2《鈦合金油管和套管》（征求意見稿）編制說明一、工作簡況1、任務(wù)來源根據(jù)《國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)關(guān)于下達(dá)2023年第四批推薦性國家標(biāo)準(zhǔn)計(jì)劃及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)外文版計(jì)劃的通知》（國標(biāo)委發(fā)〔2023〕63號，國家標(biāo)準(zhǔn)《鈦合金油管和套管》以計(jì)劃編號20231938-T-469下達(dá)。2、制定背景油套管在油氣勘探開發(fā)中采購量大、費(fèi)用高，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(xué)科、多環(huán)節(jié)、用量大、花錢多、類型復(fù)雜、服役環(huán)境苛刻，在石油工業(yè)中占有很重要的地位。油套管服役條件惡劣，例如油管柱和套管柱通常要承受幾百甚至上千個(gè)大氣壓的內(nèi)壓或外壓，幾百噸的拉伸載荷，還有高溫及嚴(yán)酷的腐蝕介質(zhì)的作用，油套管的壽命直接決定油井的壽命，油井的壽命又決定了油田壽命。所以說，油套管的安全可靠性、使用壽命和經(jīng)濟(jì)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(qiáng)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)良特性成為新型的高端石油管材。目前，在國際上美國、日本、挪威等國在二十世紀(jì)的80年代初就開開發(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?zhǔn)搅⒐艿认盗谢a(chǎn)品，在勘探開發(fā)領(lǐng)域海洋油氣、高腐蝕環(huán)境和地?zé)峋玫酱罅抗I(yè)化應(yīng)用，鈦合金油套管國際上的主要制造企業(yè)有美國RMITitaniumCompany、Weatherford子公司GrantPrideco，RTI能源系統(tǒng)公司、Chevron公司、Cooper-Cameron公司、新西蘭QuestIntegrityNZLLtd以及日本的住友金屬等。我國寶鋼集團(tuán)、天津鋼管、攀鋼集團(tuán)、寶鈦集團(tuán)、中世鈦業(yè)等均有鈦合金油套管產(chǎn)品，并且在中石化四川元壩區(qū)塊、隨州區(qū)塊、西北局和南海天然氣水合物開采等規(guī)?；褂?。隨著油氣勘探開發(fā)不斷向深層深水、高溫高壓以及高腐蝕等非常規(guī)油氣資源發(fā)展，深井、超深井、水平井及高含硫化氫等復(fù)雜工況油氣井?dāng)?shù)目逐年增多，對高強(qiáng)低密、高耐蝕和高性能的鈦合金油套管提出了巨大需求。雖然目前關(guān)于油套管的國際標(biāo)準(zhǔn)有ISO11960《石油天然氣工業(yè)油氣井《石油天然氣工業(yè)套管、油管、鉆桿和管線管性能計(jì)算》等標(biāo)準(zhǔn)，但是這些標(biāo)準(zhǔn)都是以鋼鐵材料為基礎(chǔ)制定的，鈦合金材料從材料成分、微觀組織、彈性模量、力學(xué)性能及及加工制備工藝，試驗(yàn)方法、使用乃至搬運(yùn)、包裝及儲存都與鋼制油套管有巨大的區(qū)別，但是由于國際上目前缺乏鈦合金油套管國際標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致鈦合金油套管在設(shè)計(jì)、生產(chǎn)制造、油田用戶訂貨檢驗(yàn)、質(zhì)量評估和安全管理方面無標(biāo)準(zhǔn)可依，帶來諸多不便和應(yīng)用安全隱患，嚴(yán)重限制了鈦合金油套管的應(yīng)用推廣。同時(shí)，由于鈦合金與鋼鐵、鎳基合金等在材料性能、加工制備、連接防護(hù)以及儲運(yùn)等方面的巨大差異，缺乏3標(biāo)準(zhǔn)或使用鋼制油套管標(biāo)準(zhǔn)，會(huì)導(dǎo)致鈦合金油套管在選材、加工制備、訂貨檢驗(yàn)、現(xiàn)場應(yīng)用方面帶來技術(shù)、質(zhì)量、施工制約及諸多隱患，如下圖等問題，不但限制鈦合金油套管應(yīng)用推廣，而且會(huì)導(dǎo)致安全事故和經(jīng)濟(jì)環(huán)境損失本國標(biāo)準(zhǔn)制定為鈦合金油套管在深層深水、高溫高壓以及高腐蝕等非常規(guī)油氣資源開發(fā)領(lǐng)域提供了制造和應(yīng)用技術(shù)規(guī)范，為政府壓力管理機(jī)構(gòu)提供了監(jiān)督管理的依據(jù)。由于我國是鈦資源和加工大國，但是產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)落后、高端鈦產(chǎn)品缺乏，本標(biāo)準(zhǔn)的建立，有利于引導(dǎo)我國石油行業(yè)和鈦行業(yè)的共同技術(shù)進(jìn)步和產(chǎn)業(yè)升級轉(zhuǎn)型，有助于國際產(chǎn)能和裝備制造合作，促進(jìn)國產(chǎn)產(chǎn)品技術(shù)出口以及貿(mào)易，也有利于參與國際競爭。3、起草單位及工作組成員《鈦合金油管和套管》由中國石油集團(tuán)工程材料研究院有限公司、中國石油天然氣股份有限公司塔里木油田分公司,有研工程技術(shù)研究院有限公司,中國石油天然氣股份有限公司西南油氣田分公司,中國石油天然氣股份有限公司長慶油田分公司,中世鈦業(yè)有限公司,中國石油集團(tuán)川慶鉆探工程公司、寶武特冶鈦金科技有限公司,天津鋼管制造有限公司等負(fù)責(zé)制定。按照標(biāo)準(zhǔn)制、修訂工作程序的要求，我們成立了以中國石油集團(tuán)工程材料研究院有限公司為項(xiàng)目負(fù)責(zé)單位，中國石油天然氣股份有限公司塔里木油田分公司,有研工程技術(shù)研究院有限公司,中國石油天然氣股份有限公司西南油氣田分公司,中國石油天然氣股份有限公司長慶油田分公司,中世鈦業(yè)有限公司,中國石油集團(tuán)川慶鉆探工程公司、寶武特冶鈦金科技有限公司,天津鋼管制造有限公司參加的標(biāo)準(zhǔn)起草工作組，工作組成員有劉強(qiáng)、于洋、張建軍、徐婷、祝國川、惠松驍、趙密鋒、熊茂縣、賓國成、宋生印、馮春、郭淑君、計(jì)波、黃永智、李瓊偉、張忠世、于曉玲、張春霞、葉文君、孫繼鋒等組成，項(xiàng)目組成員包括了石油行業(yè)、連續(xù)管現(xiàn)場應(yīng)用、有色金屬研究、焊接、管材制備加工和油田用戶等多專業(yè)全面的專業(yè)技術(shù)人員。4、工作過程1)工作組從2013年1月開始，就進(jìn)行鈦合金油管合套管的研究工作，從2013年1月到2022年12月，歷時(shí)近10年時(shí)間，完成了鈦合金油套管材料選材與評價(jià)，可行性研究、鈦合金油套管評價(jià)試驗(yàn)，制管工藝研究、廠家調(diào)研、資料收集、試驗(yàn)評價(jià)、標(biāo)準(zhǔn)制定方案編制、征求意見稿和編制說明的起草工作。簡要過程如下：2)鈦合金油套管研究工作：從2013年1月起，項(xiàng)目組開始對鈦合金用于油井管的可行性做了深入的檢測評價(jià)和研究，完成了《鈦合金用做油井管可行性研究》和《鈦合金油井管連接性能和應(yīng)用研究》2個(gè)課題的研究工作，對鈦合金油管的材料、力學(xué)性能、耐腐蝕性能和實(shí)物性能有了細(xì)致的研究，積累了大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。3)鈦合金選材及評價(jià)試驗(yàn)工作：從2015年起，針對不同鈦合金材料在石油行業(yè)開發(fā)工況下的使用適應(yīng)性問題，項(xiàng)目組通過文獻(xiàn)調(diào)研和國內(nèi)外技術(shù)交流，針對石油行業(yè)可用的鈦合金材料進(jìn)行了篩選和評價(jià)試驗(yàn)，總結(jié)歸納了用于油管及連續(xù)管的可選用鈦合金材料和性能數(shù)據(jù)，為制定該標(biāo)準(zhǔn)中的鈦合金選材和性能提供了技術(shù)基礎(chǔ)。44)資料收集：由于目前國際上無鈦合金油套管同類標(biāo)準(zhǔn)，項(xiàng)目組收集并分析了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)如APISpec5ST《連續(xù)油管規(guī)范》，APISpec5CT《套管和油管規(guī)范》、ISO/CD13085《石油天然氣工業(yè)鋁合金油管》、APIRP5A5-2005《新套管、油管和平端鉆桿現(xiàn)場檢驗(yàn)方法》及GB/T20657《石油天然氣工業(yè)套管、油管、鉆桿和管線管性能計(jì)算》等石油行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，并且項(xiàng)目組通過對國內(nèi)高含CO2/H2S或H2S工況的油氣田進(jìn)行充分調(diào)研同時(shí)結(jié)合工程材料院在鈦合金方面的研究成果進(jìn)行集成創(chuàng)新，結(jié)合油田實(shí)際和國內(nèi)外鈦合金產(chǎn)品的實(shí)際性能數(shù)據(jù)，形成一套為廠家生產(chǎn)檢測、用戶訂貨選用提供指導(dǎo)的技術(shù)規(guī)范。5)鈦合金生產(chǎn)廠家及用戶調(diào)研調(diào)研：2016-2021年期間，在中國有研集團(tuán)有研工程技術(shù)研究院有限公司和寶濤集團(tuán)等單位的協(xié)作下，對國內(nèi)鈦合金熔煉企業(yè)、加工企業(yè)技術(shù)現(xiàn)狀和加工制備水平做了調(diào)研，并與鈦合金制管廠家進(jìn)行多次的技術(shù)交流，詳細(xì)了解了鈦合金領(lǐng)域目前的技術(shù)現(xiàn)狀、加工水平、鈦合金的材料熔煉、熱加工及處理、制造檢驗(yàn)等相關(guān)技術(shù)內(nèi)容，對鈦合金油套管的制造及性能要求有了較為詳細(xì)的了解。對于本標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)鍵指標(biāo)制定具有非常重要的作用。6)國家項(xiàng)目支持和大量的實(shí)驗(yàn)評價(jià)：該標(biāo)準(zhǔn)項(xiàng)目組一工程材料研究院為主要承擔(dān)單位聯(lián)合獲批2021年國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃《苛刻環(huán)境能源井鉆采用高性能鈦合金管材研究開發(fā)及應(yīng)用》，在國家項(xiàng)目的支撐下開展了苛刻環(huán)境能源井用鈦合金油管和套管用鈦合金材料的研發(fā)、制備加工、熱處理及模擬工況評價(jià)等實(shí)驗(yàn)工作，并對國內(nèi)外能收集到的鈦合金材料及國內(nèi)主要廠家制備的鈦合金油套管材料進(jìn)行了理化性能、腐蝕性能、實(shí)物性能及綜合性能評價(jià)，并按本標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的試驗(yàn)方法進(jìn)行了評價(jià)試驗(yàn)，將試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了綜合分析，形成了標(biāo)準(zhǔn)中的性能要求和實(shí)驗(yàn)評價(jià)方法。7)征集意見稿的編制：2022年-2023年，項(xiàng)目組系統(tǒng)分析了近年來調(diào)研、試驗(yàn)、資料等的研究成果，并且對主要技術(shù)參數(shù)進(jìn)行了試驗(yàn)論證，組織相關(guān)專家討論后，完成了本標(biāo)準(zhǔn)征求意見稿。二、國家標(biāo)準(zhǔn)編制原則、主要內(nèi)容及其確定依據(jù)（修訂國家標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，還包括修訂前后技術(shù)內(nèi)容的對本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了石油天然氣工業(yè)用鈦合金油管和套管的材料、強(qiáng)度級別、分類、規(guī)格、管端、生產(chǎn)工藝、材料性能、試驗(yàn)方法、標(biāo)記和表面處理、搬運(yùn)、包裝和儲存等。本標(biāo)準(zhǔn)適用于鈦合金油管和套管的制造及檢驗(yàn)。鈦合金油管和套管在國際上已工程化應(yīng)用，在我國還處于試用發(fā)展階段，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)處于缺失狀態(tài)。鑒于上述原因，在鈦合金油管和套管的規(guī)格方面，與現(xiàn)場應(yīng)用習(xí)慣和國際相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)看齊，沿用目前API油套和套管的規(guī)格體系，并根據(jù)鈦合金材料的特性，對本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的油管和套管尺寸和結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析、計(jì)算驗(yàn)證，以保證可以滿足現(xiàn)場應(yīng)用需求；在鈦合金油管及套管的材料要求與性能方面，工作組對國內(nèi)外能收集到的所有鈦合金油管及套管的性能均進(jìn)行了全方位的評價(jià)試驗(yàn)和數(shù)據(jù)積累，并對質(zhì)量性能數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析、計(jì)算驗(yàn)證；對不同鈦合金材料的油管和套管的性能數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比分析計(jì)算；并與國內(nèi)的鈦合金及油套管生產(chǎn)企業(yè)的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析性能驗(yàn)證，結(jié)合目前承擔(dān)的國家重點(diǎn)計(jì)劃最新成果，保證標(biāo)準(zhǔn)提出的材料5性能指標(biāo)具備普遍適用性。在試驗(yàn)方法方面，對涉及的主要試驗(yàn)方法根據(jù)國內(nèi)現(xiàn)狀及要求進(jìn)行了逐一有效性驗(yàn)證核實(shí)。在鈦合金油管及套管的測量方法、檢驗(yàn)及標(biāo)記方面，對其有效性進(jìn)行了驗(yàn)證。在鈦合金油管及套管的運(yùn)輸和存儲方面，結(jié)合我國油田現(xiàn)場管理規(guī)范，對相應(yīng)條款進(jìn)行了驗(yàn)證分析。對附錄A用于油管和套管的鈦合金材料推薦服役工況極限，工作組對表A.1中所列所有鈦合金材料均進(jìn)行了不同處理狀態(tài)下的模擬工況評價(jià)試驗(yàn)，綜合考慮機(jī)械性能、均勻腐蝕性能、點(diǎn)蝕性、抗硫化物應(yīng)力腐蝕性能及抗氫致開裂性能對對每個(gè)材料的耐腐蝕極限分壓、極限溫度和酸性進(jìn)行了大量測試，最后得出每個(gè)材料的推薦服役極限。綜上所述，項(xiàng)目組對本標(biāo)準(zhǔn)主要技術(shù)指標(biāo)、參數(shù)、公式、性能要求、試驗(yàn)方法、檢驗(yàn)規(guī)則等通過大量試驗(yàn)、統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)比對等工作進(jìn)行了充分的驗(yàn)證，可滿足我國相關(guān)應(yīng)用領(lǐng)域的技術(shù)需求。三、試驗(yàn)驗(yàn)證的分析、綜述報(bào)告，技術(shù)經(jīng)濟(jì)論證，預(yù)期的經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益和生態(tài)效益本標(biāo)準(zhǔn)起草團(tuán)隊(duì)從2008年開始，系統(tǒng)的開展了鈦合金油套管大量模擬工況腐蝕選材評價(jià)、實(shí)物試驗(yàn)、現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)等，對鈦合金油套管的選材、加工制備工藝、關(guān)鍵性能指標(biāo)、質(zhì)量檢驗(yàn)和現(xiàn)場應(yīng)用技術(shù)積累了大量的數(shù)據(jù)，并且結(jié)合在中石油、中石化和海洋開發(fā)的現(xiàn)場應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，對標(biāo)準(zhǔn)所需性能指標(biāo)和關(guān)鍵條款不斷試驗(yàn)、論證、優(yōu)化、應(yīng)用反饋，是目前國內(nèi)此方面研究最早最深入、數(shù)據(jù)最全、現(xiàn)場應(yīng)用最多的起草團(tuán)隊(duì)。1、針對選材方面，本標(biāo)準(zhǔn)在大量實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，將常用鈦合金材料的實(shí)驗(yàn)結(jié)果總結(jié)如下：純鈦在油氣開發(fā)中作為油井管使用的較少，這是由于純鈦（無論是TA1、TA2或TA3）的強(qiáng)度較低，屈服強(qiáng)度只有280～440MPa，達(dá)不到腐蝕工況下常用油井管的強(qiáng)度需求（一般要求強(qiáng)度大于552MPa），制作低強(qiáng)度的油套管成本高、應(yīng)用范圍非常小，因此在國際上鮮有用來制備油井管的報(bào)道。C.S.Brossia和G.A.Cragnolino對純鈦的耐腐蝕性能進(jìn)行了研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)純鈦在含氯離子的環(huán)境下會(huì)發(fā)生點(diǎn)蝕和縫隙腐蝕問題，如圖3~圖4所示，在1M濃度NaCl溶液中95℃時(shí)會(huì)發(fā)生點(diǎn)蝕問題，在同樣的溫度下1M濃度的Cl-環(huán)境會(huì)會(huì)發(fā)生縫隙腐蝕問題。G.Schmitt和U.Pankoke等人對純鈦在含硫及高鹽水環(huán)境中130℃~180℃溫度下的耐蝕性進(jìn)行了評價(jià)，發(fā)現(xiàn)Gr.2（TA2）超過130℃會(huì)發(fā)生局部腐蝕和一定的應(yīng)力腐蝕開裂敏感性。6圖3純鈦在1M濃度NaCl溶液中95℃時(shí)發(fā)生的點(diǎn)蝕形貌圖4純鈦在1M濃度的氯離子環(huán)境下95℃時(shí)發(fā)生的縫隙蝕形貌(2)Ti-3Al-2.5V合金（Gr.9）和Ti-3Al-2.5V-Ru合金（Gr.28）Ti-3Al-2.5V合金為近α型鈦合金，近α型鈦合金一般難以通過熱處理的方式強(qiáng)化機(jī)械性能，Ti-3Al-2.5V合金制成的油井管一般438MPa強(qiáng)度級別，強(qiáng)度較低同時(shí)耐腐蝕性能較差，所以較少用做油井管材料。美國RMI公司使用陰極改性的方法對Ti-3Al-2.5V合金添加鈀族元素，如Pd和Ru等，提高了Ti-3Al-2.5V合金的耐蝕性能，Ti-3Al-2.5V-Ru合金為α+β型鈦合金，通常采用β相變點(diǎn)溫度以上熱軋的工藝制成管材，獲得針狀α相或魏氏組織，通過熱處理可以使強(qiáng)度達(dá)到438MPa~552MPa，可以制成對強(qiáng)度要求不高的油井管、流體管道以及連續(xù)管材料。R.D.Kane和B.Craig等人對Ti-3Al-2.5V-Ru合金模擬生產(chǎn)工況進(jìn)行了耐腐蝕性能測試；R.W.Schutz系統(tǒng)的測試了Ti-3Al-2.5V-Ru合金在各種含硫酸性環(huán)境、熱采井，高含鹽地?zé)峋拳h(huán)境中的耐腐蝕性能，R.W.Schutz還對Ti-3Al-2.5V-Ru合金的應(yīng)力腐蝕行為和在甲醇中防止應(yīng)力腐蝕開裂所需的最小含水量進(jìn)行了研究。本項(xiàng)目組對Ti-3Al-2.5V和Ti-3Al-2.5V-Ru合金目前已評價(jià)7過的服役工況適用性極限歸納見表3。由表3可知，在測試工況條件下，Ti-3Al-2.5V-Ru合金具有良好耐蝕性沒有發(fā)生腐蝕問題。表3Ti-3Al-2.5V和Ti-3AlαYS(MPa)PruconEnironmentsPH2SPCO2pHe0nbrineL-nbrine0Na+,n8AiizingCononsAcidizingnn)------+1wt.%1--5-5-Nitricacid+1wt.%55MinimummethanolwatercontenttoavoidS(3)Ti-6Al-4V／Ti-6Al-4VELI(TC4/TC4ELI)鈦合金Ti-6Al-4V鈦合金（TC4）是α+β型鈦合金，為目前使用最廣的鈦合金材料。這種鈦合金通過不同的熱處理工藝（固溶、退火和時(shí)效等）可獲得758～1000MPa的不同強(qiáng)度，同時(shí)該合金易于加工，可采用熱軋、溫軋、擠壓和冷變形等方式制備適合的油井管，通過不同的熱處理工藝可獲得不同的組織和機(jī)械性能，見圖5，圖5（a）為魏氏組織，圖5（b）為α+β相。該型鈦合金具有良好的韌性9和焊接性能，被廣泛應(yīng)用于航空航天、造船、化工和汽車等行業(yè)。Ti-6Al-4VELI鈦合金（TC4）是在Ti-6Al-4V鈦合金的基礎(chǔ)上減小間隙元素碳、氮，特別是氧元素的含量，提高了材料在低溫下的斷裂韌性。由于Ti-6Al-4V／Ti-6Al-4VELI鈦合金強(qiáng)度較高，韌性匹配好，同時(shí)生產(chǎn)成本低且工藝成熟，首先被認(rèn)為是制作鈦合金油井管的首選材料。但是國內(nèi)外經(jīng)過多年的實(shí)驗(yàn)評價(jià)和模擬工況試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)Ti-6Al-4V／Ti-6Al-4VELI鈦合金用做油套管雖對任何濃度的硫和二氧化碳腐蝕沒有問題，但在以下有3個(gè)方面有使用局限性：1、在大于85℃時(shí)的中性或者酸性環(huán)境中將發(fā)生嚴(yán)重的氯化物縫隙腐蝕問題；2、在氯離子環(huán)境中；Ti-6Al-4V和Ti-6Al-4VELI鈦合金呈現(xiàn)應(yīng)力腐蝕敏感性，特別是在當(dāng)有預(yù)裂紋和高應(yīng)力狀態(tài)下時(shí)更為敏感，見表4；3、當(dāng)和其他更活潑的金屬耦合時(shí)將發(fā)生吸氫和氫脆問題[21]，在鈦合金的β相中，氫離子的擴(kuò)散速度更快。因此，在國內(nèi)外的石油行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中[53,54,i]，沒有將Ti-6Al-4V／Ti-6Al-4VELI鈦合金列為石油工業(yè)中可選材料，可見這種合金的性能不能滿足石油天然氣工業(yè)對油套管的性能需求。NoNoNoNoNoNoNoNoNoNoNoNoNoNoNoNo*OnlyTi-6Al-4VandTi-6Al-4VELIexhibitsusceptibilityando本工作組將國內(nèi)外針對Ti-6Al-4V／Ti-6Al-4VELI鈦合金目前已評價(jià)過的服役工況適用性極限歸納見表5。表5Ti-6Al-4V／Ti-6Al-4YS(MPa)ucnmnsPH2SPCO2pH--7-brine（Na,-111-1--1--1--withoutd,worst-0idmPH2S/00No（withN2）e01No（withN2）0ZnBr2No（withN2）11ngCs+1wt.%155Nitric+1wt.%55MinimumwatercontenttoavoidSCCTi-6Al-4V／Ti-6Al-4VELI鈦合金雖然不適合制備高耐蝕油套管，但是可以用來制備鉆桿。美國RTIEnergy公司使用Ti-6Al-4V合金制成2-3/8in～6-5/8in多種規(guī)格的鉆桿，鉆桿結(jié)構(gòu)使用內(nèi)外加厚熱軋鈦合金管體和AISI4135、4145等鉻鉬鋼制接頭用熱裝配過盈配合方式連接，疲勞壽命是鋼鉆桿的10倍，造斜半徑只有17.6米（80rpm），2000年起在美國Colorado的Greeley等多個(gè)區(qū)塊成功應(yīng)用。(4)Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo合金Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo合金(UNSR56260，又被常稱為Ti-6246)是最早開發(fā)用于噴氣式飛機(jī)引擎的鈦合金材料，后來在測井工具中應(yīng)用有超過20年的歷史。Ti-6246合金是一種β相富集、α+β型高強(qiáng)鈦合金材料，典型組織見圖6，這種雙相組織使得這種合金可以通過熱處理來獲得想要的性能，用做油井管時(shí)可通過鍛造、熱擠壓、雙相區(qū)退火或固溶時(shí)效熱處理方式制備強(qiáng)度高達(dá)965～1130MPa的無縫管，在高強(qiáng)度的同時(shí)還具有良好塑性和足夠的斷裂韌性，Chevron等公司1990年開發(fā)出用于熱采井的(9-5/8～16英寸)鈦合金套管，管材使用表面涂裹玻璃潤滑劑進(jìn)行熱擠壓成形，在井深5000in,500-550F的熱采井中多應(yīng)用超過20多口井無一泄露。Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo合金中由于含有較高的Mo含量，所以提高了合金的抗SCC性能，因此在國際標(biāo)準(zhǔn)ISO15156-3中，將這種合金列為油井管推薦材料，并且規(guī)定在耐硫化氫分壓、氯離子方面不受限制。近年來多家單位對這種合金的工況適用性進(jìn)行了研究，證明了這種合金較好的耐蝕性，但是也發(fā)現(xiàn)了Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo合金在一定極限工況下存在部分腐蝕問題，同時(shí)固溶時(shí)效熱處理方式獲得超高強(qiáng)Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo合金的耐蝕性還有下降。因此，本工作組將國內(nèi)外針對Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo合金評價(jià)出的服役工況適用性極限歸納見表6供參考。表6Ti-6Al-2Sn-4Zr-6YS(MPa)ucnmnsPH2SPCO2pH-Nottest-Nottest-Nottest11-Nottest1--Nottest1--Nottest1--1-withoutd,worst---3idPH2S/00No（withN2）0me0No（withN2）0CaCl2/CaBr2/ZnBr20No（withN2）ngCs/MinimumwatercontenttoavoidSCCb6-9h(5)Ti-3Al-8V-6Cr-4Zr-4Mo(Beta-C)合金Ti-3Al-8V-6Cr-4Zr-4Mo(Beta-C)合金(美標(biāo)Gr.19，國標(biāo)TB9鈦合金)是一種近β型鈦合金，這種鈦合金于1969年開發(fā)成功并廣泛制成板材、型材、棒和管等多種產(chǎn)品.Ti-3Al-8V-6Cr-4Zr-4Mo合金通過在β相轉(zhuǎn)變溫度以上進(jìn)行空冷并時(shí)效處理以獲得析出細(xì)小的α相來獲得高的強(qiáng)度，析出的α相越細(xì)小分布越均勻,則合金強(qiáng)度越高，強(qiáng)度通常在965-1172MPa甚至更高,典型的組織見圖7,以β相為主。由于Ti-3Al-8V-6Cr-4Zr-4Mo(Beta-C)合金具有較高的強(qiáng)度和良好的耐熱性，所以在上個(gè)世紀(jì)80年代末期，這種合金被制成套管或工具用于SaltonSea的地?zé)峋}水開發(fā)，后來又用于酸性氣田的深井生產(chǎn)管柱。但是這種合金由于具有較多的亞穩(wěn)β相所以帶來了很多的使用局限，在高溫下具有較差的蠕變性能，β相吸氫的趨勢更大，并且與其他β型鈦合金焊接是個(gè)問題，油井管可加工性差，沖擊韌性較低，當(dāng)大于190°C時(shí)對應(yīng)力腐蝕和縫隙腐蝕敏感等。針對Ti-3Al-8V-6Cr-4Zr-4Mo合金較差的抗應(yīng)力腐蝕和縫隙腐蝕問題，美國RMI公司對這種合金進(jìn)行了合金成分改進(jìn)，加入了微量的鈀族元素（0.05wt.%的鈀將該合金的耐應(yīng)力腐蝕和縫隙腐蝕溫度上限提高到275°C，見圖8，但是這種貴金屬元素的加入極大地提高了合金的成本，限制了使用范圍。本工作組將國內(nèi)外針對Ti-3Al-8V-6Cr-4Zr-4Mo合金評價(jià)出的服役工況適用性極限歸納表7。表7Ti-3Al-8V-6Cr-4Zr-4YS(MPa)ucnmnsPH2SPCO2pH7-brine（Na,-11--1--NoSCC1--NoSCC1--1--1--d,worst---3cPH2S/0me0No（withN2）0ngCs/MinimumwatercontenttoavoidSCC(6)Ti-6Al-4V-Ru(TC23)合金由于Ti-6Al-4V、Ti-6246、Beta-C等合金在耐腐蝕性能上都有局限性，因此日本SumitomoMetal公司和美國RMI公司分別開發(fā)了Ti-6Al-4V-0.05Pd（Gr.25）和Ti-6Al-4V-0.1Ru（Gr.29）合金，采用在鈦合金中合金化電位更高的貴金屬（如鈀族金屬PGM）來實(shí)現(xiàn)在酸中陰極極化的方法，這種陰極改性方法被證明是最可靠、通用的增加鈦合金中耐還原性酸、縫隙腐蝕和應(yīng)力腐蝕的方法，并在實(shí)際中大量應(yīng)用；由于Pd元素的價(jià)格太高，實(shí)際上應(yīng)用最廣的還是Ti-6Al-4V-Ru（Gr.29）合金。工作組系統(tǒng)研究了Ti-6Al-4V-Ru油井管的制備工藝，使用在β相轉(zhuǎn)變溫度以上進(jìn)行熱軋的方法制得無縫管，獲得針狀阿爾法相或魏氏組織,見圖10，強(qiáng)度為758MPa，硬度為35HRC，經(jīng)過系統(tǒng)的腐蝕性能測試證明：這種鈦合金在酸性油氣田中具有良好的耐縫隙腐蝕和應(yīng)力腐蝕開裂的能力，并且可以使耐高溫腐蝕性極限提高到300攝氏度。本工作組將目前國內(nèi)外針對Ti-6Al-4V-Ru合金評價(jià)出的服役工況適用性極限歸納見表8，可見Ti-6Al-4V-Ru合金只有在極高的溴化鹽的封隔液工況下才會(huì)發(fā)生SCC，其余工況條件下使用安全。YS(MPa)ucnmnsPH2SPCO2pH0---1--1--withoutd,worst-0brineL-brine0Na+,idmPH2S/1e01No（withN2）1No（withN2）ngC/sMinimumwatercontenttoavoidSCC(7)Ti-5.5Al-4.3Zr-5.7V-1.3Mo-0.10O-0.06Pd（UNS55400）合金Ti-5.5Al-4.3Zr-5.7V-1.3Mo-0.10O-0.06Pd合金是美國Alcoa公司于2015年專門針對高溫高壓井最新開發(fā)出的新一代的高強(qiáng)高耐蝕鈦合金[34]，UNS牌號是55400，國內(nèi)還沒有對應(yīng)的鈦合金牌號，這種鈦合金屬于α+β型鈦合金，并具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：1、通過不同的熱處理工藝達(dá)到超高強(qiáng)度862-1000MPa；2、具有良好的高溫性能和較強(qiáng)的抗蠕變性能；3、耐局部腐蝕、應(yīng)力腐蝕等的溫度上限提高到了288°C；4、增強(qiáng)了空氣中和溶液里的斷裂韌性；5、良好的焊接性能，可用傳統(tǒng)方法進(jìn)行焊接；6、極高的比強(qiáng)度。這種合金的熱處理方法較多，在不同溫度固溶處理并加以時(shí)效可獲得不同的顯微組織，如針狀α相或者等軸α+β相，見圖11，從而可以獲得不同的強(qiáng)度和韌性用于制造海洋生產(chǎn)隔水管、深水作業(yè)裝備、管柱、鉆桿及海底管線。本工作組對Ti-5.5Al-4.3Zr-5.7V-1.3Mo-0.10O-0.06Pd合金進(jìn)行的服役工況適用性極限歸納見表9，可以看出除了在288°C下溴化鹽環(huán)境中會(huì)發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂外，其余工況下均可以使用。表9Ti-5.5Al-4.3Zr-5.7V-1.3Mo-0.10YS(MPa)ucnmnsPH2SPCO2pH----d,worst---3cidmPH2S/1e1ngCs/MinimumwatercontenttoavoidSCCaDependonmetallurgicalcond值得強(qiáng)調(diào)的是，UNS55400合金耐酸性能非常好，在不加緩蝕劑的條件下，UNS55400合金可以耐到12wt.%鹽酸的酸化環(huán)境，腐蝕速率小于25.4microns/day，當(dāng)添加緩蝕劑的條件下可以在最高12wt.%鹽酸、105°C的酸化環(huán)境中使用，性能僅次于Ti-6Al-4V-Ru合金，見圖12。2、在實(shí)物評價(jià)方面，本工作組針對油套管進(jìn)行了在大量實(shí)驗(yàn)，選取部分試驗(yàn)結(jié)果如下：(8)鈦合金套管管體抗擠毀試驗(yàn)參照標(biāo)準(zhǔn)API5C5及ISO13679《ProceduresforTestingCasingandTubingConnections》（套管和油管螺紋連接試驗(yàn)程序）使用全尺寸擠毀試驗(yàn)裝置對鈦合金套管均勻施加外壓至套管失穩(wěn)/失效，在室溫下進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表10所示。鈦合金套管擠毀試驗(yàn)結(jié)果表明，鈦合金套管在23.6MPa保持20s后未發(fā)生失穩(wěn)/失效，最終擠毀強(qiáng)度為41.9MPa，滿足不小于27MPa的設(shè)計(jì)要求。試樣編號試驗(yàn)溫度擠毀強(qiáng)度（MPa）備注室溫41.9打壓至23.6MPa并保壓20s后管體未發(fā)生失穩(wěn)/失效，壓力增加至41.9MPa后，管體失效。設(shè)計(jì)要求不小于27MPa(9)套管上卸扣試驗(yàn)螺紋參數(shù)依據(jù)GB/T22512.2-2008標(biāo)準(zhǔn)使用ITG05-1712034內(nèi)錐度規(guī)、ELG03-1712033螺距規(guī)、ITH02-1712031齒高規(guī)、020298/31222游標(biāo)卡尺、3060581深度游標(biāo)卡尺和ETH02-1712030齒高規(guī)對9#鈦合金套管A、B端外螺紋參數(shù)和1#接箍內(nèi)螺紋參數(shù)進(jìn)行測量、測量結(jié)果如表11和表12所示。螺紋的測量結(jié)果表明，螺紋參數(shù)滿足技術(shù)要求。表11鈦合金套管A和B端外螺紋參數(shù)編號密封面偏差(mm)中徑偏差(mm)螺距偏差(mm/25.4mm)錐度mm/m牙型高度偏差(mm)9#-A0.03-0.0450.0163-0.019#-B0.03-0.015-0.01640.01外螺紋參數(shù)要求62～65表12鈦合金套管接箍內(nèi)螺紋參數(shù)編號密封面偏差中徑偏差螺距偏差錐度牙型高度偏差(mm)(mm)(mm/25.4mm)mm/m(mm)0.3450.1250.01640.040.3750.01630.03內(nèi)螺紋參數(shù)要求0.3~+0.40.05~+0.1562～65上卸扣試驗(yàn)使用NTQ273/70型動(dòng)力鉗對鈦合金套管和接箍進(jìn)行了上卸扣試驗(yàn)，A端進(jìn)行了三上兩卸，上卸扣時(shí)扭矩大小如圖14~圖17所示，B端進(jìn)行一次上扣試驗(yàn)，上扣時(shí)扭矩如圖18所示，圖19和圖20分別為A端第一次和第二次卸扣時(shí)螺紋形貌照片。結(jié)果表明，鈦合金套管螺紋經(jīng)過三上兩卸后均未發(fā)生粘扣現(xiàn)象，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表13。表13上卸扣試驗(yàn)數(shù)據(jù)試樣號上、卸扣次數(shù)上扣扭矩（N·m）卸扣扭（N·m）試驗(yàn)結(jié)果A粘扣23312033100未粘扣333040//B端133040//圖14A端第一次上扣圖16A端第二次上扣圖15A端第一次卸扣圖17A端第二次卸扣圖18A端第三次上扣圖19B端上扣圖20第一次卸扣后A端公扣和母扣實(shí)物照片圖21第二次卸扣后A端公扣和母扣實(shí)物照片(10)復(fù)合加載條件下鈦合金套管螺紋氣密封試驗(yàn)參照標(biāo)準(zhǔn)API5C5及ISO13679《ProceduresforTestingCasingandTubingConnections》（套管和油管螺紋連接試驗(yàn)程序）使用復(fù)合加載試驗(yàn)系統(tǒng)對通過上卸扣試驗(yàn)的鈦合金套管螺紋在彎曲工況下進(jìn)行氣密封能力試驗(yàn)，之后測試螺紋軸向抗壓縮和拉伸能力。復(fù)合加載試驗(yàn)中，首先對通過上卸扣試驗(yàn)的9#套管進(jìn)行15度/30米的彎曲加載，并測得彎曲后的套管及接箍尺寸，隨后對彎曲后的套管同時(shí)施加4000psi的內(nèi)壓并保持30分鐘檢查螺紋氣密封性能，卸載后，對套管施加軸向971kips的壓縮載荷并保持2分鐘，最后對螺紋施加15671kips的拉伸載荷并保持2分鐘，以檢測鈦合金套管的抗軸向載荷能力。彎曲試驗(yàn)彎曲試驗(yàn)中將通過上卸扣試驗(yàn)的9#鈦合金套管彎曲至15度/30米，彎曲前后套管及接箍外形尺寸分別如表14和表15所示，從表中可知，彎曲前后套管及接箍外徑變化較小，并保持圓形。表14彎曲前后鈦合金套管尺寸位置外徑（mm）圓度（mm）彎曲前彎曲后彎曲前彎曲后套管A1C1245.40245.540.400.26B1D1245.00245.70A2C2245.10245.300.400.30B2D2245.50245.00A3C3246.00245.740.300.60B3D3245.70A4C4245.90245.7000.06B4D4245.90245.64平均值245.56245.470.280.31表15彎曲前后鈦合金接箍尺寸位置外徑（mm）圓度（mm）彎曲前彎曲后彎曲前彎曲后接箍A5C5268.64268.440.180.24B5D5268.42268.20A6C6268.54268.500.100.08B6D6平均值復(fù)合加載試驗(yàn)隨后對彎曲后的鈦合金套管進(jìn)行復(fù)合加載試驗(yàn)，復(fù)合加載前后套管照片如圖22所示，復(fù)合加載試驗(yàn)結(jié)果如表16和圖23所示。試驗(yàn)結(jié)果表明，套管接箍在15度/30米彎曲條件下可承受4000psi的氣密封壓力、軸向的971kips壓縮載荷和15671kips拉伸加載，滿足對鈦合金套管氣密封、1493klb（kips）軸向拉伸和896klb（kips）軸向壓縮的技術(shù)要求。表16復(fù)合加載試驗(yàn)結(jié)果步驟序號載荷點(diǎn)彎曲加載軸向總載荷a（kips）保載時(shí)間min試驗(yàn)結(jié)果1135530未漏氣220-97102通過33002通過圖22復(fù)合加載前后鈦合金套管實(shí)物照片：(a)試驗(yàn)前,(b)試驗(yàn)后圖23復(fù)合加載試驗(yàn)結(jié)果：(a)彎曲載荷,(b)內(nèi)壓加載,(c)軸向載荷4、在實(shí)物評價(jià)方法方面，本工作組針對鈦合金油套管與鋼制油套管區(qū)別最大的抗擠毀性能和評估方面，建立了新的評估辦法，并用大量實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證，簡介如下：本起草組對多年來積累的油套管擠毀實(shí)物實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析比對表明，油套管材料在純外壓條件下擠毀時(shí)，均是在外壓到達(dá)極限值時(shí)發(fā)生突然的失效，這是由于實(shí)際工程中的油套管外形并不是理想的純圓形，導(dǎo)致非圓的油套管在圓周方向上的環(huán)向應(yīng)力并不是不均勻分布，即有附加彎矩效應(yīng)，當(dāng)外部壓力不斷地增加時(shí)油套管在最大壓縮環(huán)向應(yīng)力處達(dá)到屈服；當(dāng)屈服達(dá)到極限值時(shí)，油套管由于強(qiáng)度承載力不足而失效，導(dǎo)致發(fā)生強(qiáng)度或者失穩(wěn)擠毀，因此建立了在外壓作用下的強(qiáng)度擠毀準(zhǔn)則。該準(zhǔn)則計(jì)算方法不區(qū)分彈性擠毀或塑性擠毀，即：P=N=-3(e-e0)(C+ρD)R(1+e)(1+e)(Re+B)(R-t/其中D=F(ρ-t/2)lnF=E+σθ2-μσαH=CB-3RDBe0+t(μσα-E)(R-t/2)BK=3AR+CR-3RDeR+3RDB+α-E)(R-t/2)R0-3RBt(μσα-E)具體參數(shù)定義和公式具體推導(dǎo)過程中見文獻(xiàn)為了驗(yàn)證擠毀強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果與真實(shí)鈦合金油套管擠毀強(qiáng)度的準(zhǔn)確度，需要進(jìn)行鈦合金油套管的實(shí)物外擠毀試驗(yàn)。本起草組從國內(nèi)不同廠家收集到35種不同規(guī)格額的鈦合金油套管產(chǎn)品，實(shí)物抗擠毀試驗(yàn)參照標(biāo)準(zhǔn)API5C5及ISO13679《Proced