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海上鉆井開采系統用“鈦”

時間:2012-3-22 21:06:08 來源:https://www.mm0535.com 作者:弘凌泵閥 閱讀次數:3051

鈦合金具有高強度、低密度、優良的耐蝕性和良好的韌性,因而使其成為海洋鉆探系統用設備如立管、鉆管及錐形應力接頭等的最好選擇。在更多情況下,鈦和鋼的復合應用對海上鉆探系統成本的降低和效益的提高具有很大的貢獻。


  在過去幾年中,鈦合金構件在海上石油鉆探系統上的應用顯著增加。鈦合金使得鉆井設備可以進入更深的水里和井里,包括溫度更高和更具腐蝕性的環境中。以Ti-6Al-4V為基的鈦合金,具有物理、機械和腐蝕等最佳的綜合性能,對于海上鉆探構件而言具有更大的吸引力。這些特點主要包括:
1、高的壓縮和拉伸強度;
2、低密度與高強度結合,可使構件更輕;
3、良好的韌性和低的彈性模量,意味著彎曲應力較低,彎曲疲勞壽命高;
4、在空氣及海水中具有高的疲勞壽命;
5、能耐高達300℃的含鹽與酸性的油井流體的腐蝕;
6、在300℃下,基體及焊縫耐海水腐蝕;
7、優越的抗沖刷腐蝕性能;⑧良好的塑性和斷裂韌性以及高的耐久性和損傷容限。
  為了得到海洋開發系統不同應用部件的最佳性能,在Ti-6Al4V合金的基礎上進行了成分調整。如Grade 5合金(Ti-6Al-4V)最適合于做鉆管。這是由于鉆管對屈服強度和疲勞強度的要求較高,而其它兩種低間隙元素合金,如Grade 29,Grade 23則適合于對斷裂韌性要求較高的立管。當構件的服役溫度超過75℃~80℃時,為了防止間隙腐蝕和應力腐蝕的發生或為了滿足NACEMR-01-75標準的要求,通常要選擇更加耐蝕的含釕的Grade 29合金(Ti6Al4VRu,ELI,≤013),這些合金均可用傳統的焊接方法焊接。
Ti6Al4V基合金在海上鉆探系統應用的主要有以下幾種構件。
(1)海上鉆井立管鉆井立管使用鈦合金,除了減重外,還具有較好的損傷容限、易于用傳統技術進行檢查等優點。首次在海上大量使用鈦合金鉆井立管的是北海油田。在其高壓立管中使用了30599 mm(內徑)X25 mm(壁厚)X14.6m()Grade 23合金管材。采用鈦合金立管的優點有
1)可將立管的牽引力從9.8 MN降至3.7 MN,因此,減小了張緊輪的尺寸;
2)可減少立管底部的活動連接,從而使其在鉆井平臺結構中易于手工操作;
3)減少了平臺系統承載的質量;
4)不需要使用表面涂層。盡管鈦合金立管的成本較不銹鋼的要高,但使用后其整個系統的成本卻比原來降低了40%。
  雖然鈦在立管上的利用取得很大成功,但全鈦立管的市場出格有限。由于經濟原因,實際上多运用的會是不銹鋼/鈦或復合质料/鈦的立管。
(2)鉆管 在短距離鉆井中(曲率半徑在18m以內),傳統的不銹鋼管過早地出現轉動疲勞和物理磨損,因而RTI開發了由Grade5合金與標準Cr-Mo鋼接頭連接而成的鉆管。這樣設計避免了工具卡死和磨損并保證了其韌性和疲勞壽命。1999年,美國已用外徑為73 mm的鈦合金管成功地鉆成了10口曲率半徑18m的油井。近來,又用外徑為63.5 mm的鈦合金鉆管鉆成了曲率半徑為12m15m的油井。另外,鈦合金的無磁性也是吸引人之處,使得油井勘探不受磁性的影響。在長距離鉆井中,采用鋼管,其鉆井深度在垂直方向只到6.1km,水平方向為7.1km-9.1 km,而采用鈦管材后,其垂直方向可達9.1km。大直徑鈦管的使用,使得鉆具吊起所需的力減少了約30%,扭矩減少了30%~40%,并克服了液壓傳動裝置的限制。
(3)鈦錐形應力接頭 金屬錐形應力接頭相對于橡膠/銅等柔性接頭而言,設計緊湊,易于檢查,氣密性好,可在高溫下使用等,鈦的錐形應力接頭,其長度只有鋼的13,成本與鋼的相差無幾,甚至更低。RTI已設計和制造了Grade 23Grade 29合金應力接頭,并安裝在墨西哥灣和北海的鉆井平臺上,由于相對較低的成本和成功應用實例,鈦制應力接頭市場呈現出持續增長的勢頭。


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