比较理想的。国外在常压蒸馏装置、污水处理设备、脱硫分离塔的冷凝器和汽提塔的散热器等许多工序都成功选用钛制设备多年。我国也已在该系统中采用铸钛海水泵、催化裂化分馏中的钛制冷凝器、深冷分离钛冷凝器和多孔钛板等，都已正常操作运行十年以上。
高温高压天然气开采用钛合金油管柱力学分析
◀石油管工程▶高温高压天然气开采用钛合金油管柱力学分析∗胡芳婷１㊀刘强２ꎬ３㊀赵密锋１㊀郭文婷４㊀张伟福２㊀张强５㊀练章华５(１ 中国石油塔里木油田分公司油气工程研究院㊀２ 中国石油集团工程材料研究院有限公司㊀３ 石油管材及装备材料服役行为与结构安全国家重点实验室㊀４ 中国石油集团测井有限公司长庆分公司㊀５ 西南石油大学)胡芳婷ꎬ刘强ꎬ赵密锋ꎬ等.高温高压天然气开采用钛合金油管柱力学分析[Ｊ].石油机械ꎬ２０２３ꎬ５１(２):１１５－１２２ＨｕＦａｎｇｔｉｎｇꎬＬｉｕＱｉａｎｇꎬＺｈａｏＭｉｆｅｎｇꎬｅｔａｌ.Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌａｎａｌｙｓｉｓｏｆｔｉｔａｎｉｕｍａｌｌｏｙｔｕｂｉｎｇｓｔｒｉｎｇｕｎｄｅｒｈｉｇｈｔｅｍｐｅｒａ￣ｔｕｒｅａｎｄｈｉｇｈｐｒｅｓｓｕｒｅｆｏｒｎａｔｕｒａｌｇａｓｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ[Ｊ].ＣｈｉｎａＰｅｔｒｏｌｅｕｍＭａｃｈｉｎｅｒｙꎬ２０２３ꎬ５１(２):１１５－１２２.摘要:我国油气开发环境较为恶劣ꎬ油井管在井下面临高温高压㊁硫化氢㊁二氧化碳㊁高浓度盐水/完井液㊁单质硫和强酸等腐蚀环境的作用ꎮ钛合金材料以其高强度低密度㊁低弹性模量㊁优异的韧性㊁疲劳性能和耐蚀性ꎬ成为油井管和海洋开发工具的热门材料ꎬ但其在高温高压气井开采过程中的受力状态和安全可靠性研究尚不足ꎮ为此ꎬ以我国西部某油田典型高温㊁高压㊁高产量气井开采工况为典型参考环境ꎬ设计了３种油管柱结构方案ꎬ使用有限元模拟方法ꎬ计算分析３种方案下的管柱力学情况ꎮ分析结果表明ꎬ使用钛合金油管可使气井生产中的油管柱载荷减小㊁安全系数增大ꎬ部分时刻管柱内无中和点ꎻ使井筒与套管之间轻度接触甚至不接触ꎬ可以有效改善生产过程中管柱的振动状态ꎮ研究结果为钛合金油管柱在气井中的使用提供了理论依据ꎮ关键词:钛合金油管ꎻ管柱力学分析ꎻ高温高压天然气开发ꎻ管柱振动ꎻ屈曲中图分类号:ＴＥ９２１㊀文献标识码:Ａ㊀ＤＯＩ:１０ １６０８２/ｊ ｃｎｋｉ ｉｓｓｎ １００１－４５７８ ２０２３ ０２ ０１６ＭｅｃｈａｎｉｃａｌＡｎａｌｙｓｉｓｏｆＴｉｔａｎｉｕｍＡｌｌｏｙＴｕｂｉｎｇＳｔｒｉｎｇＵｎｄｅｒＨｉｇｈＴｅｍｐｅｒａｔｕｒｅａｎｄＨｉｇｈＰｒｅｓｓｕｒｅｆｏｒＮａｔｕｒａｌＧａｓＰｒｏｄｕｃｔｉｏｎＨｕＦａｎｇｔｉｎｇ１㊀ＬｉｕＱｉａｎｇ２ꎬ３㊀ＺｈａｏＭｉｆｅｎｇ１㊀ＧｕｏＷｅｎｔｉｎｇ４㊀ＺｈａｎｇＷｅｉｆｕ２㊀ＺｈａｎｇＱｉａｎｇ５㊀ＬｉａｎＺｈａｎｇｈｕａ５(１ ＯｉｌａｎｄＧａｓＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＩｎｓｔｉｔｕｔｅꎬＰｅｔｒｏＣｈｉｎａＴａｒｉｍＯｉｌｆｉｅｌｄＣｏｍｐａｎｙꎻ２ ＣＮＰＣＴｕｂｕｌａｒＧｏｏｄｓＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅꎻ３ ＳｔａｔｅＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＰｅｒｆｏｒｍａｎｃｅａｎｄＳｔｒｕｃｔｕｒａｌＳａｆｅｔｙｆｏｒＰｅｔｒｏｌｅｕｍＴｕｂｕｌａｒＧｏｏｄｓａｎｄＥｑｕｉｐｍｅｎｔＭａｔｅｒｉａｌｓꎻ４ ＣｈａｎｇｑｉｎｇＢｒａｎｃｈｏｆＣＮＰＣＬｏｇｇｉｎｇＣｏ.ꎬＬｔｄ.ꎻ５ ＳｏｕｔｈｗｅｓｔＰｅｔｒｏｌｅｕｍＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ)Ａｂｓｔｒａｃｔ:ＴｈｅｄｏｗｎｈｏｌｅｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｏｆｏｉｌａｎｄｇａｓｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎｉｎＣｈｉｎａｉｓｈａｒｓｈꎬａｎｄｗｅｌｌｔｕｂｕｌａｒｓａｒｅｓｕｂ￣ｊｅｃｔｅｄｔｏｃｏｒｒｏｓｉｏｎａｔｔｒｉｂｕｔｅｄｔｏｈｉｇｈ￣ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅꎬｈｉｇｈ￣ｐｒｅｓｓｕｒｅ(ＨＴＨＰ)ꎬｈｙｄｒｏｇｅｎｓｕｌｆｉｄｅꎬｃａｒｂｏｎｄｉｏｘｉｄｅꎬｈｉｇｈ￣ｓａｌｉｎｉｔｙｂｒｉｎｅａｎｄｄｒｉｌｌ￣ｉｎｆｌｕｉｄｓꎬｅｌｅｍｅｎｔａｌｓｕｌｆｕｒａｎｄｓｔｒｏｎｇａｃｉｄｓ.Ｄｕｅｔｏｔｈｅａｂｏｖｅ￣ｍｅｎｔｉｏｎｅｄꎬｔｉｔａｎｉｕｍａｌ￣ｌｏｙｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚｅｄｂｙｈｉｇｈｓｔｒｅｎｇｔｈꎬｌｏｗｄｅｎｓｉｔｙꎬｌｏｗｅｌａｓｔｉｃｍｏｄｕｌｕｓꎬｈｉｇｈｔｏｕｇｈｎｅｓｓꎬａｎｄｆａｖｏｒａｂｌｅｆａｔｉｇｕｅａｎｄｃｏｒｒｏｓｉｏｎｒｅｓｉｓｔａｎｃｅｈａｓｂｅｃｏｍｅｔｈｅｐｒｅｆｅｒｒｅｄｍａｔｅｒｉａｌｆｏｒｗｅｌｌｔｕｂｕｌａｒｓａｎｄｔｏｏｌｓｏｆｏｆｆｓｈｏｒｅｒｅｓｏｕｒｃｅｒｅｃｏｖｅｒｙ.Ｈｏｗｅｖｅｒꎬｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｏｎｔｈｅｌｏａｄｉｎｇｓｔａｔｕｓａｎｄｓａｆｅｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙｏｆｓｕｃｈｍａｔｅｒｉａｌｓｉｎａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓｔｏｈｉｇｈ￣ｔｅｍｐｅｒａ￣ｔｕｒｅｈｉｇｈ￣ｐｒｅｓｓｕｒｅｇａｓｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎｉｓｉｎｓｕｆｆｉｃｉｅｎｔ.ＴｈｅｒｅｆｏｒｅꎬｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｏｐｅｒａｔｉｏｎｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓｏｆｔｈｅｒｅｐｒｅｓｅｎｔａｔｉｖｅＨＴＨＰｈｉｇｈ￣ｒａｔｅｇａｓｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎｗｅｌｌｏｆａｎｏｉｌｆｉｅｌｄｉｎＷｅｓｔＣｈｉｎａꎬｔｈｒｅｅｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎｔｕｂｉｎｇｓｔｒｉｎｇｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓｃｈｅｍｅｓａｒｅｄｅｖｅｌｏｐｅｄꎬａｎｄｔｈｅｍｅｃｈａｎｉｃａｌｓｔａｔｕｓｏｆｔｈｅｔｕｂｉｎｇｓｔｒｉｎｇｏｆｔｈｅｓｅｔｈｒｅｅｓｃｈｅｍｅｓｉｓａｎａｌｙｚｅｄｖｉａｔｈｅｆｉｎｉｔｅ￣ｅｌｅ￣５１１ ㊀２０２３年㊀第５１卷㊀第２期石㊀油㊀机㊀械ＣＨＩＮＡＰＥＴＲＯＬＥＵＭＭＡＣＨＩＮＥＲＹ㊀㊀㊀∗基金项目:国家重点研发计划项目 高承载钛合金特殊螺纹接头制造及连接关键技术研究与应用 (２０２１ＹＦＢ３７００８０４)ꎻ中国石油天然气集团有限公司科学研究与技术开发项目 耐蚀㊁抗菌㊁高强度低密度油井管新材料开发 (Ｎｏ ２０２１ＤＪ２７０３)ꎻ陕西省自然科学基金项目 Ｎｂ对极端油气工况下钛合金微观结构与耐蚀性交互影响机制研究 (２０２１ＪＭ－６０７)ꎮｍｅｎｔ￣ｍｅｔｈｏｄｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ.Ｔｈｅａｎａｌｙｓｉｓｓｈｏｗｓｔｈａｔｔｈｅｕｓｅｏｆｔｉｔａｎｉｕｍａｌｌｏｙｃａｎｒｅｄｕｃｅｔｈｅｌｏａｄｏｆｔｈｅｔｕｂ￣ｉｎｇｓｔｒｉｎｇａｎｄｉｎｃｒｅａｓｅｔｈｅｓａｆｅｔｙｆａｃｔｏｒ.Ｉｎｓｏｍｅｃａｓｅｓꎬｔｈｅｔｕｂｉｎｇｓｔｒｉｎｇｉｓａｓｓｏｃｉａｔｅｄｗｉｔｈｎｏｎｅｕｔｒａｌｐｏｉｎｔꎬａｎｄｔｈｅｃｏｎｔａｃｔｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｔｕｂｉｎｇａｎｄｃａｓｉｎｇｉｓｍｉｎｉｍｉｚｅｄｏｒｅｖｅｎｅｌｉｍｉｎａｔｅｄꎬｗｈｉｃｈｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙｓｕｐｐｒｅｓｓｅｓｔｈｅｔｕｂｉｎｇｖｉｂｒａｔｉｏｎｄｕｒｉｎｇｇａｓｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ.Ｔｈｅｆｉｎｄｉｎｇｓｏｆｔｈｉｓｒｅｓｅａｒｃｈｐｒｏｖｉｄｅｔｈｅｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌｂａｓｉｓｆｏｒａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓｏｆｔｈｅｔｉ￣ｔａｎｉｕｍａｌｌｏｙｔｕｂｉｎｇｓｔｒｉｎｇｔｏｇａｓｗｅｌｌｓ.Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ｔｉｔａｎｉｕｍａｌｌｏｙｔｕｂｉｎｇꎻｐｉｐｅｓｔｒｉｎｇｍｅｃｈａｎｉｃａｌａｎａｌｙｓｉｓꎻＨＴＨＰｇａｓｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎꎻｐｉｐｅｖｉｂｒａｔｉｏｎꎻｂｕｃｋｌｉｎｇ０㊀引㊀言深井超深井㊁ 三高环境 和大位移井㊁长段水平井等非常规油气资源勘探开发环境对石油管材的要求不断提高[１－２]ꎮ油管作为井下管柱的主要通道及完整性防护主体ꎬ在井下不仅要经受高温高压以及多种腐蚀性环境的综合作用ꎬ还会受到石油天然气开采过程中引起的冲击㊁振动及疲劳等复杂受力行为[３－４]ꎬ因此对管材的综合性能要求非常苛刻ꎮ钛合金材料以其较高的强度㊁较低的密度㊁优异的抗疲劳性能㊁优秀的耐腐蚀性能ꎬ以及低弹性模量和高韧性ꎬ已经成为石油管材料开发的热门材料[５－６]ꎮ早在２０世纪８０年代ꎬ国内外企业㊁高校及科研机构已开始对钛合金材料用于油气开发的可行性和性能等进行探讨及研究ꎮ美国ＲＭＩ公司的Ｒ Ｗ ＳＣＨＵＴＺ等[５－７]对油气工况下使用钛合金材料的性能进行多种测试及评价ꎬ综合结果认为ꎬ钛合金材料在石油天然气开发领域有巨大的应用潜力ꎮＲ Ｄ ＫＡＮＥ和Ｂ ＣＲＡＩＧ等[８－９]模拟高温高压下天然气开采环境ꎬ对多种钛合金的性能进行了试验评价ꎬ初步得出了不同钛合金油井管材料在不同工况下的耐腐蚀性能ꎮ美国ＲＭＩ公司通过大量试验和模拟ꎬ证实了钛合金材料在高温㊁高压㊁高腐蚀环境中使用的可行性并发现了性能局限[１０]ꎬ并针对钛合金在应用中出现氢脆提出了防治办法[１１]ꎬ成功开发出钛合金油管㊁钻具㊁海洋隔水管等产品ꎬ在Ｏｒｙｘ海王星钻井项目和墨西哥湾的ＭｏｂｉｌｅＢａｙＦｉｅｌｄ的油气开发中成功应用[１２－１３]ꎮ国内方面ꎬ中国石油集团石油管工程技术研究院(简称管研院)最早对钛合金管在油气开发行业应用的可行性进行了分析ꎬ展望了钛合金材料在石油工业的应用前景[６]ꎬ并对钛合金石油管服役工况极限和环境适用性进行研究[１４－１６]ꎬ解决了钛合金油套管应用的一些瓶颈问题ꎬ推动了钛合金油套管产品在国内天然气水合物㊁高温高压油气开采中投入现场应用ꎮ东方钽业等对ＴＡ１８材质的钛合金管材产品开展了热加工及试制ꎬ成功制备出了ＴＡ１８材质的厚壁钛合金管[１７]ꎮ天钢㊁攀钢等企业均试制出了钛合金油管ꎬ并在我国西南油气田元坝区块进行了试验性使用[１８－１９]ꎮ由于钛合金材料价值较高ꎬ生产工艺更为复杂ꎬ考虑到材料特性和应用成本ꎬ所以主要用于高温㊁高压㊁高腐蚀介质(三高)的高产油气开发领域ꎬ如我国的西部塔里木油田和西南区域的油气田ꎮ在这些开发环境中ꎬ除了井筒对管柱的载荷外ꎬ还有生产的高速油气对管柱的冲击㊁冲蚀和交互作用ꎬ大多为三高环境并且油管柱受力情况较为复杂ꎮ目前国内外对钛合金油井管在这种复杂环境管柱力学方面的研究鲜有报道ꎬ但管柱的力学性能对于钛合金油管的设计㊁使用和安全评估具有重要的意义ꎮ因此ꎬ笔者以我国西部某油气田的典型井况为基础ꎬ研究设计使用不同钛合金管柱时的管柱静力学和动力学性能ꎬ分析由于钛合金油管柱的加入对整体管柱振动状态方面的改善情况ꎬ以期为今后钛合金管的设计和使用提供参考ꎮ１㊀管柱力学模拟１ １㊀模拟条件㊀选取我国西部某油气田高产气井为模拟环境ꎬ模拟井深大约为７５００ｍꎬ酸压完井管柱采用１７７ ８ｍｍ(７ｉｎ)套管ꎬ液压封隔器的坐封深度大约为７１００ｍꎮ假设井筒温度分布如图１所示ꎮ试验中为高温高压气藏ꎬ产层地层压力为８６ ８８ＭＰａꎬ地层压力系数为１ １７ꎬ温度梯度为每１００ｍｍ上升２ ０ħꎮ酸压完井管柱按高排量１０ｍ３/ｍｉｎ设计ꎬ井口泵压１２５ＭＰａꎬ最小安全系数为１ ５０ꎬ压裂液密度１ １０ｇ/ｃｍ３ꎬ破裂压力梯度每１００ｍ１ ８０ＭＰａꎬ井底破裂压力１４０ＭＰａꎮ计算用开发管柱结构为:ø１１４ ３ｍｍˑ１２ ７ｍｍ(气密扣)ˑ２３００ｍ＋ø１１４ ３ｍｍˑ７ ３７ｍｍ(气密扣)ˑ４８００ｍꎮ环空液体密度６１１ ㊀㊀㊀石㊀油㊀机㊀械２０２３年㊀第５１卷㊀第２期为１ １５ｇ/ｃｍ３ꎬ地层压力系数取低值ꎬ套管控制抗内压安全系数为１ ４１(２１２３ｍ)ꎮ图１㊀假设的井筒温度分布曲线Ｆｉｇ １㊀Ａｓｓｕｍｅｄｗｅｌｌｂｏｒｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ１ ２㊀模拟计算条件与方法为了分析钛合金油管对管柱力学的影响ꎬ管柱结构方面假设最内层套管规格为ø１７７ ８ｍｍˑ１１ ５１ｍｍꎬ在套管内设计了３种油管柱结构方案ꎬ如图２所示ꎮＡ方案为全部使用钢制油管ꎬ上部２３００ｍ为ø１１４ ３ｍｍˑ１２ ７ｍｍ规格油管ꎬ下部４８００ｍ为ø１１４ ３ｍｍˑ７ ３７ｍｍ规格油管ꎻＢ方案上部２３００ｍ为ø１１４ ３ｍｍˑ１２ ７ｍｍ规格７５２ＭＰａ钢级的钢制油管ꎬ下部４８００ｍ为ø１１４ ３ｍｍˑ７ ３７ｍｍ规格同等强度的钛合金油管ꎻＣ方案油管柱规格与Ａ方案相同ꎬ但全部使用同等强度的钛合金油管ꎮ图２㊀计算用开发管柱结构Ｆｉｇ ２㊀Ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎｔｕｂｉｎｇｓｔｒｉｎｇｓｃｈｅｍｅｓｆｏｒｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎ利用Ｍａｔｌａｂ(２０１７)ｂ版软件建立３种管柱方案的有限元模型ꎮ由于建模的管柱具有超长细比特征ꎬ所以对模型做如下假设:①管柱质量分布均匀且各向同性ꎻ②管柱是完全弹性的ꎻ③管柱变形属于小变形ꎻ④管柱截面不发生翘曲ꎻ⑤井筒的截面为圆形ꎮ取固定于地面井口的整体坐标系为Ｏ－ＸＹＺꎬ原点Ｏ为井口ꎬＸ轴沿重力方向为正ꎻＹ轴指向正北方向ꎻＺ轴指向正东ꎮ固定于钻柱上的单元局部坐标系为Ｏ－ＸＹＺ(Ｘ轴沿钻柱轴线的切向方向为正ꎬＹ轴沿主法线方向)ꎮ三维空间梁单元及坐标系见图３ꎮ图３中标出了节点ｉ的载荷(ＦｉｘꎬＦｉｙꎬＦｉｚ)与相应方向的力矩(ＭｉｘꎬＭｉｙꎬＭｉｚ)ꎬ节点ｊ的位移(ｕｊｘꎬｕｊｙꎬｕｊｚ)及相应方向的扭转(θｊｘꎬθｊｙꎬθｊｚ)ꎮ图３㊀空间梁单元及坐标系Ｆｉｇ ３㊀Ｓｐａｔｉａｌｂｅａｍｅｌｅｍｅｎｔａｎｄｔｈｅｃｏｏｒｄｉｎａｔｅｓｙｓｔｅｍ在有限元模型建立方面ꎬ首先将整体管柱离散为有限个单元ꎬ建立管柱单元的三维力学有限元模型ꎬ再形成管柱整体的三维力学有限元模型ꎮ细长钻柱在井下处于静力平衡状态ꎬ其平衡方程为:Λσ＋ｆ＝０(１)式中:σ为应力分量矩阵ꎬＰａꎻｆ为体积力向量ꎬＮ/ｍ３ꎻΛ为微分算子ꎮ几何方程为:ε＝ΛＴｕ(２)式中:ｕ为位移分量矩阵ꎬｍꎻε为应变分量矩阵ꎬ无量纲ꎮ物理方程为:σ＝Ｄε(３)式中:Ｄ为弹性矩阵ꎬＰａꎮ由哈密尔顿变分原理得到单元的力平衡矩阵方程[２０]:(ＫｅＬ＋ＫｅＮ)ｕｅ＝Ｆｅ(４)式中:ＫｅＬ㊁ＫｅＮ㊁Ｆｅ分别为单元的线性刚度矩阵㊁非线性刚度矩阵和外力矩阵ꎬＰａꎻｕｅ为位移分量矩阵ꎮ在管柱动力学计算中ꎬ使用弹性动力学的Ｈａｍｉｌｔｏｎ原理[２１]ꎬ在满足位移边界约束的情况下ꎬ弹性体由ｔ１时刻到ｔ２时刻的运动状态的所有可能运动中ꎬ弹性体的真实运动使Ｈａｍｉｌｔｏｎ作用量泛函取驻值ꎬ即:δʏｔ２ｔ１(Ｔ－Ｅ－Ｗ)ｄｔ＝０(５)式中:δ为变分符号ꎻＴ为弹性体的动能ꎬＪꎻＥ为７１１ ２０２３年㊀第５１卷㊀第２期胡芳婷ꎬ等:高温高压天然气开采用钛合金油管柱力学分析㊀㊀㊀弹性体的势能ꎬＪꎻＷ 为弹性体所受的保守力所做的功ꎬＪꎮ用Ｅｕｌｅｒ￣Ｂｅｒｎｏｕｌｌｉ梁单元对管柱离散后ꎬ梁单元的位移包括平动位移和转动位移ꎮ相应地ꎬ其动能也包含平动动能和转动动能２部分ꎮ梁单元平动速度ｖ可以用单元轴线的运动表示为:ｖ＝ｕ•ｏＩ＋ｖ•ｏＪ＋ｗ•ｏＫ(６)式中:ｕ•ｏ㊁ｖ•ｏ㊁ｗ•ｏ分别为梁单元轴线的速度ꎬｍ/ｓꎻＩ㊁Ｊ和Ｋ分别为井眼坐标系Ｘ㊁Ｙ和Ｚ轴的单位矢量ꎮ据此ꎬ梁单元的平动动能Ｔｔ可以表示为:Ｔｔ＝１２ʏｖρｕ•ｏ()２＋ｖ•ｏ()２＋ｗ•ｏ()２[]ｄＶ＝１２ʏｌｅ０ρＡｕ•ｏ()２＋ｖ•ｏ()２＋ｗ•ｏ()２[]ｄｘ(７)式中:ρ为管柱密度ꎬｋｇ/ｍ３ꎻｌｅ为梁单元的长度ꎬｍꎻＡ为梁单元横截面面积ꎬｍ２ꎻＶ为梁单元的体积ꎬｍ３ꎮ梁单元的势能(又称应变能)可以根据管柱受力变形后的应力和应变表示为:Ｅ＝１２ʏＶσＴεｄＶ(８)式中:应力矢量σ＝σｘｘꎬσｙｙꎬσｚｚꎬτｘｙꎬτｘｚꎬτｙｚ[]ＴꎬＰａꎻ应变矢量ε＝εｘｘꎬεｙｙꎬεｚｚꎬγｘｙꎬγｘｚꎬγｙｚ[]Ｔꎮ对梁单元做功的外力主要有重力㊁不平衡力以及液体的黏性阻力ꎮ梁单元所受重力做功可以表示为:Ｗｇ＝ʏｌｅ０ｑｘｕｏ－ｑｙｖｏ()ｄｘ(９)式中:Ｗｇ为重力功ꎬＪꎻｑｘ㊁ｑｙ为Ｘ轴和Ｙ轴上的动量ꎬｋｇ/ｓꎮ在梁单元的动能㊁势能和外力项的表达式基础上ꎬ利用形函数对梁单元的连续位移进行插值后ꎬ推导出钻柱动力学有限元方程ꎬ推导后写成矩阵的形式为:ＭｅＵ••ｅ＋ＣｅＵ•ｅ＋ＫｅＵｅ＝Ｆｅ(１０)式中:Ｕ••ｅ㊁Ｕ•ｅ㊁Ｕｅ分别为单元节点的广义加速度(ｍ/ｓ２)㊁广义速度(ｍ/ｓ)和广义位移(ｍ)矢量ꎻＦｅ为广义力矢量ꎬＮꎻＭｅ㊁Ｃｅ㊁Ｋｅ分别为单元质量矩阵(ｋｇ)㊁阻尼矩阵(ｋｇ/ｓ)和刚度矩阵(ｋｇ/ｓ２)ꎮ边界条件方面ꎬ在井口和７１００ｍ深封隔器处对管柱分别进行全约束ꎬ计算静力学时选取井口温度为１６ħꎬ选取封隔器处温度为１６０ħꎬ其余部分的井筒温度按照图１的数据进行设定ꎮ封隔器坐封后管柱外环空保护液密度为１ １５ｇ/ｃｍ３ꎬ生产时按日产气量８ˑ１０５ｍ３计算ꎬ井口流压为６８ＭＰａꎬ无背压ꎬ井口温度为１２５ħꎮ为了简化计算ꎬ模拟工况计算时所选取的钢制油管和钛合金油管材料强度均设定为７５８ＭＰａꎮ考虑到升温对材料强度的影响ꎬ按照高温拉伸试验结果ꎬ设定钢制油管强度在１５０ħ时下降１０％ꎬ为６８２ＭＰａꎻ２００ħ时强度下降１３％ꎬ为６６０ＭＰａꎮ同样ꎬ钛合金材料在１５０和２００ħ时的强度分别为６０８和５５８ＭＰａꎮ材料其他性能ꎬ如热膨胀系数等如表１所示ꎮ采用软件内置的材料模型ꎬ在计算时自动带入ꎮ然后分别计算３种管柱方案的静力学㊁动力学及管柱屈曲ꎮ表１㊀计算用油管柱材料特性２㊀结果及讨论２ １㊀３种管柱结构静力学分析对３种管柱结构加内㊁外压力载荷后的轴向受力进行分析ꎬ结果如图４所示ꎮ其中正值为拉应力ꎬ负值为压应力ꎮ由图４可知:全钢管柱Ａ方案中井口和封隔器处的拉应力均为最大ꎻ当采用下半部为钛合金油管的Ｂ方案时ꎬ井口和封隔器处的应力均有所降低ꎻ当管柱全部使用钛合金油管的Ｃ方案时ꎬ轴向载荷最低ꎮ这主要是由于钛合金材料的密度较低ꎬ由此带来了管柱自重降低的效果ꎮ同时由图４还可以发现ꎬ钛合金油管对管柱的受力中和点也有较大影响ꎮ３种方案中ꎬ中和点从Ａ方案的井下４８５８ｍ处降低到Ｃ方案的井下５６６９ｍ处ꎮ图４㊀加钛合金后管柱轴向力变化对比Ｆｉｇ ４㊀Ａｘｉａｌｆｏｒｃｅｖａｒｉａｔｉｏｎａｆｔｅｒａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓｏｆｔｉｔａｎｉｕｍａｌｌｏｙｓ８１１ ㊀㊀㊀石㊀油㊀机㊀械２０２３年㊀第５１卷㊀第２期模拟日产８ˑ１０５ｍ３天然气时的生产工况ꎬ据此分析井口的安全系数ꎬ结果如图５所示ꎮ由图５可知:Ａ方案的全钢油管柱在８ˑ１０５ｍ３/ｄ产量时井口三轴安全系数为１ ８６８ꎻＢ方案中８ˑ１０５ｍ３/ｄ产量时井口三轴安全系数为１ ８９８ꎻＣ方案的管柱结构ꎬ在８ˑ１０５ｍ３/ｄ生产时井口三轴安全系数为１ ９６４ꎮ可以看出ꎬ随着钛合金管柱使用量的增加ꎬ井口的安全系数随之增大ꎮ图５㊀３种方案管柱结构井口安全系数对比(日产量８ˑ１０５ｍ３)Ｆｉｇ ５㊀Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆｗｅｌｌｈｅａｄｓａｆｅｔｙｆａｃｔｏｒｓｆｏｒｔｈｅｔｈｒｅｅｔｕｂｉｎｇｓｔｒｉｎｇｓｃｈｅｍｅｓ(ｄａｉｌｙｇａｓｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ＝８ˑ１０５ｍ３)㊀㊀图６为模拟日产８ˑ１０５ｍ３天然气时３种管柱方案井底的三轴㊁抗拉及抗内压安全系数的对比图ꎮ图６㊀３种管柱结构的三轴㊁抗拉和抗压安全系数对比Ｆｉｇ ６㊀Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆｔｒｉａｘｉａｌꎬｔｅｎｓｉｌｅａｎｄｃｏｌｌａｐｓｅｓｔｒｅｎｇｔｈｓａｆｅｔｙｆａｃｔｏｒｓｆｏｒｔｈｅｔｈｒｅｅｔｕｂｉｎｇｓｔｒｉｎｇｓｃｈｅｍｅｓ㊀㊀由图６可知ꎬ随着钛合金管柱用量的不断增加ꎬ抗拉及三轴安全系数也随之增大ꎬ而抗内压安全系数基本保持不变ꎮ２ ２㊀３种管柱结构动力学分析从２ １节的分析中可以看出ꎬ将钢制管柱部分或者全部更换为钛合金管柱后ꎬ管柱中和点位置将发生下移ꎮ但是在实际生产中ꎬ由于高压天然气产流的冲击作用ꎬ管柱在复杂受力下产生高速震颤ꎬ受力变化不同ꎬ动力学作用不同ꎬ需要对其进行动力学分析ꎮ本文仍按照模拟日产气８ˑ１０５ｍ３的工况ꎬ计算油管柱不同振动时间下的模态和振型ꎬ分析油管柱的振动姿态随着时间ｔ的变化而产生的复合效果ꎬ分析结果如图７所示ꎮ图７㊀３种方案管柱结构的振动轴向力对比Ｆｉｇ ７㊀Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆｖｉｂｒａｔｉｎｇａｘｉａｌｆｏｒｃｅｓｆｏｒｔｈｅｔｈｒｅｅｔｕｂｉｎｇｓｔｒｉｎｇｓｃｈｅｍｅｓ９１１ ２０２３年㊀第５１卷㊀第２期胡芳婷ꎬ等:高温高压天然气开采用钛合金油管柱力学分析㊀㊀㊀㊀㊀由图７可知ꎬ管柱振动使得油管柱的轴向力分布发生了变化ꎬ相比于全钢管柱ꎬ部分或者全部更换为钛合金管柱后ꎬ轴向应力发生了显著下降ꎬ同时中和点位置也发生了变化ꎮＡ方案中的油管中和点深度变化范围为４２６５~７０１６ｍꎬ而另外２个方案中的中和点深度变化范围逐渐减小ꎬ甚至在部分时刻(见图７ｃ中ｔ＝６ ０ｓ㊁ｔ＝７ ５ｓ和ｔ＝８ ５ｓ时)ꎬ由于多阶振动的耦合效应ꎬ使得这些时刻瞬间管柱全部处于拉伸状态ꎬ管柱结构无中和点ꎬ这种改变会极大地改善中和点附近螺纹接头的受力状态ꎬ减小螺纹密封失效的载荷因素ꎬ有利于油管柱结构和密封的完整性ꎮ对中和点处的Ｍｉｓｅｓ应力进行分析ꎬ结果如图８所示ꎮ由图８可知:油管柱在中和点处承受交变应力ꎬ在３种油管结构中ꎬＡ方案全钢油管柱的中和点处的应力交变幅度最大ꎬ达到４２ ８２ＭＰａꎬ更换钛合金管后油管柱中和点处的应力交变幅度得到了降低ꎻＢ方案中管柱应力交变幅度降到１６ ０５ＭＰａꎻＣ方案中管柱中和点处应力幅度变化约为１７ ８２ＭＰａꎮ分析认为ꎬ由于钛合金密度的减小ꎬ有效地减小了管柱的载荷ꎬ所以在中和点处的Ｍｉ￣ｓｅｓ应力交变幅度得到了有效降低ꎮＭｉｓｅｓ应力交变幅度的降低有利于延长其疲劳寿命和提高管柱的安全性ꎮ图８㊀３种方案管柱结构的中和点处Ｍｉｓｅｓ应力交变对比Ｆｉｇ ８㊀ＣｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆａｌｔｅｒｎａｔｉｎｇＭｉｓｅｓｓｔｒｅｓｓａｔｎｅｕｒａｌｐｏｉｎｔｓｆｏｒｔｈｅｔｈｒｅｅｔｕｂｉｎｇｓｔｒｉｎｇｓｃｈｅｍｅｓ２ ３㊀钛合金油管对管柱振动位移的影响生产管柱在井底受到多重复杂交变应力的影响ꎬ易发生屈曲变形ꎬ已知屈曲问题是引发油井管柱在井下发生失效的主要因素之一[２１－２２]ꎬ而造成屈曲的因素中振动位移的影响较大ꎬ因此对比研究钢管㊁钛合金油管对管柱振动位移的影响至关重要ꎮ图９㊀３种方案管柱结构的油管柱横向位移对比Ｆｉｇ ９㊀Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆｔｕｂｉｎｇｓｔｒｉｎｇｌａｔｅｒａｌｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔｆｏｒｔｈｅｔｈｒｅｅｔｕｂｉｎｇｓｔｒｉｎｇｓｃｈｅｍｅｓ图９为基于日产量８ˑ１０５ｍ３天然气的工况ꎬ３种不同管柱结构处于复杂受力下的高速震颤而带来的管柱横向位移ꎮ由图９可知ꎬＡ方案中的全钢油管柱在Ｘ方向的最大位移为２０ ２４ｍｍꎬ在Ｙ方向的最大位移为２０ ２４ｍｍꎮ这是由于计算时设定的外层套管内径为１５４ ７８ｍｍꎬ此时油管柱与外层套管之间的间隙最大为２０ ２４ｍｍꎬ所以Ａ方案中的钢制油管柱与外层套管井筒发生了接触ꎬ如图９ａ所示ꎬ此时由于井壁的干涉ꎬ油管柱在振动的过程中对管柱及螺纹的伤害较大ꎻ当使用Ｂ方案底部加钛合金油管柱后ꎬ油管柱沿Ｘ方向最大位移为２０ ２４ｍｍꎬＹ方向最大位移为５ １６ｍｍꎬＸ方向与井壁接触ꎻ使用全部为钛合金油管的Ｃ方案时ꎬ０２１ ㊀㊀㊀石㊀油㊀机㊀械２０２３年㊀第５１卷㊀第２期油管柱Ｘ方向最大位移为１１ ５６ｍｍꎬＹ方向最大位移为０ ２９ｍｍꎬＸ和Ｙ方向均未与井壁接触ꎮ上述结果表明钛合金油管柱可以有效地缓解管柱的振动幅度ꎬ改善管柱的受力状态ꎮ图１０为天然气日产量８ˑ１０５ｍ３时ꎬ３种管柱结构方案的弯矩计算结果ꎮ由图１０可知ꎬＡ方案中的全钢油管最大弯矩值为１２ｋＮ ｍꎬ底部加钛合金的Ｂ方案油管柱最大弯矩值为４ ９ｋＮ ｍꎬ全部使用钛合金的Ｃ方案油管柱最大弯矩值仅为０ ６４ｋＮ ｍꎬ表明钛合金油管弯矩极限得到了明显改善ꎮ图１０㊀加钛合金管柱后油管柱弯矩对比Ｆｉｇ １０㊀Ｔｕｂｉｎｇｓｔｒｉｎｇｂｅｎｄｉｎｇｍｏｍｅｎｔｖａｒｉａｔｉｏｎａｆｔｅｒａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓｏｆｔｉｔａｎｉｕｍａｌｌｏｙｓ３㊀结㊀论本文通过有限元分析ꎬ模拟我国典型区块高温高压井生产工况下ꎬ３种方案油管柱结构的管柱静力学和动力学性能ꎬ并分析钛合金油管柱的使用对管柱振动状态方面的改善情况ꎮ得出以下结论:(１)使用钛合金油管作为生产管柱后ꎬ气井生产时油管柱的安全系数均增大ꎬ井口处轴向拉力减小ꎬ全部使用钛合金油管的完井方案比下半部使用钛合金油管的完井方案具有更低的载荷和更大的安全系数ꎬ在８ˑ１０５ｍ３/ｄ的产气情况下其安全系数可达１ ９６４ꎮ(２)管柱振动使得油管柱的轴向力分布和Ｍｉ￣ｓｅｓ应力分布发生了变化ꎬ中和点位置也发生了变化ꎮ含有钛合金或全钛合金油管柱部分时刻管柱内无中和点ꎬ管柱处于拉伸状态ꎮ(３)增加钛合金材质后的油管柱屈曲状态得到了改善ꎬ使用和全部使用钛合金管柱ꎬ可使管柱的横向位移和弯矩均减小ꎬ使套管与井管之间轻接触或不接触ꎬ说明增加钛合金管柱有利于改善油管使用时的振动状态ꎮ(４)在高温高压油气开采中使用钛合金管柱ꎬ可以有效地降低管柱载荷㊁增大安全系数ꎬ改善振动ꎬ提高管柱的安全可靠性和完整性ꎮ参㊀考㊀文㊀献[１]㊀谷坛ꎬ霍绍全ꎬ李峰.酸性气田防腐蚀技术研究及应用[Ｊ].石油与天然气化工ꎬ２００８ꎬ３７(增刊１):６３－７２.ＧＵＴꎬＨＵＯＳＱꎬＬＩＦ.Ｒｅｓｅａｒｃｈａｎｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆａｎｔｉ￣ｃｏｒｒｏｓｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｉｎｓｏｕｒｇａｓｆｉｅｌｄｓ[Ｊ].Ｃｈｅｍｉ￣ｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｏｆＯｉｌａｎｄＧａｓꎬ２００８ꎬ３７(Ｓ１):６３－７２.[２]㊀叶登胜ꎬ任勇ꎬ管彬ꎬ等.塔里木盆地异常高温高压井储层改造难点及对策[Ｊ].天然气工业ꎬ２００９ꎬ２９(３):７７－７９.ＹＥＤＳꎬＲＥＮＹꎬＧＵＡＮＢꎬｅｔａｌ.Ｄｉｆｆｉｃｕｌｔｙａｎｄｓｔｒａｔｅｇｙｏｆｒｅｓｅｒｖｏｉｒｓｔｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｎａｂｎｏｒｍａｌ￣ｈｉｇｈｔｅｍ￣ｐｅｒａｔｕｒｅａｎｄｈｉｇｈｐｒｅｓｓｕｒｅｗｅｌｌｓｉｎｔｈｅＴａｒｉｍｂａｓｉｎ[Ｊ].ＮａｔｕｒａｌＧａｓＩｎｄｕｓｔｒｙꎬ２００９ꎬ２９(３):７７－７９.[３]㊀杜伟ꎬ李鹤林.海洋石油装备材料的应用现状及发展建议(上)[Ｊ].石油管材与仪器ꎬ２０１５ꎬ１(５):１－７.ＤＵＷꎬＬＩＨＬ.Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓｔａｔｕｓａｎｄｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｓｕｇｇｅｓｔｉｏｎｓｏｎｏｆｆｓｈｏｒｅｏｉｌｅｑｕｉｐｍｅｎｔｍａｔｅｒｉａｌｓ(ｐａｒｔＩ)[Ｊ].ＰｅｔｒｏｌｅｕｍＴｕｂｕｌａｒＧｏｏｄｓ＆Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓꎬ２０１５ꎬ１(５):１－７.[４]㊀ＳＣＨＵＴＺＲＷꎬＷＡＴＫＩＮＳＨＢ.Ｒｅｃｅｎｔｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｓｉｎｔｉｔａｎｉｕｍａｌｌｏｙａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｉｎｔｈｅｅｎｅｒｇｙｉｎｄｕｓｔｒｙ[Ｊ].ＭａｔｅｒｉａｌｓＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ:Ａꎬ１９９８ꎬ２４３(１/２):３０５－３１５.[５]㊀刘强ꎬ宋生印ꎬ李德君ꎬ等.钛合金油井管的耐腐蚀性能及应用研究进展[Ｊ].石油矿场机械ꎬ２０１４ꎬ４３(１２):８８－９４.ＬＩＵＱꎬＳＯＮＧＳＹꎬＬＩＤＪꎬｅｔａｌ.Ｒｅｓｅａｒｃｈａｎｄｄｅ￣ｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｔｉｔａｎｉｕｍａｌｌｏｙＯＣＴＧａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｉｎｅｎｅｒｇｙｉｎｄｕｓｔｒｙ[Ｊ].ＯｉｌＦｉｅｌｄＥｑｕｉｐｍｅｎｔꎬ２０１４ꎬ４３(１２):８８－９４.[６]㊀ＳＣＨＵＴＺＲＷ.ＥｆｆｅｃｔｉｖｅｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎｏｆＴｉｔａｎｉｕｍａｌｌｏｙｓｉｎｏｆｆｓｈｏｒｅｓｙｓｔｅｍｓ[Ｃ]ʊＯｆｆｓｈｏｒｅＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＣｏｎｆｅｒ￣ｅｎｃｅ.ＨｏｕｓｔｏｎꎬＴｅｘａｓ:ＯＴＣꎬ１９９２:ＯＴＣ６９０９－ＭＳ.[７]㊀ＫＡＮＥＲＤꎬＣＲＡＩＧＳꎬＶＥＮＫＡＴＥＳＨＡ.Ｔｉｔａｎｉｕｍａｌ￣ｌｏｙｓｆｏｒｏｉｌａｎｄｇａｓｓｅｒｖｉｃｅ:ａｒｅｖｉｅｗ[Ｃ]ʊＣＯＲＲＯ￣ＳＩＯＮ２００９ ＡｔｌａｎｔａꎬＧｅｏｒｇｉａ:ＮＡＣＥꎬ２０１９:ＮＡＣＥ０９０７８.[８]㊀ＫＡＮＥＲＤꎬＳＲＩＮＩＶＡＳＡＮＳꎬＣＲＡＩＧＢꎬｅｔａｌ.Ａ１２１ ２０２３年㊀第５１卷㊀第２期胡芳婷ꎬ等:高温高压天然气开采用钛合金油管柱力学分析㊀㊀㊀ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅｓｔｕｄｙｏｆｔｉｔａｎｉｕｍａｌｌｏｙｓｆｏｒｈｉｇｈｐｒｅｓｓｕｒｅｈｉｇｈｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ(ＨＰＨＴ)ｗｅｌｌｓ[Ｃ]ʊＣＯＲＲＯＳＩＯＮ２０１５ ＤａｌｌａｓꎬＴｅｘａｓ:ＮＡＣＥꎬ２０１５:ＮＡＣＥ２０１５－５５１２.[９]㊀ＳＣＨＵＴＺＲＷ.Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆｒｕｔｈｅｎｉｕｍ￣ｅｎｈａｎｃｅｄａｌ￣ｐｈａ￣ｂｅｔａｔｉｔａｎｉｕｍａｌｌｏｙｓｉｎａｇｇｒｅｓｓｉｖｅｓｏｕｒｇａｓａｎｄｇｅｏ￣ｔｈｅｒｍａｌｗｅｌｌｐｒｏｄｕｃｅｄ￣ｆｌｕｉｄｂｒｉｎｅｓ[Ｃ]ʊＣｏｒｒｏｓｉｏｎ９７ＮｅｗＯｒｌｅａｎｓꎬＬｏｕｉｓｉａｎａ:ＮＡＣＥꎬ１９９７:ＮＡＣＥ９７０３２. [１０]㊀ＧＡＲＴＬＡＮＤＰＯꎬＢＪＯＮＡＳＦꎬＳＣＨＵＴＺＲＷ.Ｐｒｅ￣ｖｅｎｔｉｏｎｏｆｈｙｄｒｏｇｅｎｄａｍａｇｅｏｆｏｆｆｓｈｏｒｅｔｉｔａｎｉｕｍａｌｌｏｙｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓｂｙｃａｔｈｏｄｉｃｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｓ[Ｃ]ʊＣｏｒ￣ｒｏｓｉｏｎ９７ ＮｅｗＯｒｌｅａｎｓꎬＬｏｕｉｓｉａｎａ:ＮＡＣＥꎬ１９９７:ＮＡＣＥ９７４７７.[１１]㊀ＳＣＨＵＴＺＲＷꎬＬＩＮＧＥＮＥＶ.ＣｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎｏｆｔｈｅＴｉ－６Ａｌ－４Ｖ－Ｒｕａｌｌｏｙｆｏｒａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｉｎｔｈｅｅｎｅｒｇｙｉｎ￣ｄｕｓｔｒｙ[Ｃ]ʊＰｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓｏｆＥｕｒｏｃｏｎ ９７Ｃｏｎｇｒｅｓｓ.ＴａｐｉｒꎬＮｏｒｗａｙ:[ｓ.ｎ.]ꎬ１９９７:２５９－２６５. [１２]㊀ＳＣＨＵＴＺＲＷꎬＪＥＮＡＢＣꎬＷＡＬＫＥＲＨＷ.Ｃｏｍｐａ￣ｒｉｎｇｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌｒｅｓｉｓｔａｎｃｅｏｆＵＮＳＲ５５４００ａｌｌｏｙｔｕ￣ｂｕｌａｒｓｔｏｏｔｈｅｒｏｉｌｆｉｅｌｄｔｉｔａｎｉｕｍａｌｌｏｙｓ[Ｃ]ʊＣＯＲＲＯ￣ＳＩＯＮ２０１６ ＶａｎｃｏｕｖｅｒꎬＢｒｉｔｉｓｈＣｏｌｕｍｂｉａꎬＣａｎａｄａ:ＮＡＣＥꎬ２０１５:ＮＡＣＥ２０１６－７３２８.[１３]㊀刘强ꎬ惠松骁ꎬ宋生印ꎬ等.油气开发用钛合金油井管选材及工况适用性研究进展[Ｊ].材料导报ꎬ２０１９ꎬ３３(５):８４１－８５３.ＬＩＵＱꎬＨＵＩＳＸꎬＳＯＮＧＳＹꎬｅｔａｌ.Ｍａｔｅｒｉａｌｓｓｅｌｅｃ￣ｔｉｏｎｏｆｔｉｔａｎｉｕｍａｌｌｏｙＯＣＴＧｕｓｅｄｆｏｒｏｉｌａｎｄｇａｓｅｘｐｌｏ￣ｒａｔｉｏｎａｎｄｔｈｅｉｒａｐｐｌｉｃａｂｉｌｉｔｙｕｎｄｅｒｓｅｒｖｉｃｅｃｏｎｄｉｔｉｏｎ:ａｓｕｒｖｅｙ[Ｊ].ＭａｔｅｒｉａｌｓＲｅｐｏｒｔｓꎬ２０１９ꎬ３３(５):８４１－８５３.[１４]㊀刘强ꎬ惠松骁ꎬ汪鹏勃ꎬ等.油气开采用钛合金石油管材料耐腐蚀性能研究[Ｊ].稀有金属材料与工程ꎬ２０２０ꎬ４９(４):１４２７－１４３６.ＬＩＵＱꎬＨＵＩＳＸꎬＷＡＮＧＰＢꎬｅｔａｌ.Ａｎｔｉ￣ｃｏｒｒｏｓｉｏｎｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｔｉｔａｎｉｕｍａｌｌｏｙＯＣＴＧｕｓｅｄｉｎｏｉｌａｎｄｇａｓｅｘｐｌｏｒａｔｉｏｎ[Ｊ].ＲａｒｅＭｅｔａｌＭａｔｅｒｉａｌｓａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒ￣ｉｎｇꎬ２０２０ꎬ４９(４):１４２７－１４３６.[１５]㊀刘强ꎬ申照熙ꎬ李东风ꎬ等.钛合金油套管抗挤毁性能计算与试验[Ｊ].天然气工业ꎬ２０２０ꎬ４０(１０):９４－１０１.ＬＩＵＱꎬＳＨＥＮＺＸꎬＬＩＤＦꎬｅｔａｌ.Ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎａｎｄｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｓｔｕｄｉｅｓｏｎｔｈｅｃｏｌｌａｐｓｅｓｔｒｅｎｇｔｈｏｆｔｉｔａｎｉ￣ｕｍａｌｌｏｙｔｕｂｉｎｇａｎｄｃａｓｉｎｇ[Ｊ].ＮａｔｕｒａｌＧａｓＩｎｄｕｓ￣ｔｒｙꎬ２０２０ꎬ４０(１０):９４－１０１.[１６]㊀李永林ꎬ朱宝辉ꎬ王培军ꎬ等.石油行业用ＴＡ１８钛合金厚壁管材的研制[Ｊ].钛工业进展ꎬ２０１３ꎬ３０(２):２８－３１.ＬＩＹＬꎬＺＨＵＢＨꎬＷＡＮＧＰＪꎬｅｔａｌ.ＲｅｓｅａｒｃｈｏｎｐｒｏｃｅｓｓｏｆＴＡ１８ｔｉｔａｎｉｕｍａｌｌｏｙｔｈｉｃｋ￣ｗａｌｌｅｄｔｕｂｅｕｓｅｄｉｎｏｉｌｉｎｄｕｓｔｒｙ[Ｊ].ＴｉｔａｎｉｕｍＩｎｄｕｓｔｒｙＰｒｏｇｒｅｓｓꎬ２０１３ꎬ３０(２):２８－３１.[１７]㊀孟祥林ꎬ何佳持.攀钢钛合金油管有望填补国内市场空白[Ｎ].世界金属报导.２０１４－１２－０９(２).ＭＥＮＧＸＬꎬＨＥＪＣ.Ｐａｎｇａｎｇ'ｓｔｉｔａｎｉｕｍａｌｌｏｙｔｕｂｉｎｇｉｓｅｘｐｅｃｔｅｄｔｏｆｉｌｌｔｈｅｇａｐｉｎｔｈｅｄｏｍｅｓｔｉｃｍａｒｋｅｔ[Ｎ].ＷｏｒｌｄＭｅｔａｌｓＲｅｐｏｒｔ.２０１４－１２－０９(２).[１８]㊀杨冬梅.抗腐蚀钛合金油管井首次在超深高含硫气井应用[Ｊ].钢铁钒钛ꎬ２０１５ꎬ３６(３):１５.ＹＡＮＧＤＭ.Ｔｈｅｆｉｒｓｔａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｃｏｒｒｏｓｉｏｎ￣ｒｅｓｉｓｔａｎｔｔｉｔａｎｉｕｍａｌｌｏｙｔｕｂｉｎｇｗｅｌｌｓｉｎｕｌｔｒａ￣ｄｅｅｐａｎｄｈｉｇｈ￣ｓｕｌｆｕｒｇａｓｗｅｌｌｓ[Ｊ].ＩｒｏｎＳｔｅｅｌＶａｎａｄｉｕｍＴｉｔａｎｉｕｍꎬ２０１５ꎬ３６(３):１５.[１９]㊀王勖成.有限单元法[Ｍ].北京:清华大学出版社ꎬ２００３.ＷＡＮＧＸＣ.Ｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｍｅｔｈｏｄ[Ｍ].Ｂｅｉｊｉｎｇ:ＴｓｉｎｇｈｕａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙＰｒｅｓｓꎬ２００３.[２０]㊀陈锋.复杂载荷条件下钻具接头三维应力特征分析[Ｄ].上海:上海大学ꎬ２０１４.ＣＨＥＮＦ.Ｔｈｒｅｅ￣ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｓｔｒｅｓｓａｎａｌｙｓｉｓｏｆｔｏｏｌｊｏｉｎｔｓｕｎｄｅｒｃｏｍｐｌｅｘｌｏａｄｓ[Ｄ].Ｓｈａｎｇｈａｉ:ＳｈａｎｇｈａｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙꎬ２０１４.[２１]㊀高国华ꎬ张福祥ꎬ王宇ꎬ等.水平井眼中管柱的屈曲和分叉[Ｊ].石油学报ꎬ２００１ꎬ２２(１):９５－９９.ＧＡＯＧＨꎬＺＨＡＮＧＦＸꎬＷＡＮＧＹꎬｅｔａｌ.Ｂｕｃｋｌｉｎｇａｎｄｂｉｆｕｒｃａｔｉｏｎｏｆｐｉｐｅｓｉｎｈｏｒｉｚｏｎｔａｌｗｅｌｌｓ[Ｊ].ＡｃｔａＰｅｔｒｏｌｅｉＳｉｎｉｃａꎬ２００１ꎬ２２(１):９５－９９.[２２]㊀彭建云ꎬ周理志ꎬ阮洋ꎬ等.克拉２气田高压气井风险评估[Ｊ].天然气工业ꎬ２００８ꎬ２８(１０):１１０－１１２ꎬ１１８.ＰＥＮＧＪＹꎬＺＨＯＵＬＺꎬＲＵＡＮＹꎬｅｔａｌ.Ｒｉｓｋｅｖａｌｕ￣ａｔｉｏｎｏｆｈｉｇｈ￣ｐｒｅｓｓｕｒｅｇａｓｗｅｌｌｓｉｎｔｈｅｋｅｌａ－２ｇａｓｆｉｅｌｄ[Ｊ].ＮａｔｕｒａｌＧａｓＩｎｄｕｓｔｒｙꎬ２００８ꎬ２８(１０):１１０－１１２ꎬ１１８㊀㊀第一作者简介:胡芳婷ꎬ女ꎬ高级工程师ꎬ生于１９８０年ꎬ２００５年毕业于西安石油大学材料加工工程专业ꎬ现从事石油钻井工程科研工作ꎮ地址:(８４１０００)新疆库尔勒市ꎮ电话:(０９９６)２１７３９０３１ꎮＥ￣ｍａｉｌ:ｈｕｆｔ￣ｔｌｍ＠ｐｅｔｒｏｃｈｉ￣ｎａ ｃｏｍ ｃｎꎮ通信作者:刘强ꎬＥ￣ｍａｉｌ:ｌｉｕｑｉａｎｇ０３０＠ｃｎｐｃ ｃｏｍ ｃｎꎮ㊀收稿日期:２０２２－０８－２５(本文编辑㊀宋治国)２２１ ㊀㊀㊀石㊀油㊀机㊀械２０２３年㊀第５１卷㊀第２期。
钛纳米高分子合金材料开发及在油田防腐领域应用研究
80℃浸泡 90d 无明显变化
80℃浸泡 90d 无明显变化
80℃浸泡 90d 无明显变化
3 结果与讨论
3.1 施工性能的研究 3.1.1 涂装方法
高压无气喷涂：多道涂装 2~3 道,采用“湿碰 湿”原厂漆粘度(涂-4#杯, 80~100s)喷涂，涂装间隔 10~15min，25~30℃环境下闪干，湿膜厚度不小于 20ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ~250μm, 一 次 烘 干(220~250 ℃ /30~15min)成 膜，干膜厚度可达150~200μm。本法适合于梯式温 度隧道烘烤流水线作业。
钛纳米高分子合金涂层：试板制备时，采用“湿 碰湿”喷涂法,先喷涂两道底漆,在 120℃条件下闪 干 15min,再喷涂两道面漆,烤干温度 220℃固化 20min；试板检测要求干膜厚度达到≥100µm，按 标准进行理化性能项目检测。
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试棒制备时，将涂料用专用稀释剂调整至 35~40s(涂-4 杯)，用试棒浸涂一道，吊挂在恒温烤 箱，升温至120~150℃烤干；再浸涂一道烤干后直 接升温至 280℃固化 15min；测试干涂层厚度应 ≥100µm，按标准进行理化性能检测。 2.5 试验条件
将 3,5-二(三氟甲基)苯代对苯醌放入三颈瓶中, 加入定量锌粉和去离子水，搅拌，升温至 90℃， 缓慢滴加盐酸，反应约 6h，将混合液过滤后，将 滤液倒入2000mL 去离子水中。将生成的白色粘稠 状液体用冷去离子水反复洗涤，再置于真空低温烘 干箱中干燥，得到固体单体。用甲苯重结晶 2 次， 充分干燥后制得 3,5-(三氟甲基)苯代对苯二酚白 色结晶。 2.1.3 含氟聚芳醚酮的制备
纳米有机钛涂料特种防腐涂料是以纳米有机 钛齐聚物为基料、辅助环氧树脂和有机胺类固化剂 的常温固化成膜体系。设计配方分为底、中、面漆 配套。
钛合金油井管应用研究现状及进展
钛合金油井管应用研究现状及进展张峰;黄文克;李远征;徐凯;杨晓龙;郭丹;薛康利【摘要】This paper introduced the composition design and tube blank manufacturing process of titanium alloy OCTG, analyzed the relationship between metallographic structure and mechanical property, compared corrosion resistances of two 758 MPa(110 ksi)grades titanium alloy OCTG in the acid solution,and gived design and processing difficulties and announcements of screwed joint. The key technology of domestic titanium alloy OCTG development was seriation and low-cost of tube blank composition, application performance study of titanium alloy OCTG, and tube blank manufacturing process and design and machining of screwed joint.%介绍了钛合金油井管的成分设计及其管坯制造工艺,分析了钛合金油井管的金相组织与其力学性能的关系,对比了两种758 MPa(110 ksi)级钛合金油井管在酸液中的耐腐蚀性能,给出了钛合金油井管螺纹接头设计与加工的难点及应注意事项.最后指出了我国发展钛合金油井管应该攻克的技术关键,即钛合金油井管管坯成分的系列化和低成本化,钛合金油井管应用性能研究,管坯制造工艺和螺纹接头设计与加工等.【期刊名称】《焊管》【年(卷),期】2017(040)011【总页数】5页(P7-11)【关键词】钛合金;油井管;制造工艺;组织与性能;腐蚀性能【作者】张峰;黄文克;李远征;徐凯;杨晓龙;郭丹;薛康利【作者单位】国家石油天然气管材工程技术研究中心,陕西宝鸡721008;宝鸡石油钢管有限责任公司,陕西宝鸡721008;国家石油天然气管材工程技术研究中心,陕西宝鸡721008;宝鸡石油钢管有限责任公司,陕西宝鸡721008;国家石油天然气管材工程技术研究中心,陕西宝鸡721008;宝鸡石油钢管有限责任公司,陕西宝鸡721008;国家石油天然气管材工程技术研究中心,陕西宝鸡721008;宝鸡石油钢管有限责任公司,陕西宝鸡721008;国家石油天然气管材工程技术研究中心,陕西宝鸡721008;宝鸡石油钢管有限责任公司,陕西宝鸡721008;宝鸡石油钢管有限责任公司,陕西宝鸡721008;宝鸡石油钢管有限责任公司,陕西宝鸡721008【正文语种】中文【中图分类】TE931.2钛合金因具有优异的耐腐蚀性能和较高的比强度等特点，被广泛应用于航空航天、船舶和生物医疗等行业。
钛在炼油化工领域应用分析1
钛在炼油化工领域应用分析1引言钛合金最大的优势就是它的抗腐蚀性，它的硬度和加工力量都很强。
不过，钛的优势也是一把双刃剑，由于它的寿命很长，可以持续使用数十年，这就导致了很多以钛为主要原料的设备更新缓慢。
因此，钛对某些民用工业设备的改造起到了肯定的阻碍作用。
笔者认为，钛在炼油和化学工业中有着宽阔的进展空间，而钛的特性又与炼油工业相适应，我国的炼油工业对钛的需求并不大，比发达国家要晚上数十年，因此，我们的工业还在不断的探究中，对于钛的应用还需要进一步改进。
1钛在炼化工业的应用背景钛合金因其优异的耐腐蚀、高比强度及较好的机械加工力量而被广泛用于氯碱、盐、尿素、农药、合成纤维、有机合成、制药、湿法冶金等化工工艺中。
但钛设备的使用寿命较长，可达30年之久，且不简单损毁，因此要拓展其在民用行业的应用范围，必需乐观开发新的应用。
我们信任，在化工行业中，钛的应用前景是特别宽阔的。
我国炼化工业中使用的钛设备还很少，而国外已经在炼化工业中使用钛设备近40多年。
日本石油资源匮乏，主要从中东进口，对高硫原油的加工历史比较长，在材料选择和防腐方面有着丰富的阅历。
自1955年以来，日本始终在用钛合金材料来解决H2S—HC1—H2O的环境腐蚀问题。
欧美也在60年月就开头在炼油厂使用钛制的换热器。
最初的目的是解决海水、半咸水和受污染水的腐蚀，然后是为了避开劣质石油和腐蚀性气体对设备的损害，从管、板等各种设备中使用。
由于大庆石油是我国第一批使用含硫、含酸、含盐量较低的原油，因此，对炼油设备的腐蚀问题不是很严峻，可以采纳碳钢来解决。
近20年来，我国经济快速进展，对石油的需求快速增长，国内原油的增长速度远远赶不上需求，因此，特殊是中东地区的高硫原油的进口量每年都在增长，这就需要对炼油设备进行技术改造，以满意中东地区高硫原油的防腐蚀要求。
另外，国内原油的含硫率和含盐率随开采量的增大也在增大。
2钛应用行业2.1氯碱行业氯碱工业是中国化工生产的基础工业，它是以工业盐为原料，利用电解法生产氯化钠等化工产品，在国民经济中具有举足轻重的作用。
钛合金油井管研究开发
58卷增刊1 2017年11月中国造船SHIPBUILDING OF CHINAVol.58 Special 1Nov. 2017文章编号：1000-4882 (2017) Sl-0475-08钛合金油井管研究开发宋生印\刘强、郭淑君2(1.中国石油集团石油管工程技术研究院，西安710077;2.忠世高新材料股份有限公司，丹东118300)摘 要被称为海洋金属的钛合金，具有独特的耐海水腐蚀、冲蚀性能。
论文通过全面探讨钛合金管用作油丼管 的材料优势，针对钛合金管材独特的力学、机械性能，在特殊螺纹设计开发、酸化缓蚀剂研究开发等方面开 展系统研究，解决了一系列技术难题，成功开发出钬合金油井管，为我国高腐蚀环境下管材选用和深层油气 开发提供了一种具有战略意义的新型材料。
关键词：钬合金；油丼管；耐蚀性；抗粘扣中图分类号：TE931.204 文献标识码：A〇引言钛合金是20世纪50年代开始开发应用的一种重要金属，因其具有优异的耐海水腐蚀、冲蚀性能, 常被称为“海洋金属”。
钛及钛合金密度小，比强度高，耐硫化氢、二氧化碳、氯离子及海水等腐蚀性 能优异，中高温力学性能好，具有优良的抗疲劳和抗蠕变性能，钛合金管材的制造工艺成熟，在石油 化工行业有巨大的应用潜力。
国际上钛合金油井管的开发与使用较早，上世纪90年代美国就已经实现了钛合金管材在石油天然 气勘探开发领域的工业化应用。
应用最为成熟的是美国R M I公司[1]，该公司于上世纪90年代开发设计 出一种合金组元简单，合金含量低，材料成本低廉，加工性能良好的a+p型Gr. 28钛合金用于油井管 的生产制造，在满足油气生产的强度与耐蚀性要求的前提下，显著降低了钛合金油井管的生产成本。
同时，该合金有良好的机械加工性能以及优良的可焊性，热处理工艺简单，无需时效处理，具有高断 裂軔性、高疲劳裂纹抗力和良好的延展性。
在此基础上美国R M I公司成功地研制出钛合金材质的套管、油管、连续管、钛合金钻杆、钛合金海洋钻井隔水管和悬链式立管等产品[2]，并都成功应用于石油天 然气行业。
热处理对Ti-6Al-4V钛合金力学性能的影响
热处理对Ti-6Al-4V钛合金力学性能的影响发布时间：2022-09-20T06:52:58.109Z 来源：《中国科技信息》2022年5月第10期作者：李贞婷，李剑，周鹏，杨洋[导读] 随着科技进步和国防工业的迅速发展，人们对金属材料的需求也日益增加，李贞婷，李剑，周鹏，杨洋（宝鸡钛业股份有限公司 721014）摘要：随着科技进步和国防工业的迅速发展，人们对金属材料的需求也日益增加，因此，开发和应用高性能的合金及其复合材料是非常必要的。
钛和钛合金具有高强度、低密度和良好的耐腐蚀性能；具有良好的生物相容性，在航空航天，石油化工，制药，盐，冶金，汽车等领域；造船、核电、医疗等领域，被称为“万能”的金属.中国钛业50年来的发展，无论是技术上还是生产上，都有了很大的发展，各科研院所、高等院校与制造单位广泛合作，对钛合金的应用进行了深入的研究。
但由于其塑性较差、韧性较差，在实际应用中，其疲劳寿命较短；因此，对钛合金的综合性能要求更高、更严格。
通过对工艺参数和工艺参数的优化，可以提高钛合金的综合性能。
关键词：热处理；Ti-6Al-4V；钛合金力学；性能影响通过对Ti-6A1-4V合金的固熔化工艺(960℃x1h)，通过不同的时效工艺，考察了Ti-6A1-4V合金的综合机械性能，并通过金相显微镜、SEM等手段对Ti-6A1-4V合金的微观组织、断口形貌与机械性能的相关性进行了研究。
1试验的材料和方法1.1试验资料试验材料是一种6mm的热轧态钛合金管材，其主要成份（重量百分比）为：Fe<0.30C<0.10N<0.05;H<0.015.0>0.20.5.5~68V；1.2试验方法和装置在MTS试验机上对被加工成条形地拉伸试样进行了拉伸试验，其拉伸速率为0.1毫米/分钟，最大负载2000kN，引伸仪标距50mm，拉伸样品的总长度184mm，宽度20mm，过渡半径12mm，两端夹紧端长50mm，沿着轧制方向取样。
新型钛合金在高温浓硝酸中的耐蚀性
新型钛合金在高温浓硝酸中的耐蚀性现代社会，特别是在化学工业中，有色金属钛合金被广泛应用在许多产品中，例如航空航天领域、石油化工、轻工业、兵器装备等，并有着优良的力学性能和耐腐蚀性。
然而，随着近几年来技术对于合金材料的要求日益提高，对于钛合金在高温浓硝酸中的耐蚀性也受到了重视。
因此，研究钛合金在高温浓硝酸中的耐蚀性具有重要的理论和实际意义。
钛合金具有优良的力学性能，几乎不受氧化环境的影响，因此被广泛应用在化学工业中。
在采用钛合金的过程中，需要注意在高温浓硝酸中的耐蚀性。
高温浓硝酸是一种强催化性、有毒、有害的腐蚀性介质，它可能破坏物质构成、缩短使用寿命、破坏力学性能和尺寸精度等。
钛合金在高温浓硝酸环境中耐蚀性的考察主要是通过现场实验和电化学实验来进行的，以获取更多的有关信息。
现场实验研究了钛合金在高温浓硝酸中的耐蚀性。
在实验中，标准温度范围内连续浸泡，测试钛合金表面变形、腐蚀状态、旋转角度、抗拉强度和抗压强度等参数。
实验结果发现，钛合金在高温浓硝酸中的耐蚀性较好，表面没有明显变形，抗拉强度和抗压强度在实验结束后仍然很高，其失效程度小于1%。
电化学实验研究了钛合金在高温浓硝酸环境中的电化学特性。
实验过程中，采用具体的实验装置，控制环境参数，观察钛合金在高温浓硝酸环境中的伏安曲线，以及钛合金表面的腐蚀现象。
实验结果表明，钛合金在恒定温度下，伏安曲线比空气中的更高，表面腐蚀没有明显变化，表明钛合金在高温浓硝酸中具有良好的电化学性能。
通过上述研究发现，钛合金在高温浓硝酸中的耐蚀性较好，其表面没有异常腐蚀变化，抗拉强度和抗压强度在实验结束后仍未明显降低，而在电化学实验中，钛合金的伏安曲线比空气中的更高，表面也没有明显的腐蚀变化。
因此，钛合金的耐腐蚀性还是较好的，可以满足现代社会的应用需求。
但是，钛合金在高温浓硝酸环境中的耐蚀性也有其局限性。
例如，钛合金在室温缓冲液中，腐蚀速率会受到温度、浓度、时间等多种因素的影响，而且钛合金在腐蚀空间中会产生多质化作用，出现其他的变质现象。
钛合金管材在高含硫天然气开发中的应用现状
—116 —石油机械CHINA PETROLEUM MACHINERY2018年第46卷第3期◄石油管工程►钛合金管材在高含硫天然气开发中的应用现状付亚荣1谷胜群1宋惠梅1李琳1李佶1刘祥军1杨文生2(1•中国石油华北油田公司2.新疆油田公司工程技术公司）摘要：钛合金以其强度大、密度小、高抗压、高抗挤、抗酸性腐蚀及抗硫化氢应力腐蚀等优 异性能，被广泛应用于航空、航天、船舶、化学化工、医疗、海洋工程和石油石化等各个领域，引发了拓展钛合金管材应用领域的研究热潮。
在调研国内外相关文献的基础上，首先分析了高含 硫天然气勘探开发对钻具、油管、套管、井下工具、集气管网、天然气处理设备等金属管材的苛 刻要求，综述了钛合金管材在该领域的应用现状，重点介绍了钛合金油管、套管、钻杆、天然气 输送及处理设备的应用情况，最后从钻井周期、生产安全及节约成本等方面展望了钦合金在高含 硫天然气勘探开发中的应用前景。
关键词：钦合金；石油管材；高含硫；腐蚀；天然气勘探开发中图分类号：TE973 文献标识码：A d o i:10. 16082/ ki.issn. 1001-4578.2018.03.021 Application Status and Prospect of Titanium Alloy Pipe inExploration and Development of High Sour Natural GasFu Yarong1Gu Shengqun1Song H uim ei1L i L in1L i J i1L iu X iangjun1Yang Wensheng2(1. PetroChina Huabei Oilfield Company；2. Xinjiang Oilfield Company Engineering Technology Co., Ltd.)A b stra ct：Titanium alloy is w idely used in aviation,aerospace,shipbuilding,chem ical engineering,m edical treatm ent,marine engineering and petroleum and petrochemical owing to its excellent properties such as high strength,low density,high compressive strength,high collapse strength,acid corrosion resistance and hydrogen sulfide stress corrosion resistance，which leads to the research boom of development o f titanium alloy pipe applica-tions.Based on the investigation of related domestic and foreign literatures,the demanding requirements o f exploration and development of high-sulfur natural gas fo r metal pipe fo r d rill string,tu bin g,casing,downhole tools,gas pipe network and natural gas processing equipment have been analyzed.The application status of the titanium alloy pipe in the fie ld was introduced.Focus has been put on the application of the titanium alloy tu b in g,casing,d rill pipe and natural gas transporting and processing equipment.F in a lly,the application prospect of titanium alloy in the exploration and development of high-sulfur natural gas was analyzed from aspects of d rillin g cycle,production safety and cost saving.K eyw ords：titanium a llo y;tubular goods；high sulfur content;corrosion；natural gas exploration and development0引言城镇化和工业化发展带来的以PM2.5为特征 污染物的大气污染愈加严峻[1]。
新材料在石油化工行业中的应用
新材料在石油化工行业中的应用石油化工行业作为国民经济的重要支柱产业，随着科技的进步和时代的发展，越来越需要适应新的市场需求和技术水平的发展。
新材料作为科技化生产的基础，成为了石油化工行业中的重点。
本文将介绍新材料在石油化工行业中的应用。
一、新材料的优势新材料的优势首先体现在其物理性能上，如强度、硬度、耐磨性、韧性等。
同时，新材料具有非常好的耐腐蚀性，能够适应酸、碱、盐等多种环境。
此外，新材料的性能还包括耐高温、耐低温、防辐射、导热性等诸多方面，这些性能极大地扩展了新材料在石化行业中的应用范围。
二、新材料在石化行业中的应用1.大型装置石油化工行业中常常需要超大型、超重量的装置，而新材料如高强钢、高强度陶瓷、高性能合金等材料具有极高的强度和质量比，能够承受极大的压力和力量，尤其是在高温、高压、高腐蚀环境下，大幅提高了装置的使用寿命和安全性。
2.化工管道石油化工行业中的管道系统需要抗压、耐磨、耐腐蚀、耐高温等特性。
新材料中的钛、镍基超合金、石墨等素材高效地改善了供油、运输管道的使用条件，大幅降低了管道维护成本和工期的缩短。
3.高温耐蚀材料新材料在开发和应用高温耐蚀材料方面做出了大量的贡献，如用于催化剂的复合材料、高温陶瓷、合金等材料，以及应用在石油加工、氢气生产等重大工业场合，成功地实现高温、高压、高腐蚀等极端环境下的生产。
4.新能源材料新材料在石油化工行业中的应用不仅体现在生产制造上，还进一步的展示在新能源材料的开发方面。
这里主要指的是太阳能电池板、光伏发电板等，这些材料都是通过新材料技术得以生产和推广使用的。
三、新材料应用的局限与解决方案虽然新材料在石油化工行业中已有广泛应用和深刻影响，但同样存在许多技术和效益问题。
例如，新材料的成本问题，技术的限制和材料的可再生性等等。
为此，科学家和企业以开发低成本、高性能、易于制造和废品处理的新型材料为目标，将使新材料的应用进一步扩大和深化。
综上，新材料作为石油化工行业未来发展的关键支撑，能够极大程度上提高石化行业的安全性、环保性和节能性，并且为行业带来巨大的经济效益。
《TA15钛合金热加工本构模型及微观组织预测研究》范文
《TA15钛合金热加工本构模型及微观组织预测研究》篇一摘要：本文针对TA15钛合金热加工过程中的本构关系及微观组织演变进行了深入研究。
通过构建本构模型，预测了材料在热加工过程中的流变行为，并结合微观组织观察，分析了加工参数对微观组织的影响。
本文的研究对于优化TA15钛合金的热加工工艺，提高材料性能具有重要意义。
一、引言TA15钛合金作为一种高性能的金属材料，在航空、航天等领域有着广泛的应用。
其热加工过程中的本构关系及微观组织演变对于材料的性能具有决定性影响。
因此，研究TA15钛合金热加工本构模型及微观组织预测，对于优化加工工艺、提高材料性能具有重要意义。
二、TA15钛合金热加工本构模型构建1. 实验材料与方法采用TA15钛合金作为研究对象，通过热模拟实验，获取不同温度、应变速率下的流变数据。
利用金相显微镜、电子背散射衍射等技术手段，观察材料的微观组织变化。
2. 本构模型构建基于流变数据，采用合适的本构方程描述TA15钛合金的流变行为。
通过引入温度、应变速率等参数，构建出能够反映材料热加工过程中流变特性的本构模型。
3. 模型验证通过与实际流变数据的对比，验证所构建的本构模型的准确性。
结果表明，本构模型能够较好地反映TA15钛合金的热加工流变行为。
三、微观组织观察与分析1. 微观组织观察通过金相显微镜、电子背散射衍射等技术手段，观察TA15钛合金在热加工过程中的微观组织变化。
包括晶粒形态、晶界特征、相组成等方面的变化。
2. 加工参数对微观组织的影响分析不同热加工参数（如温度、应变速率等）对TA15钛合金微观组织的影响。
结果表明，加工参数对微观组织具有显著影响，适当的加工参数有利于获得良好的微观组织。
四、结果与讨论1. 本构模型预测结果利用构建的本构模型，预测TA15钛合金在不同热加工条件下的流变行为。
结果表明，本构模型能够较好地预测材料的流变行为，为实际生产过程中的工艺优化提供指导。
2. 微观组织预测及验证结合本构模型，预测TA15钛合金在不同热加工条件下的微观组织变化。
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钛合金材料在石化行业应用研究刘 强，宋生印，李德君，白 强中国石油集团石油管工程技术研究院，石油管工程重点实验室，陕西西安，710077 摘要：本文通过对国内外钛合金材料在能源行业的研究及应用进展进行介绍，结合我国实际工况，对钛合金材料进行了系统的可行性研究，解决了制约钛合金应用的两大瓶颈技术：特殊螺纹设计和抗粘扣性能，为我国高腐蚀环境下管材选用和深层油气开发提供了一种具有战略意义的新型材料。
关键词：钛合金进展耐蚀性抗粘扣可行性研究Research on Titanium Alloy Application in the EnergyIndustryLIU Qiang, ,SONG Sheng-yin, LI De-jun, BAI QiangTubular Goods Research institute of CNPC , Xi’an ,Shaanxi,710077,China Abstract：This paper introduced research and application progress of titanium alloy materials in the energy industry in China and bining with the oil field working condition in China, the systematic feasibility analysis was studied for the titanium alloy material, and solved the two bottleneck restricting the application of titanium alloy technology: special thread design and thread gluing resistance.Based on the systematic analysis it can be concluded that titanium alloy is a strategic new material supporting for oil and gas resourceexploitation of China high corrosive environmentand the deep oil and gas developmentKey Words：Titanium alloy; development; corrosion resistance;thread gluing resistance; feasibility analysis1 概况随着我国经济的快速发展，石油天然气的需求与日俱增，特别是近期三大油Cl等勘探开发成本公司对深层油气资源开发的重视，加快了对高含H2S、CO2、-高、工况极其苛刻的油气田的开发。
我国广泛分布的天然气资源中含硫气田占相当大的比例，如四川、新疆塔里木区块都属于高含硫油气田。
高腐蚀性气田勘探开发困难是天然气工业面临的重大难题之一。
四川气田的天然气产量约占全国天然气产量的30%，川渝气田70%的井生产的天然气都含有硫化氢H2S和二氧化碳CO2，如罗家寨气田硫化氢含量为7.13‐13.74%。
由H2S，CO2等腐蚀性介质引起的重大事故给油气企业的安全生产和人民群众的生命财产带来了巨大的威胁。
国内对高含H2S、CO2气田的腐蚀防护问题已经开展多年的研究与技术攻关，并采取了多种防腐措施，如采用低合金抗硫管材、加注缓蚀剂、管材内壁防腐涂层、使用玻璃钢管、镍基合金管等。
研究表明，对于高温、高压、高H2S/CO2分压、高Clˉ、高有机硫油气田的勘探开发，油套管选材倾向以耐蚀合金为主导趋势。
目前在我国西部地区使用的耐蚀合金管材主要以13Cr、超级13Cr和镍基合金为主，对于高含硫区块，Cr合金的管材已经无法满足苛刻环境需求，镍基合金虽然在H2S，CO2共存的环境下耐蚀性较好，但是镍基合金管材也存在加工工艺复杂，生产技术难度大，材料成本高，表面易损伤等缺陷，并且我国镍资源匮乏，依赖于镍基合金耐蚀管材从长远来讲不利于油气战略发展。
钛合金是20世纪50年代发展起来的一种重要金属，钛及钛合金密度小，比强度高，耐腐蚀性能优异，中高温力学性能好，具有优良的抗疲劳和蠕变性能，钛合金管材的制造工艺成熟，在石油化工行业有巨大的应用潜力。
本文从目前国内外钛合金材料在能源行业应用情况入手，研究钛合金材料在高腐蚀环境下的使用可行性，为我国耐蚀管材选择和深层油气开发提供选材参考。
2国内外钛合金研究现状国际上钛合金油井管的开发与使用早于国内镍基合金油井管。
早在上世纪90年代美国就已经实现了钛合金管材在石油天然气勘探开发领域的工业化应用。
应用最为成熟的是美国RMI公司【1】，该公司于上世纪90年代开发设计出一种合金组元简单，合金含量低，材料成本低廉，加工性能良好的α+β型Gr. 28钛合金用于油井管的生产制造，在满足油气生产的强度与耐蚀性要求的前提下，显著降低了钛合金油井管的生产成本。
同时，该合金有良好的机械加工性能以及优良的可焊性，热处理工艺简单，无需时效处理，具有高断裂韧性、高疲劳裂纹抗力和良好的延展性。
室温下，该合金的屈服强度为118 ksi（814 MPa），抗拉强度为133 ksi（917 MPa），延伸率为9‐13%，冲击韧性30‐50 J，满足API标准中110钢级管材的性能需求。
之后，RMI公司在此材料的基础上有开发出一系列适用于石化行业的钛合金材料，见表1。
表1 满足能源行业的钛合金材料Tab.1 Titanium alloys for demanding energy applications合金名 ASTM 牌号 屈服强度/ksi Ti‐38644 或 Ti Beta‐C 19 130‐170Ti‐6246 ‐ 140‐160Ti‐38644/Pd 或 Ti Beta‐C/Pd 20 130‐170 Ti‐6‐4 ELI 23 110Ti‐6‐4 RU 29 110Ti‐3‐2.5 RU 28 70‐80在管材方面，RMI公司成功地研制出钛合金材质的套管、油管和连续管，见图1，这些管材采用热旋转‐压力穿孔管材轧制工艺，可用于ASTM Gr. 19、20、23、28和29钛合金无缝管的生产。
该工艺可以在生产普通钢管的轧机上生产相同规格的钛合金管材，与传统的工艺相比，新工艺使钛合金管材的生产效率提高了5‐20倍，所工艺生产的钛合金管材的尺寸外径从48 mm到610 mm，最大壁厚可达26 mm，单根钛合金管的长度可达12 m以上。
RMI 公司开发的钛合金连续管采用焊接方式连接，可生产长度为1830‐3050 m，外径可达63.5 mm，壁厚3.2 mm的连续管。
图 1 RMI公司的钛合金管材产品（a）4in.套管；(b)2-7/8in.油管；（c）1in.连续管Fig.1 Titanium tubular produced by RMI（a）4in. titanium casing,(b) 2-7/8in. titanium tube,(c)1in. titanium coiled tubingRMI公司生产的钛合金油井管产品经美国腐蚀工程师协会NACE评定认为：环境温度在330 ℃以下时，钛合金可完全抵御H2S、CO2和Clˉ腐蚀；Gr. 29钛合金材料在酸性油气井的服役实践表明其腐蚀抗力超过C276镍基合金。
而Gr. 29钛合金油套管的成本较之低端的G3镍基合金油套管却更加便宜。
除了钛合金油管、套管和连续管外，RMI公司还设计生产出钛合金钻杆、钛合金海洋钻井隔水管和悬链式立管等产品，见图2。
(a) (b)图2 钛合金隔水管（a）和悬链式立管（b）Fig.2 (a) Titanium riser string joints and（b）titanium alloy taper stress joint Weatherford 公司的子公司Grant Prideco 及RTI国际公司在Texas 的子公司RTI 能源系统公司于21世纪初研制出具有很高的强度、挠性和耐用性, 而且质量轻、耐腐蚀的钛合金钻杆【2】，钻杆本体材料采用Ti‐ 6Al‐ 4V(ASTM5) 合金，屈服强度为840MPa, 等于S‐ 135钻杆钢强度与重量比值的1.54 倍，疲劳寿命比钢钻杆提高了10 倍。
钛合金钻杆采用钛合金钻杆本体加钢制接头的结构，接头材料为SAE‐ AISI4135、4140 或4145 铬钼钢，这样可以防止粘扣。
钛合金钻杆本体与钻杆接头的联接是采用冷装配的方式连接，在钻杆接头上安装一个铜环解决了钛合金钻杆本体的疲劳失效问题。
该钻杆于2000年在美国TAXES州完成了多口大斜度定向井的钻井，取得了良好的应用效果【3】。
美国雪佛龙公司于上个世纪末开发出用在热采井上的钛合金套管，所用材料为Ti‐6246(原用于航空工业耐热高强度钛合金)，制备出9‐5/8in.~16in.的 145钢级的钛合金热采井用套管，使用汉庭开发的APEX扣型最为连接螺纹，管材使用表面涂裹玻璃润滑剂进行热挤压成形，2003年起在井深5000in ,500‐550F的热采井中成功使用20多口井，取得良好的效果，见图3。
图3 热采井中使用的16in. 钛合金套管Fig.3 Running in geothermal well with 16 in. titanium casing我国钛合金管材主要用于航空航天和军事工业上。
据统计，钛材在航空航天上的应用约占钛总产量的70%左右。
随着石油天然气工业需求的日益突出，国内只有少数几家研究院所和制造厂正在进行钛合金材料在石油天然气钻完井领域的先期研究，中国石油管工程技术研究院进行了钛合金油井管全面的实验研究工作，并与制造厂合作开发出钛合金油管推广应用。
3钛合金油井管可行性研究针对我国西南油气田的腐蚀环境，笔者对钛合金材料进行了一系列全方位的性能评价和耐腐蚀性能研究，并针对钛合金油管设计了专用特殊螺纹接头，对接头进行了表面处理强化，研究了钛合金油井管的应用可行性研究。
3.1 理化性能研究对研究的钛合金材料取金相样，在砂纸上磨制后，使用氢氟酸加硝酸电解抛光，使用MEF3A金相显微镜和MEF4M金相显微镜及图像分析系统对试样进行观察和分析，金相组织为魏氏组织，见图4。
图4 钛合金材料显微组织Fig.4 Microstructure of titanium alloy依据相应的标准，在钛合金管体上分别取拉伸试样、夏比V型缺口冲击试样、硬度试样和断裂韧性试样，进行力学性能分析，结果见表2~5。