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高强度TC10钛合金棒、钛锻件在石油领域的应用前景

发布时间:2021-02-21 10:59:37 浏览次数 :

一、概述

钛被应用在石油行业原因在于其本身具有稳定的化学性质及良好的物理性能,可以在石油行业这种具有腐蚀性的工作环境中长时间稳定运行。钛及钛合金这点表现的尤为明显,高强度、低比重的特点让其在钛行业有着更为广泛的应用。目前钛及钛合金经过多年的研究完善,已经取得不错的应用效果。通过综合相关数据发现,钛及钛合金应用范围最为广泛的就是石油化工行业。

石油用钛合金棒

二、钛及钛合金在石油行业中的应用及优势

近年来,在能源危机和技术进步的刺激下,近海石油勘探与开发飞速发展,钛及钛合金在石油石化等领域的需求量逐年上升。

1、钛合金材料的特点及应用

钛合金钻杆具有优异的物理机械性能,主要表现在具有高强度、低密度、固有绕性好等特点,由于钛合金钻杆有很高的抗震性,因此不需要随钻震击器。钛合金钻杆具有极强的抗防腐性和井下环境适应性,可在高温硫化氢酸性高腐蚀环境里作业。  

钛合金钻铤、钛合金钻杆有如下特点: 

1)无磁,钛及钛合金具有无磁的特性。在 20 奥斯特条件下,其磁导率为1.00005~1.0001H/m,即使在很强大的磁场中也不会被磁化;

2)比重轻,钛及合金比钢要轻 43%;

3)弹性模量小,钛合金的弹性模量是钢的 57% 。

2、海洋钻井平台的钛及钛合金应用

实施海底油气勘探及开采的工作基地就是海上钻进平台,一定程度上代表着海底油气开发技术的行业水平。美国在北海油田钻井平台上大约使用了 100 个钛热交换器。海洋石油工程作为新兴的钛的民用市场,近年来发展很快。

钛法兰

3、钛及钛合金在石油行业的应用

石油化工企业中钛及钛合金已经有着几十年的应用,比如钛冷凝器、钛换热器等设备。目前在石油化工行业中应用最为广泛的钛材就是工业纯钛Ti2。石油化工行业使用钛材的地方较多,但工作环境不同对钛材有着不同要求,接下来笔者对其进行深入剖析。

原油炼制过程中当还有高硫分及高含盐时,这个环境中好似用钛制设备是比较合适的。国外发达国家在原油炼制各个环节都已成功运用钛及钛合金材料多年,比如常压蒸馏装置、冷凝器及脱硫分离塔等。我国相比于西方发达国家稍有不如,但也在冷凝器、海水泵等设备中应用钛材,运用时间也有十数年之久;石油化工的重要原料之一就是苯酚,苯酚本身具有毒性及腐蚀性,对设备材料有着极高的要求,但这方面我国尚处于开发环节中。旧工艺用苯磺化碱溶液生产苯酚,我国已采用钛制中和反应釜、钛盘管冷却器和离子氮化钛的搅拌器轴套,效果很好。

4、美国油服企业使用的钛合金(TC10)

美国在石油探井开采技术上一直处于领先地位,其中全球著名的油服企业斯伦贝谢、贝克休斯和哈里伯顿在设备上广泛应用钛合金。钛合金高耐腐、耐磨、高抗氯化氢腐蚀剂优良的机械性能, 大幅度提高了石油行业在探井,完井设备上的能力和可持续性。

TC10 合金成分及性能见下表1:

表1 TC10 室温力学性能

产品直径(mm)Rm/MPaRp0.2/MPaA/%aKU/JHRC备注
82-101.6≥1103≥1034≥10%≥9.49≤42测试沿轴向和弦向
>120≥965≥896≥10%≥9.49≤42

TC10(Ti-6Al-6V-2Sn)钛合金是在 TC4 合金基础上研制开发的一种高强度α + β 型钛合金,该合金在海水及原油中的硫化物、氨、氯等介质中具有优异的耐蚀性和抗腐蚀性,具有良好的综合性能,在潮湿环境和海水介质中工作,其抗腐蚀能力高于 1Cr18Ni9Ti,特别是对点蚀、酸蚀、应力腐蚀的抵抗力特别强。因此TC10钛合金将成为石油勘探与开发领域的首选材料,其市场应用前景广阔。

三、前景与展望

石油工业作为新兴的钛的民用市场,近年来发展很快。随着世界能源危机的进一步加剧并且陆地油气资源已经被大量开发, 世界各国必将投入大量的人力和物力开采陆地三高井、超深井和海底油气资源,这些条件苛刻的环境都离不开钛及钛合金材料的应用。

钛合金环

由于钛材的优质性能,更适应于海洋石油开发,石油化工设备等相关领域的应用,尤其是钛泵、阀、接头、紧固件、夹具和零配件等小型核心部件会大量应用在石油开采平台上。国外海上石油勘探测完井工具和设备上大量使用了 TC10钛合金,仅美国市场对 TC10钛合金棒材、钛锻件的年需求量近 500 吨以上需求。就目前情况而言,石油工程及海洋工程中应用钛及钛合金已成为一种新的发展趋势,因此相关研究人员应该有意识的做好这方面技术研究工作。

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