海上油氣開(kāi)采設(shè)備的工作環(huán)境相當(dāng)惡劣，設(shè)備首先要與海水和原油、天然氣接觸，要經(jīng)受高溫氯化物、硫化物、氨等多種介質(zhì)的腐蝕，最高腐蝕溫度可達(dá)300℃。其次，設(shè)備要承受系統(tǒng)內(nèi)部的工作載荷和海上風(fēng)浪產(chǎn)生的沖擊載荷。再次，深海油氣勘探與開(kāi)采設(shè)備的尺寸都很大，如提升管長(zhǎng)達(dá)幾百米，設(shè)備自重很大，對(duì)材料的強(qiáng)度、韌性、抗疲勞性能等均有很高的要求。所涉及的用鈦裝置主要有鉆井立管、錐形應(yīng)力接頭、井下作業(yè)流送管、增壓管道、鉆具提升裝置、海水管路系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、滅火系統(tǒng)等。所使用的材料有工業(yè)純鈦(Grade l、Grade 2) 、Ti-6Al-4V合金(Grade 5、Grade23、Grade28) 、Ti-0.15Pd(Grade7) 、Ti-3A-2.5V(Grade9、Grade 18) 及Ti-38644合金等， 許多鈦部件是用大規(guī)格或超大規(guī)格鈦管材制備的。

圖1是Ti-6A-4V基合金添加不同合金元素及在不同鍛造工藝條件下的平面斷裂韌性及應(yīng)力腐蝕斷裂韌性的比較?？梢钥闯觯?添加了Ru的Ti-6A1-4V ELI合金采用β鍛造后，其應(yīng)力腐蝕斷裂韌性最好。采用β鍛造技術(shù)鍛造的Ti-6Al-4ⅤELI合金的平面應(yīng)變斷裂韌性(KIC) 和應(yīng)力腐蝕斷裂韌性(KISCC) 也遠(yuǎn)高于普通Ti-6A1-4V合金的性能。因此， Ti-6A1-4V ELl合金及添加Ru的T-6A1-4V 在海上石油開(kāi)采上得到了較為廣泛的應(yīng)用。

圖1 Ti-6A-4V基合金在不同鍛造工藝下斷裂韌性的比較

海上石油、天然氣開(kāi)采用鈦主要有四大部件：隔水管、鉆管、錐形應(yīng)力接頭和井下作業(yè)流送管（盤(pán)管）。

1、隔水管

英國(guó)北海油田上應(yīng)用的鈦合金隔水管是用Ti-6Al-4VELI(Grade23) 鈦合金制成的超大型高壓管，由30根Φ599mm(內(nèi)徑)×25mm(壁厚)X14.6m(長(zhǎng))巨型鈦合金管連接而成， 總長(zhǎng)438m， 其產(chǎn)品實(shí)物照片見(jiàn)圖2， 該隔水管由美國(guó)RMI公司制造。用鈦管代替鋼管，可降低提升力63%，降低制造成本40%，它適用于350m水深油田的采油。

圖2 Grade23鈦合金隔水立管

2、鉆管

鈦合金在小曲率半徑的采鉆設(shè)備上已取得了成功的應(yīng)用， 它是用Grade5(Ti-6Al-4V)鈦合金制成的超深井鉆管，垂直深度可達(dá)9200m。它用Φ93~168mm管制造。用它代替鋼制鉆管，鉆具的起吊力可減小30%，扭矩可降低30%~40%。另外，由于鈦合金無(wú)磁性，它不會(huì)干擾油井探測(cè)儀的探測(cè)信號(hào)。圖3為小曲率半徑采油井上鈦合金的應(yīng)用部位示意圖。表1給出了在曲率半徑小于20m石油鉆井設(shè)備上應(yīng)用鈦和鋼的效果比較。可以看出，使用鈦金屬后，其設(shè)備循環(huán)破壞壽命大大提高，約為鋼的50~100倍。目前鈦鉆管的鉆井?dāng)?shù)量也遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了鋼鉆管的鉆井?dāng)?shù)量。

表1不同曲率半徑的鈦、鋼鉆井設(shè)備服役情況比較

圖3 鈦合金超深井鉆管在小曲率半徑鉆井上應(yīng)用示意圖

3、錐形應(yīng)力接頭

鈦制錐形應(yīng)力接頭是用Grade23(Ti-6A-4V ELI) 和Grade29(Ti-6A-4V-Ru) 鈦合金制造的巨型鈦管，圖4給出了這種鈦合金錐形應(yīng)力接頭應(yīng)用示意圖及產(chǎn)品實(shí)物照片。該應(yīng)力接頭目前已應(yīng)用于墨西哥灣油田， 其長(zhǎng)度只有鋼制接頭的1/3， 規(guī)格為Φ(80~559) mm×(6.4~15.2)m，二者成本相當(dāng)。

4、井下作業(yè)流送管

井下作業(yè)流送管通常采用Grade2、Grade7、Grade9、Grade12、Grade18、Grade28等六種鈦及鈦合金焊接盤(pán)管制造，目前的最大外徑為63.5mm，最小壁厚為3.2mm，盤(pán)管長(zhǎng)度可達(dá)1630~3050m。據(jù)報(bào)道，未來(lái)盤(pán)管的目標(biāo)外徑希望達(dá)到152mm。使用鈦合金盤(pán)管代替鋼制盤(pán)管后，其盤(pán)管的疲勞壽命是鋼制盤(pán)管的5~10倍。同時(shí)，其在含酸或含硫井中的腐蝕疲勞壽命也得到了較大提高。圖5為鈦合金盤(pán)管的產(chǎn)品實(shí)物照片及其應(yīng)用示意圖。

圖4 鈦合金錐形應(yīng)力接頭應(yīng)用示意圖及產(chǎn)品實(shí)物照片

圖5 井下作業(yè)流送管產(chǎn)品實(shí)物照片及其應(yīng)用示意圖

目前，我國(guó)鈦制油氣開(kāi)采和開(kāi)發(fā)設(shè)備尚處于研發(fā)階段，除鈦制輸油管道外，尚無(wú)鈦制設(shè)備應(yīng)用的報(bào)道，與國(guó)外差距較為明顯。

歐美國(guó)家對(duì)于海洋油氣資源的開(kāi)采，已逐步向深海邁進(jìn)，目前開(kāi)采深度已達(dá)3000m，而我國(guó)仍處于300m海深的近海開(kāi)采階段。要進(jìn)一步開(kāi)發(fā)海洋油氣資源，特別是南海油氣資源，就必須發(fā)展鈦制油氣開(kāi)采設(shè)備，這對(duì)于開(kāi)發(fā)海洋資源，發(fā)展海洋經(jīng)濟(jì)意義巨大。