钛合金油管和套管 编制说明

2《钛合金油管和套管》（征求意见稿）编制说明一、工作简况1、任务来源根据《国家标准化管理委员会关于下达2023年第四批推荐性国家标准计划及相关标准外文版计划的通知》（国标委发〔2023〕63号，国家标准《钛合金油管和套管》以计划编号20231938-T-469下达。2、制定背景油套管在油气勘探开发中采购量大、费用高，不仅是油气资源开采、输送和使用的必经通道，而且涉及多学科、多环节、用量大、花钱多、类型复杂、服役环境苛刻，在石油工业中占有很重要的地位。油套管服役条件恶劣，例如油管柱和套管柱通常要承受几百甚至上千个大气压的内压或外压，几百吨的拉伸载荷，还有高温及严酷的腐蚀介质的作用，油套管的寿命直接决定油井的寿命，油井的寿命又决定了油田寿命。所以说，油套管的安全可靠性、使用寿命和经济性对石油工业关系极其重大。由于钛合金材料具有高强度、低密度、耐腐蚀、弹性模量低、加工制备技术成熟、耐冲蚀、冲刷等优良特性成为新型的高端石油管材。目前，在国际上美国、日本、挪威等国在二十世纪的80年代初就开开发出了多种牌号商业化钛合金材料的油管、套管、连续管、钻杆、海洋钻井隔水管和悬链式立管等系列化产品，在勘探开发领域海洋油气、高腐蚀环境和地热井得到大量工业化应用，钛合金油套管国际上的主要制造企业有美国RMITitaniumCompany、Weatherford子公司GrantPrideco，RTI能源系统公司、Chevron公司、Cooper-Cameron公司、新西兰QuestIntegrityNZLLtd以及日本的住友金属等。我国宝钢集团、天津钢管、攀钢集团、宝钛集团、中世钛业等均有钛合金油套管产品，并且在中石化四川元坝区块、随州区块、西北局和南海天然气水合物开采等规模化使用。随着油气勘探开发不断向深层深水、高温高压以及高腐蚀等非常规油气资源发展，深井、超深井、水平井及高含硫化氢等复杂工况油气井数目逐年增多，对高强低密、高耐蚀和高性能的钛合金油套管提出了巨大需求。虽然目前关于油套管的国际标准有ISO11960《石油天然气工业油气井《石油天然气工业套管、油管、钻杆和管线管性能计算》等标准，但是这些标准都是以钢铁材料为基础制定的，钛合金材料从材料成分、微观组织、弹性模量、力学性能及及加工制备工艺，试验方法、使用乃至搬运、包装及储存都与钢制油套管有巨大的区别，但是由于国际上目前缺乏钛合金油套管国际标准，导致钛合金油套管在设计、生产制造、油田用户订货检验、质量评估和安全管理方面无标准可依，带来诸多不便和应用安全隐患，严重限制了钛合金油套管的应用推广。同时，由于钛合金与钢铁、镍基合金等在材料性能、加工制备、连接防护以及储运等方面的巨大差异，缺乏3标准或使用钢制油套管标准，会导致钛合金油套管在选材、加工制备、订货检验、现场应用方面带来技术、质量、施工制约及诸多隐患，如下图等问题，不但限制钛合金油套管应用推广，而且会导致安全事故和经济环境损失本国标准制定为钛合金油套管在深层深水、高温高压以及高腐蚀等非常规油气资源开发领域提供了制造和应用技术规范，为政府压力管理机构提供了监督管理的依据。由于我国是钛资源和加工大国，但是产业结构落后、高端钛产品缺乏，本标准的建立，有利于引导我国石油行业和钛行业的共同技术进步和产业升级转型，有助于国际产能和装备制造合作，促进国产产品技术出口以及贸易，也有利于参与国际竞争。3、起草单位及工作组成员《钛合金油管和套管》由中国石油集团工程材料研究院有限公司、中国石油天然气股份有限公司塔里木油田分公司,有研工程技术研究院有限公司,中国石油天然气股份有限公司西南油气田分公司,中国石油天然气股份有限公司长庆油田分公司,中世钛业有限公司,中国石油集团川庆钻探工程公司、宝武特冶钛金科技有限公司,天津钢管制造有限公司等负责制定。按照标准制、修订工作程序的要求，我们成立了以中国石油集团工程材料研究院有限公司为项目负责单位，中国石油天然气股份有限公司塔里木油田分公司,有研工程技术研究院有限公司,中国石油天然气股份有限公司西南油气田分公司,中国石油天然气股份有限公司长庆油田分公司,中世钛业有限公司,中国石油集团川庆钻探工程公司、宝武特冶钛金科技有限公司,天津钢管制造有限公司参加的标准起草工作组，工作组成员有刘强、于洋、张建军、徐婷、祝国川、惠松骁、赵密锋、熊茂县、宾国成、宋生印、冯春、郭淑君、计波、黄永智、李琼伟、张忠世、于晓玲、张春霞、叶文君、孙继锋等组成，项目组成员包括了石油行业、连续管现场应用、有色金属研究、焊接、管材制备加工和油田用户等多专业全面的专业技术人员。4、工作过程1)工作组从2013年1月开始，就进行钛合金油管合套管的研究工作，从2013年1月到2022年12月，历时近10年时间，完成了钛合金油套管材料选材与评价，可行性研究、钛合金油套管评价试验，制管工艺研究、厂家调研、资料收集、试验评价、标准制定方案编制、征求意见稿和编制说明的起草工作。简要过程如下：2)钛合金油套管研究工作：从2013年1月起，项目组开始对钛合金用于油井管的可行性做了深入的检测评价和研究，完成了《钛合金用做油井管可行性研究》和《钛合金油井管连接性能和应用研究》2个课题的研究工作，对钛合金油管的材料、力学性能、耐腐蚀性能和实物性能有了细致的研究，积累了大量实验数据。3)钛合金选材及评价试验工作：从2015年起，针对不同钛合金材料在石油行业开发工况下的使用适应性问题，项目组通过文献调研和国内外技术交流，针对石油行业可用的钛合金材料进行了筛选和评价试验，总结归纳了用于油管及连续管的可选用钛合金材料和性能数据，为制定该标准中的钛合金选材和性能提供了技术基础。44)资料收集：由于目前国际上无钛合金油套管同类标准，项目组收集并分析了相关标准如APISpec5ST《连续油管规范》，APISpec5CT《套管和油管规范》、ISO/CD13085《石油天然气工业铝合金油管》、APIRP5A5-2005《新套管、油管和平端钻杆现场检验方法》及GB/T20657《石油天然气工业套管、油管、钻杆和管线管性能计算》等石油行业标准，并且项目组通过对国内高含CO2/H2S或H2S工况的油气田进行充分调研同时结合工程材料院在钛合金方面的研究成果进行集成创新，结合油田实际和国内外钛合金产品的实际性能数据，形成一套为厂家生产检测、用户订货选用提供指导的技术规范。5)钛合金生产厂家及用户调研调研：2016-2021年期间，在中国有研集团有研工程技术研究院有限公司和宝涛集团等单位的协作下，对国内钛合金熔炼企业、加工企业技术现状和加工制备水平做了调研，并与钛合金制管厂家进行多次的技术交流，详细了解了钛合金领域目前的技术现状、加工水平、钛合金的材料熔炼、热加工及处理、制造检验等相关技术内容，对钛合金油套管的制造及性能要求有了较为详细的了解。对于本标准的关键指标制定具有非常重要的作用。6)国家项目支持和大量的实验评价：该标准项目组一工程材料研究院为主要承担单位联合获批2021年国家重点研发计划《苛刻环境能源井钻采用高性能钛合金管材研究开发及应用》，在国家项目的支撑下开展了苛刻环境能源井用钛合金油管和套管用钛合金材料的研发、制备加工、热处理及模拟工况评价等实验工作，并对国内外能收集到的钛合金材料及国内主要厂家制备的钛合金油套管材料进行了理化性能、腐蚀性能、实物性能及综合性能评价，并按本标准中规定的试验方法进行了评价试验，将试验结果进行了综合分析，形成了标准中的性能要求和实验评价方法。7)征集意见稿的编制：2022年-2023年，项目组系统分析了近年来调研、试验、资料等的研究成果，并且对主要技术参数进行了试验论证，组织相关专家讨论后，完成了本标准征求意见稿。二、国家标准编制原则、主要内容及其确定依据（修订国家标准时，还包括修订前后技术内容的对本标准规定了石油天然气工业用钛合金油管和套管的材料、强度级别、分类、规格、管端、生产工艺、材料性能、试验方法、标记和表面处理、搬运、包装和储存等。本标准适用于钛合金油管和套管的制造及检验。钛合金油管和套管在国际上已工程化应用，在我国还处于试用发展阶段，相关标准处于缺失状态。鉴于上述原因，在钛合金油管和套管的规格方面，与现场应用习惯和国际相关标准看齐，沿用目前API油套和套管的规格体系，并根据钛合金材料的特性，对本标准规定的油管和套管尺寸和结构数据进行了分析、计算验证，以保证可以满足现场应用需求；在钛合金油管及套管的材料要求与性能方面，工作组对国内外能收集到的所有钛合金油管及套管的性能均进行了全方位的评价试验和数据积累，并对质量性能数据进行了分析、计算验证；对不同钛合金材料的油管和套管的性能数据进行了对比分析计算；并与国内的钛合金及油套管生产企业的相关数据进行对比分析性能验证，结合目前承担的国家重点计划最新成果，保证标准提出的材料5性能指标具备普遍适用性。在试验方法方面，对涉及的主要试验方法根据国内现状及要求进行了逐一有效性验证核实。在钛合金油管及套管的测量方法、检验及标记方面，对其有效性进行了验证。在钛合金油管及套管的运输和存储方面，结合我国油田现场管理规范，对相应条款进行了验证分析。对附录A用于油管和套管的钛合金材料推荐服役工况极限，工作组对表A.1中所列所有钛合金材料均进行了不同处理状态下的模拟工况评价试验，综合考虑机械性能、均匀腐蚀性能、点蚀性、抗硫化物应力腐蚀性能及抗氢致开裂性能对对每个材料的耐腐蚀极限分压、极限温度和酸性进行了大量测试，最后得出每个材料的推荐服役极限。综上所述，项目组对本标准主要技术指标、参数、公式、性能要求、试验方法、检验规则等通过大量试验、统计数据比对等工作进行了充分的验证，可满足我国相关应用领域的技术需求。三、试验验证的分析、综述报告，技术经济论证，预期的经济效益、社会效益和生态效益本标准起草团队从2008年开始，系统的开展了钛合金油套管大量模拟工况腐蚀选材评价、实物试验、现场实验等，对钛合金油套管的选材、加工制备工艺、关键性能指标、质量检验和现场应用技术积累了大量的数据，并且结合在中石油、中石化和海洋开发的现场应用经验，对标准所需性能指标和关键条款不断试验、论证、优化、应用反馈，是目前国内此方面研究最早最深入、数据最全、现场应用最多的起草团队。1、针对选材方面，本标准在大量实验的基础上，将常用钛合金材料的实验结果总结如下：纯钛在油气开发中作为油井管使用的较少，这是由于纯钛（无论是TA1、TA2或TA3）的强度较低，屈服强度只有280～440MPa，达不到腐蚀工况下常用油井管的强度需求（一般要求强度大于552MPa），制作低强度的油套管成本高、应用范围非常小，因此在国际上鲜有用来制备油井管的报道。C.S.Brossia和G.A.Cragnolino对纯钛的耐腐蚀性能进行了研究，结果发现纯钛在含氯离子的环境下会发生点蚀和缝隙腐蚀问题，如图3~图4所示，在1M浓度NaCl溶液中95℃时会发生点蚀问题，在同样的温度下1M浓度的Cl-环境会会发生缝隙腐蚀问题。G.Schmitt和U.Pankoke等人对纯钛在含硫及高盐水环境中130℃~180℃温度下的耐蚀性进行了评价，发现Gr.2（TA2）超过130℃会发生局部腐蚀和一定的应力腐蚀开裂敏感性。6图3纯钛在1M浓度NaCl溶液中95℃时发生的点蚀形貌图4纯钛在1M浓度的氯离子环境下95℃时发生的缝隙蚀形貌(2)Ti-3Al-2.5V合金（Gr.9）和Ti-3Al-2.5V-Ru合金（Gr.28）Ti-3Al-2.5V合金为近α型钛合金，近α型钛合金一般难以通过热处理的方式强化机械性能，Ti-3Al-2.5V合金制成的油井管一般438MPa强度级别，强度较低同时耐腐蚀性能较差，所以较少用做油井管材料。美国RMI公司使用阴极改性的方法对Ti-3Al-2.5V合金添加钯族元素，如Pd和Ru等，提高了Ti-3Al-2.5V合金的耐蚀性能，Ti-3Al-2.5V-Ru合金为α+β型钛合金，通常采用β相变点温度以上热轧的工艺制成管材，获得针状α相或魏氏组织，通过热处理可以使强度达到438MPa~552MPa，可以制成对强度要求不高的油井管、流体管道以及连续管材料。R.D.Kane和B.Craig等人对Ti-3Al-2.5V-Ru合金模拟生产工况进行了耐腐蚀性能测试；R.W.Schutz系统的测试了Ti-3Al-2.5V-Ru合金在各种含硫酸性环境、热采井，高含盐地热井等环境中的耐腐蚀性能，R.W.Schutz还对Ti-3Al-2.5V-Ru合金的应力腐蚀行为和在甲醇中防止应力腐蚀开裂所需的最小含水量进行了研究。本项目组对Ti-3Al-2.5V和Ti-3Al-2.5V-Ru合金目前已评价7过的服役工况适用性极限归纳见表3。由表3可知，在测试工况条件下，Ti-3Al-2.5V-Ru合金具有良好耐蚀性没有发生腐蚀问题。表3Ti-3Al-2.5V和Ti-3AlαYS(MPa)PruconEnironmentsPH2SPCO2pHe0nbrineL-nbrine0Na+,n8AiizingCononsAcidizingnn)------+1wt.%1--5-5-Nitricacid+1wt.%55MinimummethanolwatercontenttoavoidS(3)Ti-6Al-4V／Ti-6Al-4VELI(TC4/TC4ELI)钛合金Ti-6Al-4V钛合金（TC4）是α+β型钛合金，为目前使用最广的钛合金材料。这种钛合金通过不同的热处理工艺（固溶、退火和时效等）可获得758～1000MPa的不同强度，同时该合金易于加工，可采用热轧、温轧、挤压和冷变形等方式制备适合的油井管，通过不同的热处理工艺可获得不同的组织和机械性能，见图5，图5（a）为魏氏组织，图5（b）为α+β相。该型钛合金具有良好的韧性9和焊接性能，被广泛应用于航空航天、造船、化工和汽车等行业。Ti-6Al-4VELI钛合金（TC4）是在Ti-6Al-4V钛合金的基础上减小间隙元素碳、氮，特别是氧元素的含量，提高了材料在低温下的断裂韧性。由于Ti-6Al-4V／Ti-6Al-4VELI钛合金强度较高，韧性匹配好，同时生产成本低且工艺成熟，首先被认为是制作钛合金油井管的首选材料。但是国内外经过多年的实验评价和模拟工况试验，发现Ti-6Al-4V／Ti-6Al-4VELI钛合金用做油套管虽对任何浓度的硫和二氧化碳腐蚀没有问题，但在以下有3个方面有使用局限性：1、在大于85℃时的中性或者酸性环境中将发生严重的氯化物缝隙腐蚀问题；2、在氯离子环境中；Ti-6Al-4V和Ti-6Al-4VELI钛合金呈现应力腐蚀敏感性，特别是在当有预裂纹和高应力状态下时更为敏感，见表4；3、当和其他更活泼的金属耦合时将发生吸氢和氢脆问题[21]，在钛合金的β相中，氢离子的扩散速度更快。因此，在国内外的石油行业标准中[53,54,i]，没有将Ti-6Al-4V／Ti-6Al-4VELI钛合金列为石油工业中可选材料，可见这种合金的性能不能满足石油天然气工业对油套管的性能需求。NoNoNoNoNoNoNoNoNoNoNoNoNoNoNoNo*OnlyTi-6Al-4VandTi-6Al-4VELIexhibitsusceptibilityando本工作组将国内外针对Ti-6Al-4V／Ti-6Al-4VELI钛合金目前已评价过的服役工况适用性极限归纳见表5。表5Ti-6Al-4V／Ti-6Al-4YS(MPa)ucnmnsPH2SPCO2pH--7-brine（Na,-111-1--1--1--withoutd,worst-0idmPH2S/00No（withN2）e01No（withN2）0ZnBr2No（withN2）11ngCs+1wt.%155Nitric+1wt.%55MinimumwatercontenttoavoidSCCTi-6Al-4V／Ti-6Al-4VELI钛合金虽然不适合制备高耐蚀油套管，但是可以用来制备钻杆。美国RTIEnergy公司使用Ti-6Al-4V合金制成2-3/8in～6-5/8in多种规格的钻杆，钻杆结构使用内外加厚热轧钛合金管体和AISI4135、4145等铬钼钢制接头用热装配过盈配合方式连接，疲劳寿命是钢钻杆的10倍，造斜半径只有17.6米（80rpm），2000年起在美国Colorado的Greeley等多个区块成功应用。(4)Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo合金Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo合金(UNSR56260，又被常称为Ti-6246)是最早开发用于喷气式飞机引擎的钛合金材料，后来在测井工具中应用有超过20年的历史。Ti-6246合金是一种β相富集、α+β型高强钛合金材料，典型组织见图6，这种双相组织使得这种合金可以通过热处理来获得想要的性能，用做油井管时可通过锻造、热挤压、双相区退火或固溶时效热处理方式制备强度高达965～1130MPa的无缝管，在高强度的同时还具有良好塑性和足够的断裂韧性，Chevron等公司1990年开发出用于热采井的(9-5/8～16英寸)钛合金套管，管材使用表面涂裹玻璃润滑剂进行热挤压成形，在井深5000in,500-550F的热采井中多应用超过20多口井无一泄露。Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo合金中由于含有较高的Mo含量，所以提高了合金的抗SCC性能，因此在国际标准ISO15156-3中，将这种合金列为油井管推荐材料，并且规定在耐硫化氢分压、氯离子方面不受限制。近年来多家单位对这种合金的工况适用性进行了研究，证明了这种合金较好的耐蚀性，但是也发现了Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo合金在一定极限工况下存在部分腐蚀问题，同时固溶时效热处理方式获得超高强Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo合金的耐蚀性还有下降。因此，本工作组将国内外针对Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo合金评价出的服役工况适用性极限归纳见表6供参考。表6Ti-6Al-2Sn-4Zr-6YS(MPa)ucnmnsPH2SPCO2pH-Nottest-Nottest-Nottest11-Nottest1--Nottest1--Nottest1--1-withoutd,worst---3idPH2S/00No（withN2）0me0No（withN2）0CaCl2/CaBr2/ZnBr20No（withN2）ngCs/MinimumwatercontenttoavoidSCCb6-9h(5)Ti-3Al-8V-6Cr-4Zr-4Mo(Beta-C)合金Ti-3Al-8V-6Cr-4Zr-4Mo(Beta-C)合金(美标Gr.19，国标TB9钛合金)是一种近β型钛合金，这种钛合金于1969年开发成功并广泛制成板材、型材、棒和管等多种产品.Ti-3Al-8V-6Cr-4Zr-4Mo合金通过在β相转变温度以上进行空冷并时效处理以获得析出细小的α相来获得高的强度，析出的α相越细小分布越均匀,则合金强度越高，强度通常在965-1172MPa甚至更高,典型的组织见图7,以β相为主。由于Ti-3Al-8V-6Cr-4Zr-4Mo(Beta-C)合金具有较高的强度和良好的耐热性，所以在上个世纪80年代末期，这种合金被制成套管或工具用于SaltonSea的地热井盐水开发，后来又用于酸性气田的深井生产管柱。但是这种合金由于具有较多的亚稳β相所以带来了很多的使用局限，在高温下具有较差的蠕变性能，β相吸氢的趋势更大，并且与其他β型钛合金焊接是个问题，油井管可加工性差，冲击韧性较低，当大于190°C时对应力腐蚀和缝隙腐蚀敏感等。针对Ti-3Al-8V-6Cr-4Zr-4Mo合金较差的抗应力腐蚀和缝隙腐蚀问题，美国RMI公司对这种合金进行了合金成分改进，加入了微量的钯族元素（0.05wt.%的钯将该合金的耐应力腐蚀和缝隙腐蚀温度上限提高到275°C，见图8，但是这种贵金属元素的加入极大地提高了合金的成本，限制了使用范围。本工作组将国内外针对Ti-3Al-8V-6Cr-4Zr-4Mo合金评价出的服役工况适用性极限归纳表7。表7Ti-3Al-8V-6Cr-4Zr-4YS(MPa)ucnmnsPH2SPCO2pH7-brine（Na,-11--1--NoSCC1--NoSCC1--1--1--d,worst---3cPH2S/0me0No（withN2）0ngCs/MinimumwatercontenttoavoidSCC(6)Ti-6Al-4V-Ru(TC23)合金由于Ti-6Al-4V、Ti-6246、Beta-C等合金在耐腐蚀性能上都有局限性，因此日本SumitomoMetal公司和美国RMI公司分别开发了Ti-6Al-4V-0.05Pd（Gr.25）和Ti-6Al-4V-0.1Ru（Gr.29）合金，采用在钛合金中合金化电位更高的贵金属（如钯族金属PGM）来实现在酸中阴极极化的方法，这种阴极改性方法被证明是最可靠、通用的增加钛合金中耐还原性酸、缝隙腐蚀和应力腐蚀的方法，并在实际中大量应用；由于Pd元素的价格太高，实际上应用最广的还是Ti-6Al-4V-Ru（Gr.29）合金。工作组系统研究了Ti-6Al-4V-Ru油井管的制备工艺，使用在β相转变温度以上进行热轧的方法制得无缝管，获得针状阿尔法相或魏氏组织,见图10，强度为758MPa，硬度为35HRC，经过系统的腐蚀性能测试证明：这种钛合金在酸性油气田中具有良好的耐缝隙腐蚀和应力腐蚀开裂的能力，并且可以使耐高温腐蚀性极限提高到300摄氏度。本工作组将目前国内外针对Ti-6Al-4V-Ru合金评价出的服役工况适用性极限归纳见表8，可见Ti-6Al-4V-Ru合金只有在极高的溴化盐的封隔液工况下才会发生SCC，其余工况条件下使用安全。YS(MPa)ucnmnsPH2SPCO2pH0---1--1--withoutd,worst-0brineL-brine0Na+,idmPH2S/1e01No（withN2）1No（withN2）ngC/sMinimumwatercontenttoavoidSCC(7)Ti-5.5Al-4.3Zr-5.7V-1.3Mo-0.10O-0.06Pd（UNS55400）合金Ti-5.5Al-4.3Zr-5.7V-1.3Mo-0.10O-0.06Pd合金是美国Alcoa公司于2015年专门针对高温高压井最新开发出的新一代的高强高耐蚀钛合金[34]，UNS牌号是55400，国内还没有对应的钛合金牌号，这种钛合金属于α+β型钛合金，并具有以下几个特点：1、通过不同的热处理工艺达到超高强度862-1000MPa；2、具有良好的高温性能和较强的抗蠕变性能；3、耐局部腐蚀、应力腐蚀等的温度上限提高到了288°C；4、增强了空气中和溶液里的断裂韧性；5、良好的焊接性能，可用传统方法进行焊接；6、极高的比强度。这种合金的热处理方法较多，在不同温度固溶处理并加以时效可获得不同的显微组织，如针状α相或者等轴α+β相，见图11，从而可以获得不同的强度和韧性用于制造海洋生产隔水管、深水作业装备、管柱、钻杆及海底管线。本工作组对Ti-5.5Al-4.3Zr-5.7V-1.3Mo-0.10O-0.06Pd合金进行的服役工况适用性极限归纳见表9，可以看出除了在288°C下溴化盐环境中会发生应力腐蚀开裂外，其余工况下均可以使用。表9Ti-5.5Al-4.3Zr-5.7V-1.3Mo-0.10YS(MPa)ucnmnsPH2SPCO2pH----d,worst---3cidmPH2S/1e1ngCs/MinimumwatercontenttoavoidSCCaDependonmetallurgicalcond值得强调的是，UNS55400合金耐酸性能非常好，在不加缓蚀剂的条件下，UNS55400合金可以耐到12wt.%盐酸的酸化环境，腐蚀速率小于25.4microns/day，当添加缓蚀剂的条件下可以在最高12wt.%盐酸、105°C的酸化环境中使用，性能仅次于Ti-6Al-4V-Ru合金，见图12。2、在实物评价方面，本工作组针对油套管进行了在大量实验，选取部分试验结果如下：(8)钛合金套管管体抗挤毁试验参照标准API5C5及ISO13679《ProceduresforTestingCasingandTubingConnections》（套管和油管螺纹连接试验程序）使用全尺寸挤毁试验装置对钛合金套管均匀施加外压至套管失稳/失效，在室温下进行试验，试验结果如表10所示。钛合金套管挤毁试验结果表明，钛合金套管在23.6MPa保持20s后未发生失稳/失效，最终挤毁强度为41.9MPa，满足不小于27MPa的设计要求。试样编号试验温度挤毁强度（MPa）备注室温41.9打压至23.6MPa并保压20s后管体未发生失稳/失效，压力增加至41.9MPa后，管体失效。设计要求不小于27MPa(9)套管上卸扣试验螺纹参数依据GB/T22512.2-2008标准使用ITG05-1712034内锥度规、ELG03-1712033螺距规、ITH02-1712031齿高规、020298/31222游标卡尺、3060581深度游标卡尺和ETH02-1712030齿高规对9#钛合金套管A、B端外螺纹参数和1#接箍内螺纹参数进行测量、测量结果如表11和表12所示。螺纹的测量结果表明，螺纹参数满足技术要求。表11钛合金套管A和B端外螺纹参数编号密封面偏差(mm)中径偏差(mm)螺距偏差(mm/25.4mm)锥度mm/m牙型高度偏差(mm)9#-A0.03-0.0450.0163-0.019#-B0.03-0.015-0.01640.01外螺纹参数要求62～65表12钛合金套管接箍内螺纹参数编号密封面偏差中径偏差螺距偏差锥度牙型高度偏差(mm)(mm)(mm/25.4mm)mm/m(mm)0.3450.1250.01640.040.3750.01630.03内螺纹参数要求0.3~+0.40.05~+0.1562～65上卸扣试验使用NTQ273/70型动力钳对钛合金套管和接箍进行了上卸扣试验，A端进行了三上两卸，上卸扣时扭矩大小如图14~图17所示，B端进行一次上扣试验，上扣时扭矩如图18所示，图19和图20分别为A端第一次和第二次卸扣时螺纹形貌照片。结果表明，钛合金套管螺纹经过三上两卸后均未发生粘扣现象，试验数据见表13。表13上卸扣试验数据试样号上、卸扣次数上扣扭矩（N·m）卸扣扭（N·m）试验结果A粘扣23312033100未粘扣333040//B端133040//图14A端第一次上扣图16A端第二次上扣图15A端第一次卸扣图17A端第二次卸扣图18A端第三次上扣图19B端上扣图20第一次卸扣后A端公扣和母扣实物照片图21第二次卸扣后A端公扣和母扣实物照片(10)复合加载条件下钛合金套管螺纹气密封试验参照标准API5C5及ISO13679《ProceduresforTestingCasingandTubingConnections》（套管和油管螺纹连接试验程序）使用复合加载试验系统对通过上卸扣试验的钛合金套管螺纹在弯曲工况下进行气密封能力试验，之后测试螺纹轴向抗压缩和拉伸能力。复合加载试验中，首先对通过上卸扣试验的9#套管进行15度/30米的弯曲加载，并测得弯曲后的套管及接箍尺寸，随后对弯曲后的套管同时施加4000psi的内压并保持30分钟检查螺纹气密封性能，卸载后，对套管施加轴向971kips的压缩载荷并保持2分钟，最后对螺纹施加15671kips的拉伸载荷并保持2分钟，以检测钛合金套管的抗轴向载荷能力。弯曲试验弯曲试验中将通过上卸扣试验的9#钛合金套管弯曲至15度/30米，弯曲前后套管及接箍外形尺寸分别如表14和表15所示，从表中可知，弯曲前后套管及接箍外径变化较小，并保持圆形。表14弯曲前后钛合金套管尺寸位置外径（mm）圆度（mm）弯曲前弯曲后弯曲前弯曲后套管A1C1245.40245.540.400.26B1D1245.00245.70A2C2245.10245.300.400.30B2D2245.50245.00A3C3246.00245.740.300.60B3D3245.70A4C4245.90245.7000.06B4D4245.90245.64平均值245.56245.470.280.31表15弯曲前后钛合金接箍尺寸位置外径（mm）圆度（mm）弯曲前弯曲后弯曲前弯曲后接箍A5C5268.64268.440.180.24B5D5268.42268.20A6C6268.54268.500.100.08B6D6平均值复合加载试验随后对弯曲后的钛合金套管进行复合加载试验，复合加载前后套管照片如图22所示，复合加载试验结果如表16和图23所示。试验结果表明，套管接箍在15度/30米弯曲条件下可承受4000psi的气密封压力、轴向的971kips压缩载荷和15671kips拉伸加载，满足对钛合金套管气密封、1493klb（kips）轴向拉伸和896klb（kips）轴向压缩的技术要求。表16复合加载试验结果步骤序号载荷点弯曲加载轴向总载荷a（kips）保载时间min试验结果1135530未漏气220-97102通过33002通过图22复合加载前后钛合金套管实物照片：(a)试验前,(b)试验后图23复合加载试验结果：(a)弯曲载荷,(b)内压加载,(c)轴向载荷4、在实物评价方法方面，本工作组针对钛合金油套管与钢制油套管区别最大的抗挤毁性能和评估方面，建立了新的评估办法，并用大量实验进行了验证，简介如下：本起草组对多年来积累的油套管挤毁实物实验数据进行分析比对表明，油套管材料在纯外压条件下挤毁时，均是在外压到达极限值时发生突然的失效，这是由于实际工程中的油套管外形并不是理想的纯圆形，导致非圆的油套管在圆周方向上的环向应力并不是不均匀分布，即有附加弯矩效应，当外部压力不断地增加时油套管在最大压缩环向应力处达到屈服；当屈服达到极限值时，油套管由于强度承载力不足而失效，导致发生强度或者失稳挤毁，因此建立了在外压作用下的强度挤毁准则。该准则计算方法不区分弹性挤毁或塑性挤毁，即：P=N=-3(e-e0)(C+ρD)R(1+e)(1+e)(Re+B)(R-t/其中D=F(ρ-t/2)lnF=E+σθ2-μσαH=CB-3RDBe0+t(μσα-E)(R-t/2)BK=3AR+CR-3RDeR+3RDB+α-E)(R-t/2)R0-3RBt(μσα-E)具体参数定义和公式具体推导过程中见文献为了验证挤毁强度计算结果与真实钛合金油套管挤毁强度的准确度，需要进行钛合金油套管的实物外挤毁试验。本起草组从国内不同厂家收集到35种不同规格额的钛合金油套管产品，实物抗挤毁试验参照标准API5C5及ISO13679《Proced