钛合金材料在石化行业应用研究_刘强

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 EnergyIndustry

LIU Qiang, ,SONG Sheng-yin, LI De-jun, BAI Qiang

Tubular 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 development

Key Words：Titanium alloy; development; corrosion resistance;thread gluing resistance; feasibility analysis

1 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 19 130‐170

Ti‐6246 ‐ 140‐160

Ti‐38644/Pd 或 Ti Beta‐C/Pd 20 130‐170 Ti‐6‐4 ELI 23 110

Ti‐6‐4 RU 29 110

Ti‐3‐2.5 RU 28 70‐80