海洋材料(16):海洋钻探平台与钻探管

2015年09月16日 15:10 5695次浏览 来源:   分类: 新材料前沿   作者:

    中国有着辽阔的海洋,有着丰富的海洋资源与矿产资源,与开发陆地资源相比,开发海洋资源难度要大得多,特别是深海资源,例如海洋中蕴藏着丰富的石油与天然气,为了开采它们,首先要进行勘探,摸清情况,于是首先要建造一座平台,这个平台实际上就是建在海洋上的一个勘探钻井站,上有钻井设备与工作人员所需的一切工作与生活用品,以及房舍与直升机停机台等,其中许多装备、用品与设施都可以用铝及铝合金制造,因为铝是最佳的海洋工程材料之一,对海水及海洋气候有相当强的适应性。当然有些性能它远不如钛及钛合金,但是铝的价格较低,密度也只有钛的60%,因此在建造平台甲板、直升机停机坪、上层建筑设施等时,铝材的性价比远比钛及其他结构材料的高,所以铝材成为一种建造海洋钻探平台不可或缺的材料。

  海洋钻探管完全可用铝合金制造,美国早在上世纪60年代中期就开始采用20147075合金厚壁管钻探石油与天然气。2014合金是一个古老的合金,上世纪20年代中期成型,是美国铝业公司匹兹堡技术中心研发的,当时的牌号为14S1954年改为现在的四位数字牌号,它的标定化学成分(质量%)如下,是一种Al-Cu-Mg-Si-Mn系合金:0.50Si~1.2Si0.7Fe3.9Cu~5.0Cu0.40Mn~1.2Mn0.2Mg~0.8Mg0.10Cr0.25Zn0.15Ti,其他杂质单个0.05,总计0.15,其余为Al,它是一种热处理可强化合金,既可以在自然时效状态(T4)下应用,也可以在人工时效状态(T6)下应用。

  2014合金的含铜量较高,它的强度性能实际上与2024合金的相当,但它的工艺性能却比2024合金的高得多,同时它含有较多的铜和锰,所以有相当高的热强性,可用于制造在高温下工作的零件。它在退火状态下的组织除嵯嗤猓褂蠸相(Al2CuMg)、Al2CuMg2SiAlFeMnSiAl10Mn2Si,由于它的硅含量较高,所以合金中共晶体含量比2024合金的多一些,故有较好的铸造性能。2014合金的固溶处理温度503℃,它虽可以在自然时效状态下应用,但是钻探管的工作环境温度较高,所以应在人工时效状态下应用,最佳人工时效规范:160/6h~8h,空气中冷却。2014合金管的挤压温度470~475℃,退火温度350~400℃。

  2014合金有两种变型合金:2017A2114合金。这3个合金的力学性能相等,在生产钻探管时选用2014合金即可。

  7075合金是一种常规超强度铝---铜系合金,于1944年定型,首先研制成此合金的是美国铝业公司,当时的合金牌号为75S,稍后不到一年,苏联与日本也研发成此合金,苏联合金的牌号为B95,据称是第95号工厂试制生产的,故得此名;日本合金的商品名称为ESD

  7075型合金是一个大名鼎鼎的航空铝合金,在航空航天器用的结构铝合金中,它的用量仅次于2024型合金的。7075型合金现在已形成一个家族,其化学成分见表17475合金1969年注册,是当今航空结构材料的骨干合金,它的杂质硅、铁含量很低,有高的断裂韧性、疲劳性能与损伤容限,生产海洋钻探管用7075合金,它的生产工艺与控制要点耳熟能详。

  7075型合金的化学成分很复杂,因而它的相组成复杂,峁倘芴逡埠芨丛樱倘艿暮辖鹪囟唷?7075型合金的最大特点是它有三种强化相:SAl2CuMg),TAlMgCuZn)、MgZn2,其中又以后两种对合金的强化影响最大,因为在固溶处理温度475℃,它们在Al中的溶解度很大,而此时S相的溶解度却不大。随着温度的下降,T相和MgZn2相的溶解度猛烈减小,因而可以采用相应的热处理来大大提高合金的强度性能,与2XXX系合金相比,7075型合金最突出特点是它们在人工时效状态(T6)下的抗蚀性比在自然下的高得多。

  7075型合金的另一些特点是:对交变负载和尖锐缺口的敏感性很高,因此在设计零件的形状和载面时,以及在选择其制造工艺时应充分考虑合金的这些特性,在生产材料与对其加工制造时应小心,不得擦、划伤材料与工件表面,同时零件截面的过渡要缓和。

  和许多其他铝合金一样,7075合金材料横截面即长横向、短横向的强度比纵向的低一些,挤压材的截面愈大,这种差别也愈大。

  以铝合金管代替钢管有以下优点:质量轻,用同样的设备可以提升更长的钻杆,提升燃料消耗可以减少15%~20%,每台设备运送的总长度可增加60%,钻机能力可以提高50%~100%;可靠性高,不会发生火花,在有腐蚀性介质的钻井中,比传统钻探钢管的抗蚀性还高;钻探性能良好,钻井深度可增加30%;耐热性强,可钻到8km,井底温度为200℃时,仍运转良好;低温性能好,无低温脆性,铝合金的力学性能随着温度降低而全面有所上升;可回收性强,铝合金管报废后,回收再生率可达95%以上,而钢管的回收率只不过70%左右。

  常用钻探管的规格尺寸见表2。按美国ASTM标准,20147075合金管的力学性能见表3

  时下,阻碍铝合金管在钻探中大量应用的主要因素:对其应用与性能还不熟悉;价格约比钢管的贵50%。不过长远来看,其综合经济效益还比钢的好一些或相差不大。从2013年起美国铝业公司为俄罗斯大石油公司OJSC Rusnano生产钻探铝合金管,在萨马拉冶金(美铝)厂生产,其上涂有一层美国铝业公司新近研发的纳米级涂料,可在极端严峻的腐蚀条件下工作,使用寿命比没有涂层管的长30%~40%

  截至2013年,中国尚不能批量生产铝合金钻探管,但正在建设有关此产品的项目,如利源精制股份有限公司、忠旺集团铝业公司等,可于2015年或2016年投产,但纳米级防腐涂料还不能生产,有待研究开发。钻探管是一种高技术铝合金产品,但不是一种大宗产品,市场容易有限。

201312月辽宁忠旺集团与墨西哥埃夫雅公司(EVYA)达成合作研发生产铝合金海上钻井平台、直升机停机台协议,对这些产品走出去将起积极的推动作用。

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责任编辑:于璐

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