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海洋材料(13):鈦在海洋工程領(lǐng)域如魚得水

2015年09月09日 10:25 6188次瀏覽 來源:   分類: 新材料前沿

 

鐵和海洋13

鈦管道斷裂長度對比圖。


  鈦在海洋工程中的應(yīng)用可以用于開采海洋石油和天然氣的工程領(lǐng)域,包括用來探測碳?xì)浠衔?、提取石油和將烴原料從油氣田中運(yùn)出的海洋平臺結(jié)構(gòu)和海洋工程設(shè)施。
  當(dāng)前受油氣行業(yè)商業(yè)發(fā)展的影響,海底暗礁的探測范圍變寬,深度已達(dá)到2000m。與海上實(shí)體工業(yè)相比較,海上油氣生產(chǎn)設(shè)備的操作環(huán)境要復(fù)雜的多,原因如下:
  --石油、天然氣、鹵水、鉆井泥漿攜帶的氫硫化物、氧氣、二氧化碳和其他雜質(zhì)中產(chǎn)生的腐蝕介質(zhì);
  --150~200 ℃高溫;
  --介質(zhì)內(nèi)部的高壓;
  --巨風(fēng)、海浪、北部冰原的壓力、地震活躍地區(qū)的地震荷載引發(fā)的強(qiáng)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)載荷;
  ---50 ℃的低溫。
  鈦合金能用于多種石油生產(chǎn)系統(tǒng)和裝備中。海洋水下設(shè)備包括:鉆桿、水下立管、深潛工程設(shè)備的機(jī)身和其他構(gòu)件;水上設(shè)備(平臺)包括海水和飲用水系統(tǒng),各種熱交換設(shè)備(蒸餾器、蒸汽發(fā)生器、冷凝器)、泵、消防系統(tǒng)和其他構(gòu)件。歐洲的挪威和英國對鈦合金在近海開采等方面的研究最為透徹。如眾所周知的位于挪威海的石油鉆井平臺使用了大量的鈦合金,每個(gè)平臺使用的鈦合金總量超過500t。
  俄羅斯很少在近海開采中使用鈦合金,但近來俄羅斯也開始積極開采位于北極圈和遠(yuǎn)東海溝的油氣。
  為了開采北極圈的油氣,俄羅斯和挪威達(dá)成了戰(zhàn)略合作。挪威成為俄羅斯開發(fā)北極圈油氣計(jì)劃的戰(zhàn)略合作伙伴。因此可以相信,鈦合金在北極圈油氣開采領(lǐng)域能夠得到更廣泛的應(yīng)用。
  在設(shè)計(jì)位于北極圈的“Pryrazlomnoje”油氣田開采平臺時(shí),有提議采用350~400t的鈦合金鋪設(shè)管道網(wǎng)絡(luò),其中一部分管道表面進(jìn)行表面熱氧化處理,以保護(hù)平臺的鋼鐵結(jié)構(gòu)免于遭受電偶腐蝕。
  隨著海上石油產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,需要更多的鈦合金去制造機(jī)械設(shè)備,因此對鈦合金的需求會迅速增加。尤其是在海洋的更深處提取石油和天然氣,使得鈦及鈦合金將變得越來越重要,因?yàn)樵跇O深處深鉆孔意味著需要降低鉆井系統(tǒng)的質(zhì)量。對于重型鋼鐵鉆井系統(tǒng),與鈦設(shè)備相比,平臺的底座需要更加堅(jiān)固,起重設(shè)備也要更為強(qiáng)力。
  斷裂長度指管道在自身重力作用下可能斷裂的長度。從圖1可以看出,在相同的屈服強(qiáng)度,鈦管道的斷裂長度遠(yuǎn)大于鐵管道。這意味著在相同重量條件下鈦管道系統(tǒng)可以比鐵管道系統(tǒng)用于更深的油氣田中。
  此外,將鈦應(yīng)用于鉆井的替換結(jié)構(gòu)也有很大優(yōu)勢。如在立管中使用鈦金屬可減小結(jié)構(gòu)體密度、增加浮力、甚至使下潛器在更深的地方工作。
  碳?xì)浠衔镩_采問題隨著海洋深度和油氣儲層深度的增加而加劇。坐落于波羅的海的俄國凝析油田“Shtokmanovskoje”深度在280~380m,然而凝析油儲層卻分布在1800~2300m的深度中。
  由于鉆井作業(yè)需要在惡劣的地質(zhì)環(huán)境下進(jìn)行,對比強(qiáng)度、導(dǎo)熱率、耐磨性的要求會更加苛刻。
  用于近海作業(yè)的鈦合金材料主要是Gr.5,其改進(jìn)的Gr.23和Gr.29 也應(yīng)用廣泛。為適應(yīng)介質(zhì)腐蝕和高溫,可使用下列添加了鈀和釕的改進(jìn)合金:Gr.24,Gr.29,Gr.18,Gr.28。
  總之,對鈦金屬優(yōu)良的性能和其昂貴的造價(jià)之間權(quán)衡的討論日見激烈。在決定一項(xiàng)工程所用材料,尤其是針對近海、遠(yuǎn)海工程,設(shè)計(jì)者面臨兩種選擇:①選擇造價(jià)低廉但是不適合長久使用的材料;②選擇昂貴但使用壽命長的材料。便宜的材料在一次性投入上更為經(jīng)濟(jì),但由于頻繁的維護(hù)和停工檢修使后期維護(hù)困難重重;昂貴的材料先期投資較大但后期運(yùn)行維護(hù)投入較少。
  鈦設(shè)備因其較長的使用壽命和較低的運(yùn)行投入可以彌補(bǔ)其較高的先期投入,因此選擇鈦金屬而非其他結(jié)構(gòu)金屬是完全合理的。

責(zé)任編輯:于璐

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