TP-Ti-110钢级TP-G2（Ti）特殊螺纹钛合金油管的研发*

周晓锋，孙 宇，张传友，杨永昌，史 彬，梅 丽

（天津钢管集团股份有限公司，天津 300301）

随着油气储量的减少，油气井的开采环境愈加恶劣。对于高温、高压、高H2S/CO2分压、高Cl-、高有机硫油气田的勘探开发，油套管选材以耐蚀合金为主导趋势。目前使用的耐蚀合金管材以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、表面易损伤等缺点，并且我国镍资源匮乏，依赖于镍基合金的耐蚀管材并不利于油气战略发展［1］。钛合金是镍基合金的理想替代材料［2-3］。我国是富钛国家，已经探明的钛资源量约占全球的40%，海绵钛（纯钛）产量约占全球的50%，开发钛合金油井管也是确保国家油气安全的重要战略之一。

国际上钛合金油井管的开发与使用较早。20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。钛合金管材应用最为成熟的是美国RMI公司［4］，该公司于20世纪90年代开发设计出Gr.28钛合金用于油井管的生产制造，随后在此基础上又成功研制出钛合金材质的套管、油管、连续管、钻杆、海洋钻井隔水管和悬链式立管等产品［5］，并已成功应用。近几年，美国雪佛龙股份有限公司联合美国钛金属公司及其他钛金属合金生产企业，开始研发一种高温高压抗腐蚀钛合金油井管产品，且成品已经通过一系列评价试验，并建立了相关产品标准，其生产的钛合金油井管已在井深1 500 m左右的地热井中试用。与国外相比，我国由于起步较晚，对钛合金油井管的应用还处于初始阶段，国内宝钛集团有限公司、宝山钢铁股份有限公司、攀钢集团成都钢钒有限公司、天津钢管集团股份有限公司（简称天津钢管）和忠世高新材料股份有限公司（简称忠世高新）等企业近几年开始积极研制钛合金油井管，以满足国内超深、超高压油气井对高强耐蚀管材的迫切需求。

为开发综合性能优异，适用于苛刻油气环境的钛合金油管产品，天津钢管结合自身的设备及生产能力、技术水平及内外优势资源，形成了TP－Ti－110钢级钛合金油管产品开发技术方案，通过独特的化学成分设计，使产品在满足高强度的同时，韧性满足API Spec 5CT—2012《套管和油管规范》要求；且管材制备工艺多样化，通过冷轧及热连轧工艺均能实现批量生产。本文将介绍TP－Ti－110钢级TP－G2（Ti）特殊螺纹钛合金油管的研发情况。

1 材料选择

根据API Spec 5CT—2012对油井管的性能要求，要保证钛合金油井管的性能满足要求，首先要在化学成分上做出恰当的设计。钛合金是以钛元素为基体加入其他合金元素组成的合金，合金化的原理与钢类似，添加不同的合金元素以保证其强度、韧性、抗腐蚀等多种性能。针对P110钢级油井管的材料性能需求，对现有钛合金品种及性能进行了调研，确定了选用新型TA31（Ti80）钛合金作为开发TP－Ti－110 钢级钛合金油管的材料［6－7］。

新型TA31（Ti80）钛合金的名义化学成分为Ti－6Al－3Nb－2Zr－1Mo，是一种以工业纯钛为基体，添加5.5%～6.5%的铝，3%的铌、2%的锆和1%的钼形成的新型钛合金。铝是α钛合金形成元素，室温下能置换固溶于α－Ti，溶解度可达7.5%而不形成钛铝化合物，是钛合金低温和高温强化最有效的元素之一。锆与钛同为活性金属，室温下为密排六方晶体结构，能与α－Ti和β－Ti在室温或高温条件下无限互溶，形成置换型固溶体。铌、钼具有体心立方结构，为β－Ti形成元素，与β－Ti能无限置换固溶形成固溶体，室温下铌在α－Ti中溶解度可达4%，钼可达0.8%，在α－Ti中以置换固溶体形式存在，当超过溶解度时，铌、钼固溶于β－Ti（2%～6%）保留到室温组织。在溶解度范围内，铝、锆、铌、钼固溶于钛但不形成过饱和α－Ti组织。因此，新型TA31（Ti80）钛合金在合金元素置换固溶强化和少量β相的强化作用下，室温和高温强度明显提高，同时由于不形成过饱和组织，材料韧性和塑性得到改善，形成以α为基本相、含有少量β相的中等强度近α的新型钛合金［8］。

2 专用气密封特殊螺纹

油井管螺纹接头尤其是油管接头，除密封性要求外，还应在上卸扣过程中不发生螺纹黏结和表面损伤，这就对钛合金油井管螺纹接头的设计和加工提出了较高的要求。钛合金具有弹性模量小、表面硬度低、耐磨性能差和导热系数小等特点，用钛合金管材加工API螺纹极易发生黏结现象，以钢铁材料为基础设计的一般特殊螺纹结构不适用于钛合金油井管，容易发生螺纹黏结和密封失效。针对钛合金材质的特性，中国石油集团石油管工程技术研究院和忠世高新采用多级密封［9－10］，使接触压力分布更均匀，降低螺纹黏结风险，并提高气密封性。天津钢管针对钛合金油管的使用要求，开发了弧面－锥面的气密封特殊螺纹 TP－G2（Ti）［11］。钛合金油管专用气密封特殊螺纹TP－G2（Ti）是在偏梯形螺纹基础上开发的，并进行了改进。

（1）采用负角度偏梯螺纹设计。负角度承载侧设计的螺纹在拧接后，接头受到拉伸载荷、弯曲载荷时承载侧面上的分力能显著降低螺纹端径向分离的趋势，提高了螺纹的连接性能及抗弯曲性能。

（2）改进了接箍齿高，使内螺纹的齿高略高于外螺纹的齿高。接箍螺纹齿高增高后，螺纹啮合时在齿顶和齿底之间有合理的间隙，降低了发生螺纹黏结的可能性。

（3）接头增大了导入侧的角度。增大导入侧角度的设计便于对扣、引扣，不易错扣。

（4）设计了合理的齿侧间隙。合理的齿侧间隙设计提高了接头的抗压缩能力，TP－G2（Ti）的抗压缩能力达到管体屈服强度的100%。

（5）设计了独特的密封面。钛合金材质由于黏性较大，所以采用弧面－锥面的密封形式，由于外螺纹端为大半径的弧面，能够保证密封面的接触面积，从而保证足够的密封能力。

3 综合评价试验

天津钢管利用新型TA31（Ti80）钛合金，开发出 Φ88.9 mm×7.34 mm 规格、TP－Ti－110 钢级 TPG2（Ti）气密封特殊螺纹钛合金油管，并对其力学性能、整管性能和抗腐蚀性能进行评价。

3.1 力学性能

由于目前还没有关于钛合金油井管的技术标准；因此，钛合金油管的力学性能指标参照了API Spec 5CT—2012标准中关于碳钢力学性能指标的规定。TP－Ti－110 钢级 TP－G2（Ti）气密封特殊螺纹钛合金油管的力学性能见表1。

表1 TP－Ti－110钢级TP－G2（Ti）气密封特殊螺纹钛合金油管的力学性能

评价结果表明，Φ88.9 mm×7.34 mm规格钛合金油管的力学性能均达到设计要求，并且能够满足API Spec 5CT—2012标准对110钢级碳钢管体和接箍力学性能的要求。

3.2 整管性能

在第三方监制下进行管体爆破强度、螺纹连接强度、带接头抗外压试验、ISO 13679∶2002《石油和天然气工业套管和管连接的测试程序》CALⅡ级B系和C系试验。管体爆破试验实际加载值是保证值的198.49%，螺纹连接强度试验实际加载值是保证值的119.87%（超过保证值20%加载15 min未失效，基于设备安全考虑，未做拉断试验），带接头抗外压试验实际加载值是保证值的153.63%（接头保载过程中未泄漏）。按照ISO 13679∶2002标准要求，分别进行了钛合金管体+钛合金接箍和钛合金管体+镍基合金接箍的ISO 13679∶2002标准CALⅡ级B系和C系TP－G2（Ti）特殊螺纹的评价试验，接头均未发生泄漏。

评价结果表明，TP－Ti－110钢级钛合金油管通过了管体爆破强度、螺纹连接强度、带接头抗外压试验，实测值均大幅超出保证值，完全能够满足用户的使用要求；TP－G2（Ti）钛合金油管专用气密封特殊螺纹通过了ISO 13679∶2002标准CALⅡ级评价试验，适用于复杂井况，具有更高的安全性。

3.3 抗腐蚀性能

中国石油化工股份有限公司西南油气分公司元坝气田（简称元坝气田）属于超高含硫海相气田，井况条件复杂苛刻，完钻井深6 500 m以上，井底地层压力70 MPa以上，地层温度160℃左右，井底最高H2S分压可达6 MPa，最高CO2分压可达8 MPa，且有单质硫产出。为评价 TP－G2（Ti）钛合金油管在元坝气田环境中的抗腐蚀性能，在模拟环境下进行抗腐蚀性能评价试验。评价试验考虑的主要问题有：采输过程中的电化学腐蚀；采输过程中的弯曲应力和轴向拉伸应力开裂；酸化过程残酸返排对管柱的电化学腐蚀；钛合金油管和镍基合金井下工具连接处的电化学腐蚀；钛合金油管产生弯曲贴合井壁处和高抗硫材质的电化学腐蚀［12］。

（1） 均匀腐蚀试验，以评价 TP－G2（Ti）钛合金油管在模拟生产环境的抗电化学腐蚀性能。试验按照JB/T 7901—2001《金属材料实验室均匀腐蚀全浸试验方法》进行，试验温度160℃，H2S分压5 MPa，CO2分压11 MPa，单质硫含量3 g/L，试验溶液Cl－浓度10%，流速3 m/s，试验周期168 h。试验结果显示：TP－G2（Ti）钛合金油管在上述试验条件下的平均腐蚀速率只有0.002 0 mm/a。

（2）硫化物应力腐蚀（四点弯曲）试验，以评价TP－G2（Ti）钛合金油管在模拟生产环境的抗弯曲应力腐蚀性能。试验按照NACE TM 0177—2005《金属抗硫化物应力开裂和H2S环境中应力腐蚀开裂的试验室试验方法》中的硫化物应力腐蚀（四点弯曲）试验方法进行，试验温度160℃，H2S分压5 MPa，CO2分压11 MPa，单质硫含量3 g/L，试验溶液Cl－浓度10%，试验周期720 h，按照名义屈服强度100%加载载荷。经过720 h后所有试样受拉面均没有裂纹。

（3）硫化物应力腐蚀（轴向拉伸）试验，以评价TP-G2（Ti）钛合金油管在模拟生产环境的抗轴向拉伸应力腐蚀性能。试验按照NACE TM 0177—2005标准中硫化物应力腐蚀（轴向拉伸）试验方法进行，试验温度24℃，H2S分压0.1 MPa，腐蚀溶液为标准A溶液，试验周期720 h，按照名义屈服强度100%加载载荷。经过720 h后所有试样标距部分均未产生裂纹。

（4）强酸均匀腐蚀试验，以评价TP-G2（Ti）钛合金油管在残酸返排过程的抗电化学腐蚀性能。试验按照JB/T 7901—2001标准进行，试验温度160℃，H2S分压5 MPa，CO2分压11 MPa，流速3 m/s，试验介质为pH值4的胶凝酸，试验周期72 h。TP-G2（Ti）钛合金油管在该试验条件下的平均腐蚀速率为0.005 6 mm/a。

（5）电偶腐蚀试验，以评价TP-G2（Ti）钛合金和718镍合金材质组合在生产环境中的抗电化学腐蚀性能及钛合金和110SS材质组合在生产环境中的抗电化学腐蚀性能。试验按照JB/T 7901—2001标准进行，试验温度160℃，H2S分压5 MPa，CO2分压 11 MPa，试验周期 168 h。TP-G2（Ti）钛合金油管外螺纹+718镍合金内螺纹配合下钛合金的平均腐蚀速率为0.005 0 mm/a，718镍合金的平均腐蚀速率为0.000 4 mm/a；钛合金外螺纹+110SS材质内螺纹配合下钛合金的平均腐蚀速率为0.046 8 mm/a，110SS的平均腐蚀速率为0.253 7 mm/a。

由此可见，TP-Ti-110钢级钛合金油井管在各种模拟工况下的腐蚀速率均较低（模拟生产环境中的平均腐蚀速率为0.002 0 mm/a，模拟残酸返排过程中的平均腐蚀速率为0.005 6 mm/a）；抗硫化物应力（弯曲和轴向拉伸）腐蚀开裂性能优异。与镍基合金相比，钛合金的抗腐蚀性能与镍基合金接近，甚至优于镍基合金。该TP-Ti-110钢级钛合金油管完全可以满足元坝气田高腐蚀环境使用要求。

4 用户评价

天津钢管生产的Φ88.9 mm×7.34 mm规格TPTi-110钢级TP-G2（Ti）气密封特殊螺纹钛合金油管分别于2015年5月和2016年10月在元坝气田两口井成功全井应用，是钛合金油管首次在超深高含硫气井应用，且下井顺利，所有接头经80 MPa气密封检测均合格，后续压裂施工、试气均正常，累计用量长度约12 500 m，质量约120 t。

5 结 语

天津钢管研发的TP-Ti-110钢级钛合金油管，其力学性能满足API Spec 5CT—2012标准对110钢级碳钢管体和接箍力学性能的要求；且通过了管体爆破强度、螺纹连接强度、带接头抗外压试验，实测值均大幅超出保证值，完全满足用户的使用要求；TP-G2（Ti）钛合金油管专用气密封特殊螺纹通过了ISO 13679∶2002标准CALⅡ级评价试验，适用于复杂井况，具有更高的安全性；通过了全面的各种模拟工况下的抗腐蚀试验，完全满足元坝气田高腐蚀环境使用要求，并且首次成功进行全井下井应用。