鈦合金無縫管在油氣井中的應用現(xiàn)狀及工藝研發(fā)*

董恩濤 ，余 偉 ，史佳新 ，許澤慶 ，韓 盈 ，張家銘

（1.北京科技大學工程技術研究院，北京 100083；2.鋼鐵共性技術協(xié)同創(chuàng)新中心，北京 100083；3.高效軋制國家工程研究中心，北京 100083）

石油工業(yè)在我國國民經濟中一直占有重要的地位，而且隨著石油工業(yè)的發(fā)展，油氣井用管作為石油天然氣開發(fā)工程中所必須的重要材料，其需求與日俱增。石油工業(yè)中，每年由于石油用管服役工況惡劣導致其磨損、腐蝕、斷裂、開裂等問題，所帶來的破壞對國家造成重大經濟損失。尤其近年來隨著石油資源的不斷開采，石油天然氣勘探開發(fā)向極地和海洋拓展，高壓、高溫井的不斷涌現(xiàn)使得開采難度越來越大，深井、超深井的井下高溫、高壓環(huán)境對油井管的強度、韌性等使用性能有著極高要求，所處條件超出大多數(shù)低碳微合金鋼管和耐蝕合金管（如鎳基合金）長期服役的能力范圍［1-2］。

鈦及鈦合金是20 世紀中葉發(fā)展起來的一種重要金屬，其密度小，具有比強度高和耐腐蝕性好等優(yōu)點，在航空航天、生物醫(yī)療、石油和冶金領域的應用越來越廣泛［3］。其中，鈦合金油井管作為現(xiàn)有油井管的補充和替代產品，其優(yōu)勢和需求越來越明顯，使得鈦合金油井管的研究和應用成為目前高溫、高壓及高腐蝕惡劣環(huán)境油氣井選材和腐蝕控制最熱門的方向。隨著我國科學技術的發(fā)展，鈦合金材料制備技術及產品質量得到了大幅度提高，但在鈦及鈦合金管材的生產過程中依然存在著很多的問題，制約著其應用前景［4］。現(xiàn)探討國內外鈦合金無縫管在油氣井中的應用現(xiàn)狀及前景，結合目前的研究基礎，提供油氣井用新成分鈦合金管材生產工藝，以彌補現(xiàn)有技術中存在的鈦合金無縫管制造工藝復雜、產品性能欠佳的缺點，以拓展其應用前景。

1 鈦合金無縫管的生產及在油氣井中的應用

1.1 鈦合金無縫管的生產現(xiàn)狀

高強度的鈦合金雖然具有較好的耐蝕性、高溫強度和熱穩(wěn)定性等優(yōu)點，但其在500 ℃以下的熱導率不到鋼的一半，因此在變形過程中易升溫、難傳熱；此外，鈦合金的比熱容與鋼相當，所以鈦合金在高溫條件下的溫降較快。鈦合金的高溫變形抗力受變形溫度和相變溫度的影響顯著，導致大部分鈦合金的熱加工溫度窗口較窄（如近α 型、α+β 型和近β 型鈦合金）。此外，鈦合金雖然在450 ℃以下加工時，其表面能形成致密的氧化膜，該氧化膜具有出色的抗氧化性能，但是處于較高溫度所形成的氧化產物極易出現(xiàn)裂紋及孔洞［5］，會降低抗氧化性能，而且剝落的氧化產物會在后續(xù)加工工序中被壓入基體，從而導致表面質量惡化。另外，鈦合金在高溫變形過程中的摩擦性能差，摩擦因數(shù)高且不穩(wěn)定［6］，易磨損腐蝕，并與軋制工具黏附。由于鈦合金的這些屬性特點，增加了制造大尺寸高強度鈦合金無縫管的技術難度，尤其是中厚壁管材（徑壁比12～20）和薄壁管材（徑壁比∧20）。

傳統(tǒng)的熱擠壓工藝能制造塑性較低的鈦合金無縫管，但由于擠壓比的限制，無法生產徑壁比較大的管材。另外，為了獲得好的鈦合金無縫管表面質量，需要對鈦合金管坯進行銅包覆等潤滑處理［7］，但高溫時銅與鈦會發(fā)生反應，并生成金屬間化合物，發(fā)生界面復合，銅層去除困難。而且，在熱擠壓時，坯料表層與內層會產生很大的溫差，可達200 ℃，其結果是管坯心部的變形抗力遠低于擠壓筒內壁及模孔的環(huán)形區(qū)，造成變形不均勻，在表面層中產生大的附加拉應力，在管材表面形成裂紋源，導致擠壓管材的表面質量難以保證。

擠壓-冷軋（拔）工藝是采用熱擠壓方法獲得管坯，管坯在表面處理后進行冷軋（拔），然后退火消除加工硬化，以調整組織性能。鈦合金冷加工的性能較差，為了保證管材的壁厚和性能，薄壁管往往需要多次冷軋和退火處理。該工藝生產的鈦合金無縫管，其表面質量和尺寸精度高，性能均勻性好，但其表面處理時往往采用強酸酸洗，這易造成環(huán)境污染，且加工周期長、能耗高、成材率較低。

斜軋穿孔-軋制的熱加工方法是目前生產鈦合金無縫管采用較多的工藝，其利用現(xiàn)有無縫鋼管的生產線，相比于擠壓工藝，可顯著簡化流程，提高生產效率。但鈦合金對熱變形參數(shù)敏感，這使得管材變形機制復雜，穿孔、軋制和定（減）徑等工序都會在一定程度上改變鈦合金的組織及表面質量［8］。另外，鈦合金的組織具有遺傳性，導致加工過程不同階段和位置的組織性能存在多樣性，而且管材成型尺寸越長，頭尾溫差越大，大直徑鈦合金無縫管外壁、內壁和頭尾的組織性能波動幅度就越大。因此，目前亟待開發(fā)更加成熟、高效的短流程大直徑鈦合金無縫管熱軋生產工藝，并形成穩(wěn)定的低成本鈦合金無縫管工業(yè)化制備規(guī)范。

1.2 鈦合金無縫管在油氣井中的應用

鈦合金無縫管在石油天然氣行業(yè)用途很廣泛，特別是在腐蝕環(huán)境條件下應用具有得天獨厚的優(yōu)勢，能在潮濕的大氣和海水介質中服役，對點蝕、酸蝕和應力腐蝕的抵抗力特別強，對CO2+H2S+Cl-也有極強的腐蝕抗力，抗蝕性遠超低碳微合金鋼和不銹鋼［9］。

鈦合金無縫管的彈性模量小，具有極高的抗疲勞強度，能夠防止海浪沖擊和平臺移動造成的動態(tài)應力腐蝕，適應鋪設過程中的彎曲變形工況，滿足復雜海洋環(huán)境要求輸油氣管線抗腐蝕性能和高穩(wěn)定要求［10］。對于短半徑井和水平井，鈦合金鉆桿可以大幅降低設備載荷，顯著提高其使用壽命，不易出現(xiàn)普通材質鉆桿發(fā)生的疲勞斷裂。美國RMI 活性金屬公司等通過在部分鈦合金中加入稀有元素等對鈦合金的耐蝕性能進行提升，并采用熱旋轉+壓力穿孔管材軋制工藝，成功研制出高強度鈦合金材質套管、油管、連續(xù)管和海洋鉆井隔水管等產品，產品已在多個油氣井及鉆井項目中成功應用［11］。美國RTI 國際金屬公司開展了擠壓鈦合金油管和焊接鈦合金油管的研發(fā)工作，其產品已在酸性油氣田得到批量應用［12］。

相比于鈦合金無縫管在國外的研發(fā)和應用，我國的鈦合金無縫管主要用于航空、航天及醫(yī)療領域，石油及天然氣用鈦合金無縫管的研制和開發(fā)還處于起步階段，而我國中西部高腐蝕性油氣田勘探及高壓高溫井的開發(fā)對其所用油井管提出了更苛刻的要求，現(xiàn)在使用的微合金鋼和耐蝕合金無縫管已經無法完全滿足當前工況環(huán)境需求，而鈦合金油套管的力學性能與鎳基耐蝕合金油套管相當，符合其開發(fā)需要。

2 鈦合金油井管的新工藝研發(fā)

2.1 鈦合金成分設計

添加不同的合金元素以及不同的添加量都會影響到產品的物理、化學與力學性能。根據鈦合金的不同用途來進行針對性地合金化設計是強化鈦合金性能的主要方法，目前添加合金元素（比如β 相穩(wěn)定元素）是提高鈦合金的高溫性能及耐腐蝕性能的重要手段。若β 相穩(wěn)定元素含量不足，無法起到強化改善的作用；添加過多，不僅會增加鈦合金的成本和密度，還容易形成元素偏析或大量脆性中間相，從而影響材料性能。因此，β 相穩(wěn)定元素的選擇和含量的精確控制是需要著重考慮的。

筆者在現(xiàn)有TC4 鈦合金成分基礎上，分別開發(fā)了兩種新成分鈦合金，TC4 基鈦合金化學成分見表1。從表1 可以看出：一種是TC4 合金添加了Ru 和 Bi 等；另一種為 TC4-NiNb 合金［13］，添加微量的β 相穩(wěn)定元素Ni 和Nb，能提高鈦合金的抗氧化性和固溶強化作用［14］，提高強度、高溫性能、耐蝕性等性能指標，配合熱軋后熱處理工藝還可改善產品的綜合性能，可廣泛應用于服役工況苛刻的油氣井行業(yè)，比現(xiàn)有的高合金鈦合金無縫管和鎳基合金無縫管更具經濟性和實用性，可對我國石油工業(yè)的發(fā)展具有極大的促進作用。TC4-NiNb 合金管坯及熱軋態(tài)管材的金相組織如圖1 所示。

表1 TC4 基鈦合金化學成分（質量分數(shù)）%

圖1 TC4-NiNb 合金管坯及熱軋態(tài)管材的金相組織

2.2 鈦合金無縫管新工藝

無縫管材加工流程如圖2 所示。傳統(tǒng)無縫鋼管生產工藝為：1→2→3→5→6→7→（8→9）→11，生產線采用一套環(huán)形加熱爐或斜底式加熱爐用于加熱坯料，其加熱的坯料因長時間的爐內均熱會導致表面滲氧層的存在，采用該工藝生產鈦合金無縫管時，會使得鈦合金無縫管內外表面質量差、缺陷多，且同一時段只能實現(xiàn)鋼管或鈦合金管單一品種的軋制，生產切換能耗高、周期長、設備利用率低，不能實現(xiàn)短流程生產。

圖2 無縫管材加工流程示意

鑒于此，筆者提出了一種適合鈦管生產的短流程工藝：4→5→6→7→10→11，即在傳統(tǒng)無縫鋼管生產線上增加鈦坯加熱爐，用環(huán)形加熱爐加熱鋼坯，鈦坯加熱爐加熱探傷合格的鈦坯，以便于兩者可以使用同一條生產線，容錯率高，提高了設備利用率，而且還可減少鈦坯加熱過程中的吸氧、吸氫。在計劃軋制的鈦管和鋼管規(guī)格相同時，從鋼管軋制可直接切換至鈦管軋制。切換時，對穿孔機導板、頂頭和軋管機芯棒或頂頭做潤滑處理，使穿孔過程更加順滑，盡可能減少管壁缺陷和管坯變形過程中的切向剪切應力，避免橫鍛效應，從而得到質量均勻的荒管。精軋中對毛管內壁進行潤滑，有效地減少了軋輥和鈦管之間的摩擦因數(shù)，降低軋制力，避免軋輥與鈦管之間因摩擦而使鈦管軋入雜質，有效提高了軋件表面質量和內部性能。隨后，根據軋制后毛管的溫降程度，選擇經電感應補熱后定（減）徑或直接定（減）徑軋制，再經溫矯直、冷卻、磨光或無心車削，生產出高質量鈦合金無縫管。該工藝通過坯料加熱流程的改變，可以實現(xiàn)不同加熱工藝和不同軋制溫度產品的共線生產，實現(xiàn)鋼管和鈦管混合軋制，可用于高強度鈦合金或純鈦管的短流程加工，設備利用率高，解決交換耗時且生產效率低的問題。

鈦合金無縫管同鋼管類似，可以通過熱處理獲得不同組織結構來發(fā)揮其多功能的用途［9］，但其本質與鋼質管材又有所不同，這是由鈦合金本身的材料屬性所決定的。通常鈦合金有效的熱處理工藝為固溶處理+時效處理，鈦合金進行兩相區(qū)固溶是為了保證合金元素在β 相中充分固溶，以獲得可以產生時效強化的亞穩(wěn)態(tài)β 相，固溶后的冷卻速度會對亞穩(wěn)態(tài)β 相分解的抑制程度造成影響，進而影響α 相和β 相的占比，空冷比水冷條件下的α相的比例大，而且冷卻速度低可以使片層厚度增加，水冷會有部分針狀馬氏體出現(xiàn)［15-16］。時效處理之前的亞穩(wěn)相會影響時效處理后其分解的微觀組織，空冷時效由于亞穩(wěn)相的分解導致時效后的細針組織降低，雖然強度會略低于水冷時效，但是韌性和抗疲勞損傷性顯著提高，滿足油氣井的使用環(huán)境要求。另外，對于超長尺寸大直徑鈦合金油井管，為了防止淬火變形和提高經濟效果，固溶空冷工藝相比具有更好的工藝穩(wěn)定性。

因此，在穿孔+軋制+熱處理的工藝基礎上，開發(fā)了一種無縫管鋼材和鈦材共用一條生產線的高效率、短流程加工工藝，避免鈦材無縫管、鋼材無縫管生產切換過程中環(huán)形爐的降溫和升溫操作，可以實現(xiàn)及時安排生產計劃；此外，還可以實現(xiàn)在線固溶處理，更好地調控鈦合金無縫管的組織和力學性能，以實現(xiàn)高強度、高韌性鈦合金油井管的生產。采用該工藝試制了TC4-NiNb 合金無縫管。先在TC4 基鈦合金化學成分的基礎上，通過適當?shù)腘i、Nb 合金化，開發(fā)出高強度、高韌性鈦合金管材料TC4-NiNb，再將真空電弧爐熔煉的坯料鍛造后的鈦合金管坯加熱，穿孔獲得毛管，并獲得（α+β）兩相組織，在鈦合金的兩相區(qū)溫度范圍（820～950 ℃）進一步連軋或斜軋即在兩相區(qū)溫度進行塑性變形以獲得荒管，然后加熱至固溶溫度（850～950℃）保溫一定時間即在線固溶處理，部分片層組織經兩相區(qū)變形動態(tài)多邊形化和再結晶完成向球化組織的轉變，而后再經后續(xù)定（減）徑及時效處理等工序，最終使成品Φ139.7 mm 鈦合金無縫管獲得片層球化混合微觀組織。Φ139.7 mm 鈦合金無縫管的沖擊斷口由細小韌窩所構成，是典型的韌性斷裂，此組織較單純的片層、網籃和雙態(tài)組織不僅具有較好的強度和塑性，同時還具有較高的高溫性能和抗疲勞斷裂韌性。TC4-NiNb 鈦合金在線熱處理管材掃描電鏡照片如圖3 所示，力學性能見表2，其室溫強度較常規(guī)TC4 鈦合金的強度可提高100 MPa以上，產品性能可以達到P110 或Q125 鋼級油井管性能標準要求。該高效率、全流程熱加工及在線熱處理工藝能有效替代傳統(tǒng)熱擠壓工藝及離線熱處理工藝，這對于實現(xiàn)高強度、高韌性鈦合金油井管的關鍵工藝生產及其應用具有十分重要的意義。

圖3 TC4-NiNb 鈦合金在線熱處理管材掃描電鏡照片

表2 TC4-NiNb 鈦合金在線熱處理管材的力學性能

3 結 語

（1） 高經濟性的鈦及鈦合金無縫管已成為高壓高溫、超高壓高溫熱酸性油氣井開發(fā)用管的理想選擇，國內外均在積極開發(fā)油氣井用鈦合金管材，其應用前景廣闊。

（2） 對于超長大尺寸的油氣井用高強度、高韌鈦合金無縫管，完全可以采用全流程優(yōu)化設計的熱軋工藝進行生產，這可有效提高成型過程的穩(wěn)定性，顯著改善成品管的組織性能及內外表面質量，并有效降低工具損耗，提升軋制成材率。