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钛纳米高分子合金涂料
钛纳米高分子合金涂料是以新型钛纳米聚合物为基体成膜材料，配以填料和涂料添加剂经特殊工艺加工而成的具有超强的耐腐蚀、抗老化、耐高温、高硬度、抗划伤和不粘性等一系列优异特性的特种涂料。
根据改姓树脂（官能团树脂）的种类不同把新型钛纳米聚合物分为四类：纳米有机钛环氧基体聚合物、纳米有机钛聚脲基体聚合物、纳米有机钛酰亚胺基体聚合物和钛纳米含氟聚芳醚酮基体聚合物。
其中钛纳米聚芳醚酮基体聚合物是专门为攻克油气田井管的腐蚀问题而开发的新型功能高分子合金材料，用其制备的油井管专用钛纳米高分子合金漆的各项性能如下：
ⅰ）耐热性：可长期在200~250℃苛刻环境下服役；
ⅱ）高硬度：常温下漆膜硬度6~9H，高温下仍可保持4H；
ⅲ）耐磨性：漆膜的高硬度提高了其抗划伤和乃冲刷性；
ⅳ）耐腐蚀：涂层具有优异的耐油品和吐酸的强腐蚀性能；
ⅴ）抗高压：涂层成功通过48小时高温高压蒸汽测试；
ⅵ）不粘性：低表面能特性赋予其不粘性和不结垢性；
该油井管专用钛纳米高分子合金漆制备技术源自北京科技大学，在江苏金陵特种涂料有限公司实现产业化生产，在产业化期间得到了江苏省重大科技成果转化项目专项资金近千万元的资助，该产品技术已获得国家科技部知识产权局的发明专利授权。
◀石油管工程▶高温高压天然气开采用钛合金油管柱力学分析∗胡芳婷１㊀刘强２ꎬ３㊀赵密锋１㊀郭文婷４㊀张伟福２㊀张强５㊀练章华５(１ 中国石油塔里木油田分公司油气工程研究院㊀２ 中国石油集团工程材料研究院有限公司㊀３ 石油管材及装备材料服役行为与结构安全国家重点实验室㊀４ 中国石油集团测井有限公司长庆分公司㊀５ 西南石油大学)胡芳婷ꎬ刘强ꎬ赵密锋ꎬ等.高温高压天然气开采用钛合金油管柱力学分析[Ｊ].石油机械ꎬ２０２３ꎬ５１(２):１１５－１２２ＨｕＦａｎｇｔｉｎｇꎬＬｉｕＱｉａｎｇꎬＺｈａｏＭｉｆｅｎｇꎬｅｔａｌ.Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌａｎａｌｙｓｉｓｏｆｔｉｔａｎｉｕｍａｌｌｏｙｔｕｂｉｎｇｓｔｒｉｎｇｕｎｄｅｒｈｉｇｈｔｅｍｐｅｒａ￣ｔｕｒｅａｎｄｈｉｇｈｐｒｅｓｓｕｒｅｆｏｒｎａｔｕｒａｌｇａｓｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ[Ｊ].ＣｈｉｎａＰｅｔｒｏｌｅｕｍＭａｃｈｉｎｅｒｙꎬ２０２３ꎬ５１(２):１１５－１２２.摘要:我国油气开发环境较为恶劣ꎬ油井管在井下面临高温高压㊁硫化氢㊁二氧化碳㊁高浓度盐水/完井液㊁单质硫和强酸等腐蚀环境的作用ꎮ钛合金材料以其高强度低密度㊁低弹性模量㊁优异的韧性㊁疲劳性能和耐蚀性ꎬ成为油井管和海洋开发工具的热门材料ꎬ但其在高温高压气井开采过程中的受力状态和安全可靠性研究尚不足ꎮ为此ꎬ以我国西部某油田典型高温㊁高压㊁高产量气井开采工况为典型参考环境ꎬ设计了３种油管柱结构方案ꎬ使用有限元模拟方法ꎬ计算分析３种方案下的管柱力学情况ꎮ分析结果表明ꎬ使用钛合金油管可使气井生产中的油管柱载荷减小㊁安全系数增大ꎬ部分时刻管柱内无中和点ꎻ使井筒与套管之间轻度接触甚至不接触ꎬ可以有效改善生产过程中管柱的振动状态ꎮ研究结果为钛合金油管柱在气井中的使用提供了理论依据ꎮ关键词:钛合金油管ꎻ管柱力学分析ꎻ高温高压天然气开发ꎻ管柱振动ꎻ屈曲中图分类号:ＴＥ９２１㊀文献标识码:Ａ㊀ＤＯＩ:１０ １６０８２/ｊ ｃｎｋｉ ｉｓｓｎ １００１－４５７８ ２０２３ ０２ ０１６ＭｅｃｈａｎｉｃａｌＡｎａｌｙｓｉｓｏｆＴｉｔａｎｉｕｍＡｌｌｏｙＴｕｂｉｎｇＳｔｒｉｎｇＵｎｄｅｒＨｉｇｈＴｅｍｐｅｒａｔｕｒｅａｎｄＨｉｇｈＰｒｅｓｓｕｒｅｆｏｒＮａｔｕｒａｌＧａｓＰｒｏｄｕｃｔｉｏｎＨｕＦａｎｇｔｉｎｇ１㊀ＬｉｕＱｉａｎｇ２ꎬ３㊀ＺｈａｏＭｉｆｅｎｇ１㊀ＧｕｏＷｅｎｔｉｎｇ４㊀ＺｈａｎｇＷｅｉｆｕ２㊀ＺｈａｎｇＱｉａｎｇ５㊀ＬｉａｎＺｈａｎｇｈｕａ５(１ ＯｉｌａｎｄＧａｓＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＩｎｓｔｉｔｕｔｅꎬＰｅｔｒｏＣｈｉｎａＴａｒｉｍＯｉｌｆｉｅｌｄＣｏｍｐａｎｙꎻ２ ＣＮＰＣＴｕｂｕｌａｒＧｏｏｄｓＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅꎻ３ ＳｔａｔｅＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＰｅｒｆｏｒｍａｎｃｅａｎｄＳｔｒｕｃｔｕｒａｌＳａｆｅｔｙｆｏｒＰｅｔｒｏｌｅｕｍＴｕｂｕｌａｒＧｏｏｄｓａｎｄＥｑｕｉｐｍｅｎｔＭａｔｅｒｉａｌｓꎻ４ ＣｈａｎｇｑｉｎｇＢｒａｎｃｈｏｆＣＮＰＣＬｏｇｇｉｎｇＣｏ.ꎬＬｔｄ.ꎻ５ ＳｏｕｔｈｗｅｓｔＰｅｔｒｏｌｅｕｍＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ)Ａｂｓｔｒａｃｔ:ＴｈｅｄｏｗｎｈｏｌｅｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｏｆｏｉｌａｎｄｇａｓｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎｉｎＣｈｉｎａｉｓｈａｒｓｈꎬａｎｄｗｅｌｌｔｕｂｕｌａｒｓａｒｅｓｕｂ￣ｊｅｃｔｅｄｔｏｃｏｒｒｏｓｉｏｎａｔｔｒｉｂｕｔｅｄｔｏｈｉｇｈ￣ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅꎬｈｉｇｈ￣ｐｒｅｓｓｕｒｅ(ＨＴＨＰ)ꎬｈｙｄｒｏｇｅｎｓｕｌｆｉｄｅꎬｃａｒｂｏｎｄｉｏｘｉｄｅꎬｈｉｇｈ￣ｓａｌｉｎｉｔｙｂｒｉｎｅａｎｄｄｒｉｌｌ￣ｉｎｆｌｕｉｄｓꎬｅｌｅｍｅｎｔａｌｓｕｌｆｕｒａｎｄｓｔｒｏｎｇａｃｉｄｓ.Ｄｕｅｔｏｔｈｅａｂｏｖｅ￣ｍｅｎｔｉｏｎｅｄꎬｔｉｔａｎｉｕｍａｌ￣ｌｏｙｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚｅｄｂｙｈｉｇｈｓｔｒｅｎｇｔｈꎬｌｏｗｄｅｎｓｉｔｙꎬｌｏｗｅｌａｓｔｉｃｍｏｄｕｌｕｓꎬｈｉｇｈｔｏｕｇｈｎｅｓｓꎬａｎｄｆａｖｏｒａｂｌｅｆａｔｉｇｕｅａｎｄｃｏｒｒｏｓｉｏｎｒｅｓｉｓｔａｎｃｅｈａｓｂｅｃｏｍｅｔｈｅｐｒｅｆｅｒｒｅｄｍａｔｅｒｉａｌｆｏｒｗｅｌｌｔｕｂｕｌａｒｓａｎｄｔｏｏｌｓｏｆｏｆｆｓｈｏｒｅｒｅｓｏｕｒｃｅｒｅｃｏｖｅｒｙ.Ｈｏｗｅｖｅｒꎬｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｏｎｔｈｅｌｏａｄｉｎｇｓｔａｔｕｓａｎｄｓａｆｅｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙｏｆｓｕｃｈｍａｔｅｒｉａｌｓｉｎａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓｔｏｈｉｇｈ￣ｔｅｍｐｅｒａ￣ｔｕｒｅｈｉｇｈ￣ｐｒｅｓｓｕｒｅｇａｓｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎｉｓｉｎｓｕｆｆｉｃｉｅｎｔ.ＴｈｅｒｅｆｏｒｅꎬｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｏｐｅｒａｔｉｏｎｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓｏｆｔｈｅｒｅｐｒｅｓｅｎｔａｔｉｖｅＨＴＨＰｈｉｇｈ￣ｒａｔｅｇａｓｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎｗｅｌｌｏｆａｎｏｉｌｆｉｅｌｄｉｎＷｅｓｔＣｈｉｎａꎬｔｈｒｅｅｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎｔｕｂｉｎｇｓｔｒｉｎｇｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓｃｈｅｍｅｓａｒｅｄｅｖｅｌｏｐｅｄꎬａｎｄｔｈｅｍｅｃｈａｎｉｃａｌｓｔａｔｕｓｏｆｔｈｅｔｕｂｉｎｇｓｔｒｉｎｇｏｆｔｈｅｓｅｔｈｒｅｅｓｃｈｅｍｅｓｉｓａｎａｌｙｚｅｄｖｉａｔｈｅｆｉｎｉｔｅ￣ｅｌｅ￣５１１ ㊀２０２３年㊀第５１卷㊀第２期石㊀油㊀机㊀械ＣＨＩＮＡＰＥＴＲＯＬＥＵＭＭＡＣＨＩＮＥＲＹ㊀㊀㊀∗基金项目:国家重点研发计划项目 高承载钛合金特殊螺纹接头制造及连接关键技术研究与应用 (２０２１ＹＦＢ３７００８０４)ꎻ中国石油天然气集团有限公司科学研究与技术开发项目 耐蚀㊁抗菌㊁高强度低密度油井管新材料开发 (Ｎｏ ２０２１ＤＪ２７０３)ꎻ陕西省自然科学基金项目 Ｎｂ对极端油气工况下钛合金微观结构与耐蚀性交互影响机制研究 (２０２１ＪＭ－６０７)ꎮｍｅｎｔ￣ｍｅｔｈｏｄｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ.Ｔｈｅａｎａｌｙｓｉｓｓｈｏｗｓｔｈａｔｔｈｅｕｓｅｏｆｔｉｔａｎｉｕｍａｌｌｏｙｃａｎｒｅｄｕｃｅｔｈｅｌｏａｄｏｆｔｈｅｔｕｂ￣ｉｎｇｓｔｒｉｎｇａｎｄｉｎｃｒｅａｓｅｔｈｅｓａｆｅｔｙｆａｃｔｏｒ.Ｉｎｓｏｍｅｃａｓｅｓꎬｔｈｅｔｕｂｉｎｇｓｔｒｉｎｇｉｓａｓｓｏｃｉａｔｅｄｗｉｔｈｎｏｎｅｕｔｒａｌｐｏｉｎｔꎬａｎｄｔｈｅｃｏｎｔａｃｔｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｔｕｂｉｎｇａｎｄｃａｓｉｎｇｉｓｍｉｎｉｍｉｚｅｄｏｒｅｖｅｎｅｌｉｍｉｎａｔｅｄꎬｗｈｉｃｈｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙｓｕｐｐｒｅｓｓｅｓｔｈｅｔｕｂｉｎｇｖｉｂｒａｔｉｏｎｄｕｒｉｎｇｇａｓｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ.Ｔｈｅｆｉｎｄｉｎｇｓｏｆｔｈｉｓｒｅｓｅａｒｃｈｐｒｏｖｉｄｅｔｈｅｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌｂａｓｉｓｆｏｒａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓｏｆｔｈｅｔｉ￣ｔａｎｉｕｍａｌｌｏｙｔｕｂｉｎｇｓｔｒｉｎｇｔｏｇａｓｗｅｌｌｓ.Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ｔｉｔａｎｉｕｍａｌｌｏｙｔｕｂｉｎｇꎻｐｉｐｅｓｔｒｉｎｇｍｅｃｈａｎｉｃａｌａｎａｌｙｓｉｓꎻＨＴＨＰｇａｓｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎꎻｐｉｐｅｖｉｂｒａｔｉｏｎꎻｂｕｃｋｌｉｎｇ０㊀引㊀言深井超深井㊁ 三高环境 和大位移井㊁长段水平井等非常规油气资源勘探开发环境对石油管材的要求不断提高[１－２]ꎮ油管作为井下管柱的主要通道及完整性防护主体ꎬ在井下不仅要经受高温高压以及多种腐蚀性环境的综合作用ꎬ还会受到石油天然气开采过程中引起的冲击㊁振动及疲劳等复杂受力行为[３－４]ꎬ因此对管材的综合性能要求非常苛刻ꎮ钛合金材料以其较高的强度㊁较低的密度㊁优异的抗疲劳性能㊁优秀的耐腐蚀性能ꎬ以及低弹性模量和高韧性ꎬ已经成为石油管材料开发的热门材料[５－６]ꎮ早在２０世纪８０年代ꎬ国内外企业㊁高校及科研机构已开始对钛合金材料用于油气开发的可行性和性能等进行探讨及研究ꎮ美国ＲＭＩ公司的Ｒ Ｗ ＳＣＨＵＴＺ等[５－７]对油气工况下使用钛合金材料的性能进行多种测试及评价ꎬ综合结果认为ꎬ钛合金材料在石油天然气开发领域有巨大的应用潜力ꎮＲ Ｄ ＫＡＮＥ和Ｂ ＣＲＡＩＧ等[８－９]模拟高温高压下天然气开采环境ꎬ对多种钛合金的性能进行了试验评价ꎬ初步得出了不同钛合金油井管材料在不同工况下的耐腐蚀性能ꎮ美国ＲＭＩ公司通过大量试验和模拟ꎬ证实了钛合金材料在高温㊁高压㊁高腐蚀环境中使用的可行性并发现了性能局限[１０]ꎬ并针对钛合金在应用中出现氢脆提出了防治办法[１１]ꎬ成功开发出钛合金油管㊁钻具㊁海洋隔水管等产品ꎬ在Ｏｒｙｘ海王星钻井项目和墨西哥湾的ＭｏｂｉｌｅＢａｙＦｉｅｌｄ的油气开发中成功应用[１２－１３]ꎮ国内方面ꎬ中国石油集团石油管工程技术研究院(简称管研院)最早对钛合金管在油气开发行业应用的可行性进行了分析ꎬ展望了钛合金材料在石油工业的应用前景[６]ꎬ并对钛合金石油管服役工况极限和环境适用性进行研究[１４－１６]ꎬ解决了钛合金油套管应用的一些瓶颈问题ꎬ推动了钛合金油套管产品在国内天然气水合物㊁高温高压油气开采中投入现场应用ꎮ东方钽业等对ＴＡ１８材质的钛合金管材产品开展了热加工及试制ꎬ成功制备出了ＴＡ１８材质的厚壁钛合金管[１７]ꎮ天钢㊁攀钢等企业均试制出了钛合金油管ꎬ并在我国西南油气田元坝区块进行了试验性使用[１８－１９]ꎮ由于钛合金材料价值较高ꎬ生产工艺更为复杂ꎬ考虑到材料特性和应用成本ꎬ所以主要用于高温㊁高压㊁高腐蚀介质(三高)的高产油气开发领域ꎬ如我国的西部塔里木油田和西南区域的油气田ꎮ在这些开发环境中ꎬ除了井筒对管柱的载荷外ꎬ还有生产的高速油气对管柱的冲击㊁冲蚀和交互作用ꎬ大多为三高环境并且油管柱受力情况较为复杂ꎮ目前国内外对钛合金油井管在这种复杂环境管柱力学方面的研究鲜有报道ꎬ但管柱的力学性能对于钛合金油管的设计㊁使用和安全评估具有重要的意义ꎮ因此ꎬ笔者以我国西部某油气田的典型井况为基础ꎬ研究设计使用不同钛合金管柱时的管柱静力学和动力学性能ꎬ分析由于钛合金油管柱的加入对整体管柱振动状态方面的改善情况ꎬ以期为今后钛合金管的设计和使用提供参考ꎮ１㊀管柱力学模拟１ １㊀模拟条件㊀选取我国西部某油气田高产气井为模拟环境ꎬ模拟井深大约为７５００ｍꎬ酸压完井管柱采用１７７ ８ｍｍ(７ｉｎ)套管ꎬ液压封隔器的坐封深度大约为７１００ｍꎮ假设井筒温度分布如图１所示ꎮ试验中为高温高压气藏ꎬ产层地层压力为８６ ８８ＭＰａꎬ地层压力系数为１ １７ꎬ温度梯度为每１００ｍｍ上升２ ０ħꎮ酸压完井管柱按高排量１０ｍ３/ｍｉｎ设计ꎬ井口泵压１２５ＭＰａꎬ最小安全系数为１ ５０ꎬ压裂液密度１ １０ｇ/ｃｍ３ꎬ破裂压力梯度每１００ｍ１ ８０ＭＰａꎬ井底破裂压力１４０ＭＰａꎮ计算用开发管柱结构为:ø１１４ ３ｍｍˑ１２ ７ｍｍ(气密扣)ˑ２３００ｍ＋ø１１４ ３ｍｍˑ７ ３７ｍｍ(气密扣)ˑ４８００ｍꎮ环空液体密度６１１ ㊀㊀㊀石㊀油㊀机㊀械２０２３年㊀第５１卷㊀第２期为１ １５ｇ/ｃｍ３ꎬ地层压力系数取低值ꎬ套管控制抗内压安全系数为１ ４１(２１２３ｍ)ꎮ图１㊀假设的井筒温度分布曲线Ｆｉｇ １㊀Ａｓｓｕｍｅｄｗｅｌｌｂｏｒｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ１ ２㊀模拟计算条件与方法为了分析钛合金油管对管柱力学的影响ꎬ管柱结构方面假设最内层套管规格为ø１７７ ８ｍｍˑ１１ ５１ｍｍꎬ在套管内设计了３种油管柱结构方案ꎬ如图２所示ꎮＡ方案为全部使用钢制油管ꎬ上部２３００ｍ为ø１１４ ３ｍｍˑ１２ ７ｍｍ规格油管ꎬ下部４８００ｍ为ø１１４ ３ｍｍˑ７ ３７ｍｍ规格油管ꎻＢ方案上部２３００ｍ为ø１１４ ３ｍｍˑ１２ ７ｍｍ规格７５２ＭＰａ钢级的钢制油管ꎬ下部４８００ｍ为ø１１４ ３ｍｍˑ７ ３７ｍｍ规格同等强度的钛合金油管ꎻＣ方案油管柱规格与Ａ方案相同ꎬ但全部使用同等强度的钛合金油管ꎮ图２㊀计算用开发管柱结构Ｆｉｇ ２㊀Ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎｔｕｂｉｎｇｓｔｒｉｎｇｓｃｈｅｍｅｓｆｏｒｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎ利用Ｍａｔｌａｂ(２０１７)ｂ版软件建立３种管柱方案的有限元模型ꎮ由于建模的管柱具有超长细比特征ꎬ所以对模型做如下假设:①管柱质量分布均匀且各向同性ꎻ②管柱是完全弹性的ꎻ③管柱变形属于小变形ꎻ④管柱截面不发生翘曲ꎻ⑤井筒的截面为圆形ꎮ取固定于地面井口的整体坐标系为Ｏ－ＸＹＺꎬ原点Ｏ为井口ꎬＸ轴沿重力方向为正ꎻＹ轴指向正北方向ꎻＺ轴指向正东ꎮ固定于钻柱上的单元局部坐标系为Ｏ－ＸＹＺ(Ｘ轴沿钻柱轴线的切向方向为正ꎬＹ轴沿主法线方向)ꎮ三维空间梁单元及坐标系见图３ꎮ图３中标出了节点ｉ的载荷(ＦｉｘꎬＦｉｙꎬＦｉｚ)与相应方向的力矩(ＭｉｘꎬＭｉｙꎬＭｉｚ)ꎬ节点ｊ的位移(ｕｊｘꎬｕｊｙꎬｕｊｚ)及相应方向的扭转(θｊｘꎬθｊｙꎬθｊｚ)ꎮ图３㊀空间梁单元及坐标系Ｆｉｇ ３㊀Ｓｐａｔｉａｌｂｅａｍｅｌｅｍｅｎｔａｎｄｔｈｅｃｏｏｒｄｉｎａｔｅｓｙｓｔｅｍ在有限元模型建立方面ꎬ首先将整体管柱离散为有限个单元ꎬ建立管柱单元的三维力学有限元模型ꎬ再形成管柱整体的三维力学有限元模型ꎮ细长钻柱在井下处于静力平衡状态ꎬ其平衡方程为:Λσ＋ｆ＝０(１)式中:σ为应力分量矩阵ꎬＰａꎻｆ为体积力向量ꎬＮ/ｍ３ꎻΛ为微分算子ꎮ几何方程为:ε＝ΛＴｕ(２)式中:ｕ为位移分量矩阵ꎬｍꎻε为应变分量矩阵ꎬ无量纲ꎮ物理方程为:σ＝Ｄε(３)式中:Ｄ为弹性矩阵ꎬＰａꎮ由哈密尔顿变分原理得到单元的力平衡矩阵方程[２０]:(ＫｅＬ＋ＫｅＮ)ｕｅ＝Ｆｅ(４)式中:ＫｅＬ㊁ＫｅＮ㊁Ｆｅ分别为单元的线性刚度矩阵㊁非线性刚度矩阵和外力矩阵ꎬＰａꎻｕｅ为位移分量矩阵ꎮ在管柱动力学计算中ꎬ使用弹性动力学的Ｈａｍｉｌｔｏｎ原理[２１]ꎬ在满足位移边界约束的情况下ꎬ弹性体由ｔ１时刻到ｔ２时刻的运动状态的所有可能运动中ꎬ弹性体的真实运动使Ｈａｍｉｌｔｏｎ作用量泛函取驻值ꎬ即:δʏｔ２ｔ１(Ｔ－Ｅ－Ｗ)ｄｔ＝０(５)式中:δ为变分符号ꎻＴ为弹性体的动能ꎬＪꎻＥ为７１１ ２０２３年㊀第５１卷㊀第２期胡芳婷ꎬ等:高温高压天然气开采用钛合金油管柱力学分析㊀㊀㊀弹性体的势能ꎬＪꎻＷ 为弹性体所受的保守力所做的功ꎬＪꎮ用Ｅｕｌｅｒ￣Ｂｅｒｎｏｕｌｌｉ梁单元对管柱离散后ꎬ梁单元的位移包括平动位移和转动位移ꎮ相应地ꎬ其动能也包含平动动能和转动动能２部分ꎮ梁单元平动速度ｖ可以用单元轴线的运动表示为:ｖ＝ｕ•ｏＩ＋ｖ•ｏＪ＋ｗ•ｏＫ(６)式中:ｕ•ｏ㊁ｖ•ｏ㊁ｗ•ｏ分别为梁单元轴线的速度ꎬｍ/ｓꎻＩ㊁Ｊ和Ｋ分别为井眼坐标系Ｘ㊁Ｙ和Ｚ轴的单位矢量ꎮ据此ꎬ梁单元的平动动能Ｔｔ可以表示为:Ｔｔ＝１２ʏｖρｕ•ｏ()２＋ｖ•ｏ()２＋ｗ•ｏ()２[]ｄＶ＝１２ʏｌｅ０ρＡｕ•ｏ()２＋ｖ•ｏ()２＋ｗ•ｏ()２[]ｄｘ(７)式中:ρ为管柱密度ꎬｋｇ/ｍ３ꎻｌｅ为梁单元的长度ꎬｍꎻＡ为梁单元横截面面积ꎬｍ２ꎻＶ为梁单元的体积ꎬｍ３ꎮ梁单元的势能(又称应变能)可以根据管柱受力变形后的应力和应变表示为:Ｅ＝１２ʏＶσＴεｄＶ(８)式中:应力矢量σ＝σｘｘꎬσｙｙꎬσｚｚꎬτｘｙꎬτｘｚꎬτｙｚ[]ＴꎬＰａꎻ应变矢量ε＝εｘｘꎬεｙｙꎬεｚｚꎬγｘｙꎬγｘｚꎬγｙｚ[]Ｔꎮ对梁单元做功的外力主要有重力㊁不平衡力以及液体的黏性阻力ꎮ梁单元所受重力做功可以表示为:Ｗｇ＝ʏｌｅ０ｑｘｕｏ－ｑｙｖｏ()ｄｘ(９)式中:Ｗｇ为重力功ꎬＪꎻｑｘ㊁ｑｙ为Ｘ轴和Ｙ轴上的动量ꎬｋｇ/ｓꎮ在梁单元的动能㊁势能和外力项的表达式基础上ꎬ利用形函数对梁单元的连续位移进行插值后ꎬ推导出钻柱动力学有限元方程ꎬ推导后写成矩阵的形式为:ＭｅＵ••ｅ＋ＣｅＵ•ｅ＋ＫｅＵｅ＝Ｆｅ(１０)式中:Ｕ••ｅ㊁Ｕ•ｅ㊁Ｕｅ分别为单元节点的广义加速度(ｍ/ｓ２)㊁广义速度(ｍ/ｓ)和广义位移(ｍ)矢量ꎻＦｅ为广义力矢量ꎬＮꎻＭｅ㊁Ｃｅ㊁Ｋｅ分别为单元质量矩阵(ｋｇ)㊁阻尼矩阵(ｋｇ/ｓ)和刚度矩阵(ｋｇ/ｓ２)ꎮ边界条件方面ꎬ在井口和７１００ｍ深封隔器处对管柱分别进行全约束ꎬ计算静力学时选取井口温度为１６ħꎬ选取封隔器处温度为１６０ħꎬ其余部分的井筒温度按照图１的数据进行设定ꎮ封隔器坐封后管柱外环空保护液密度为１ １５ｇ/ｃｍ３ꎬ生产时按日产气量８ˑ１０５ｍ３计算ꎬ井口流压为６８ＭＰａꎬ无背压ꎬ井口温度为１２５ħꎮ为了简化计算ꎬ模拟工况计算时所选取的钢制油管和钛合金油管材料强度均设定为７５８ＭＰａꎮ考虑到升温对材料强度的影响ꎬ按照高温拉伸试验结果ꎬ设定钢制油管强度在１５０ħ时下降１０％ꎬ为６８２ＭＰａꎻ２００ħ时强度下降１３％ꎬ为６６０ＭＰａꎮ同样ꎬ钛合金材料在１５０和２００ħ时的强度分别为６０８和５５８ＭＰａꎮ材料其他性能ꎬ如热膨胀系数等如表１所示ꎮ采用软件内置的材料模型ꎬ在计算时自动带入ꎮ然后分别计算３种管柱方案的静力学㊁动力学及管柱屈曲ꎮ表１㊀计算用油管柱材料特性２㊀结果及讨论２ １㊀３种管柱结构静力学分析对３种管柱结构加内㊁外压力载荷后的轴向受力进行分析ꎬ结果如图４所示ꎮ其中正值为拉应力ꎬ负值为压应力ꎮ由图４可知:全钢管柱Ａ方案中井口和封隔器处的拉应力均为最大ꎻ当采用下半部为钛合金油管的Ｂ方案时ꎬ井口和封隔器处的应力均有所降低ꎻ当管柱全部使用钛合金油管的Ｃ方案时ꎬ轴向载荷最低ꎮ这主要是由于钛合金材料的密度较低ꎬ由此带来了管柱自重降低的效果ꎮ同时由图４还可以发现ꎬ钛合金油管对管柱的受力中和点也有较大影响ꎮ３种方案中ꎬ中和点从Ａ方案的井下４８５８ｍ处降低到Ｃ方案的井下５６６９ｍ处ꎮ图４㊀加钛合金后管柱轴向力变化对比Ｆｉｇ ４㊀Ａｘｉａｌｆｏｒｃｅｖａｒｉａｔｉｏｎａｆｔｅｒａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓｏｆｔｉｔａｎｉｕｍａｌｌｏｙｓ８１１ ㊀㊀㊀石㊀油㊀机㊀械２０２３年㊀第５１卷㊀第２期模拟日产８ˑ１０５ｍ３天然气时的生产工况ꎬ据此分析井口的安全系数ꎬ结果如图５所示ꎮ由图５可知:Ａ方案的全钢油管柱在８ˑ１０５ｍ３/ｄ产量时井口三轴安全系数为１ ８６８ꎻＢ方案中８ˑ１０５ｍ３/ｄ产量时井口三轴安全系数为１ ８９８ꎻＣ方案的管柱结构ꎬ在８ˑ１０５ｍ３/ｄ生产时井口三轴安全系数为１ ９６４ꎮ可以看出ꎬ随着钛合金管柱使用量的增加ꎬ井口的安全系数随之增大ꎮ图５㊀３种方案管柱结构井口安全系数对比(日产量８ˑ１０５ｍ３)Ｆｉｇ ５㊀Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆｗｅｌｌｈｅａｄｓａｆｅｔｙｆａｃｔｏｒｓｆｏｒｔｈｅｔｈｒｅｅｔｕｂｉｎｇｓｔｒｉｎｇｓｃｈｅｍｅｓ(ｄａｉｌｙｇａｓｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ＝８ˑ１０５ｍ３)㊀㊀图６为模拟日产８ˑ１０５ｍ３天然气时３种管柱方案井底的三轴㊁抗拉及抗内压安全系数的对比图ꎮ图６㊀３种管柱结构的三轴㊁抗拉和抗压安全系数对比Ｆｉｇ ６㊀Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆｔｒｉａｘｉａｌꎬｔｅｎｓｉｌｅａｎｄｃｏｌｌａｐｓｅｓｔｒｅｎｇｔｈｓａｆｅｔｙｆａｃｔｏｒｓｆｏｒｔｈｅｔｈｒｅｅｔｕｂｉｎｇｓｔｒｉｎｇｓｃｈｅｍｅｓ㊀㊀由图６可知ꎬ随着钛合金管柱用量的不断增加ꎬ抗拉及三轴安全系数也随之增大ꎬ而抗内压安全系数基本保持不变ꎮ２ ２㊀３种管柱结构动力学分析从２ １节的分析中可以看出ꎬ将钢制管柱部分或者全部更换为钛合金管柱后ꎬ管柱中和点位置将发生下移ꎮ但是在实际生产中ꎬ由于高压天然气产流的冲击作用ꎬ管柱在复杂受力下产生高速震颤ꎬ受力变化不同ꎬ动力学作用不同ꎬ需要对其进行动力学分析ꎮ本文仍按照模拟日产气８ˑ１０５ｍ３的工况ꎬ计算油管柱不同振动时间下的模态和振型ꎬ分析油管柱的振动姿态随着时间ｔ的变化而产生的复合效果ꎬ分析结果如图７所示ꎮ图７㊀３种方案管柱结构的振动轴向力对比Ｆｉｇ ７㊀Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆｖｉｂｒａｔｉｎｇａｘｉａｌｆｏｒｃｅｓｆｏｒｔｈｅｔｈｒｅｅｔｕｂｉｎｇｓｔｒｉｎｇｓｃｈｅｍｅｓ９１１ ２０２３年㊀第５１卷㊀第２期胡芳婷ꎬ等:高温高压天然气开采用钛合金油管柱力学分析㊀㊀㊀㊀㊀由图７可知ꎬ管柱振动使得油管柱的轴向力分布发生了变化ꎬ相比于全钢管柱ꎬ部分或者全部更换为钛合金管柱后ꎬ轴向应力发生了显著下降ꎬ同时中和点位置也发生了变化ꎮＡ方案中的油管中和点深度变化范围为４２６５~７０１６ｍꎬ而另外２个方案中的中和点深度变化范围逐渐减小ꎬ甚至在部分时刻(见图７ｃ中ｔ＝６ ０ｓ㊁ｔ＝７ ５ｓ和ｔ＝８ ５ｓ时)ꎬ由于多阶振动的耦合效应ꎬ使得这些时刻瞬间管柱全部处于拉伸状态ꎬ管柱结构无中和点ꎬ这种改变会极大地改善中和点附近螺纹接头的受力状态ꎬ减小螺纹密封失效的载荷因素ꎬ有利于油管柱结构和密封的完整性ꎮ对中和点处的Ｍｉｓｅｓ应力进行分析ꎬ结果如图８所示ꎮ由图８可知:油管柱在中和点处承受交变应力ꎬ在３种油管结构中ꎬＡ方案全钢油管柱的中和点处的应力交变幅度最大ꎬ达到４２ ８２ＭＰａꎬ更换钛合金管后油管柱中和点处的应力交变幅度得到了降低ꎻＢ方案中管柱应力交变幅度降到１６ ０５ＭＰａꎻＣ方案中管柱中和点处应力幅度变化约为１７ ８２ＭＰａꎮ分析认为ꎬ由于钛合金密度的减小ꎬ有效地减小了管柱的载荷ꎬ所以在中和点处的Ｍｉ￣ｓｅｓ应力交变幅度得到了有效降低ꎮＭｉｓｅｓ应力交变幅度的降低有利于延长其疲劳寿命和提高管柱的安全性ꎮ图８㊀３种方案管柱结构的中和点处Ｍｉｓｅｓ应力交变对比Ｆｉｇ ８㊀ＣｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆａｌｔｅｒｎａｔｉｎｇＭｉｓｅｓｓｔｒｅｓｓａｔｎｅｕｒａｌｐｏｉｎｔｓｆｏｒｔｈｅｔｈｒｅｅｔｕｂｉｎｇｓｔｒｉｎｇｓｃｈｅｍｅｓ２ ３㊀钛合金油管对管柱振动位移的影响生产管柱在井底受到多重复杂交变应力的影响ꎬ易发生屈曲变形ꎬ已知屈曲问题是引发油井管柱在井下发生失效的主要因素之一[２１－２２]ꎬ而造成屈曲的因素中振动位移的影响较大ꎬ因此对比研究钢管㊁钛合金油管对管柱振动位移的影响至关重要ꎮ图９㊀３种方案管柱结构的油管柱横向位移对比Ｆｉｇ ９㊀Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆｔｕｂｉｎｇｓｔｒｉｎｇｌａｔｅｒａｌｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔｆｏｒｔｈｅｔｈｒｅｅｔｕｂｉｎｇｓｔｒｉｎｇｓｃｈｅｍｅｓ图９为基于日产量８ˑ１０５ｍ３天然气的工况ꎬ３种不同管柱结构处于复杂受力下的高速震颤而带来的管柱横向位移ꎮ由图９可知ꎬＡ方案中的全钢油管柱在Ｘ方向的最大位移为２０ ２４ｍｍꎬ在Ｙ方向的最大位移为２０ ２４ｍｍꎮ这是由于计算时设定的外层套管内径为１５４ ７８ｍｍꎬ此时油管柱与外层套管之间的间隙最大为２０ ２４ｍｍꎬ所以Ａ方案中的钢制油管柱与外层套管井筒发生了接触ꎬ如图９ａ所示ꎬ此时由于井壁的干涉ꎬ油管柱在振动的过程中对管柱及螺纹的伤害较大ꎻ当使用Ｂ方案底部加钛合金油管柱后ꎬ油管柱沿Ｘ方向最大位移为２０ ２４ｍｍꎬＹ方向最大位移为５ １６ｍｍꎬＸ方向与井壁接触ꎻ使用全部为钛合金油管的Ｃ方案时ꎬ０２１ ㊀㊀㊀石㊀油㊀机㊀械２０２３年㊀第５１卷㊀第２期油管柱Ｘ方向最大位移为１１ ５６ｍｍꎬＹ方向最大位移为０ ２９ｍｍꎬＸ和Ｙ方向均未与井壁接触ꎮ上述结果表明钛合金油管柱可以有效地缓解管柱的振动幅度ꎬ改善管柱的受力状态ꎮ图１０为天然气日产量８ˑ１０５ｍ３时ꎬ３种管柱结构方案的弯矩计算结果ꎮ由图１０可知ꎬＡ方案中的全钢油管最大弯矩值为１２ｋＮ ｍꎬ底部加钛合金的Ｂ方案油管柱最大弯矩值为４ ９ｋＮ ｍꎬ全部使用钛合金的Ｃ方案油管柱最大弯矩值仅为０ ６４ｋＮ ｍꎬ表明钛合金油管弯矩极限得到了明显改善ꎮ图１０㊀加钛合金管柱后油管柱弯矩对比Ｆｉｇ １０㊀Ｔｕｂｉｎｇｓｔｒｉｎｇｂｅｎｄｉｎｇｍｏｍｅｎｔｖａｒｉａｔｉｏｎａｆｔｅｒａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓｏｆｔｉｔａｎｉｕｍａｌｌｏｙｓ３㊀结㊀论本文通过有限元分析ꎬ模拟我国典型区块高温高压井生产工况下ꎬ３种方案油管柱结构的管柱静力学和动力学性能ꎬ并分析钛合金油管柱的使用对管柱振动状态方面的改善情况ꎮ得出以下结论:(１)使用钛合金油管作为生产管柱后ꎬ气井生产时油管柱的安全系数均增大ꎬ井口处轴向拉力减小ꎬ全部使用钛合金油管的完井方案比下半部使用钛合金油管的完井方案具有更低的载荷和更大的安全系数ꎬ在８ˑ１０５ｍ３/ｄ的产气情况下其安全系数可达１ ９６４ꎮ(２)管柱振动使得油管柱的轴向力分布和Ｍｉ￣ｓｅｓ应力分布发生了变化ꎬ中和点位置也发生了变化ꎮ含有钛合金或全钛合金油管柱部分时刻管柱内无中和点ꎬ管柱处于拉伸状态ꎮ(３)增加钛合金材质后的油管柱屈曲状态得到了改善ꎬ使用和全部使用钛合金管柱ꎬ可使管柱的横向位移和弯矩均减小ꎬ使套管与井管之间轻接触或不接触ꎬ说明增加钛合金管柱有利于改善油管使用时的振动状态ꎮ(４)在高温高压油气开采中使用钛合金管柱ꎬ可以有效地降低管柱载荷㊁增大安全系数ꎬ改善振动ꎬ提高管柱的安全可靠性和完整性ꎮ参㊀考㊀文㊀献[１]㊀谷坛ꎬ霍绍全ꎬ李峰.酸性气田防腐蚀技术研究及应用[Ｊ].石油与天然气化工ꎬ２００８ꎬ３７(增刊１):６３－７２.ＧＵＴꎬＨＵＯＳＱꎬＬＩＦ.Ｒｅｓｅａｒｃｈａｎｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆａｎｔｉ￣ｃｏｒｒｏｓｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｉｎｓｏｕｒｇａｓｆｉｅｌｄｓ[Ｊ].Ｃｈｅｍｉ￣ｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｏｆＯｉｌａｎｄＧａｓꎬ２００８ꎬ３７(Ｓ１):６３－７２.[２]㊀叶登胜ꎬ任勇ꎬ管彬ꎬ等.塔里木盆地异常高温高压井储层改造难点及对策[Ｊ].天然气工业ꎬ２００９ꎬ２９(３):７７－７９.ＹＥＤＳꎬＲＥＮＹꎬＧＵＡＮＢꎬｅｔａｌ.Ｄｉｆｆｉｃｕｌｔｙａｎｄｓｔｒａｔｅｇｙｏｆｒｅｓｅｒｖｏｉｒｓｔｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｎａｂｎｏｒｍａｌ￣ｈｉｇｈｔｅｍ￣ｐｅｒａｔｕｒｅａｎｄｈｉｇｈｐｒｅｓｓｕｒｅｗｅｌｌｓｉｎｔｈｅＴａｒｉｍｂａｓｉｎ[Ｊ].ＮａｔｕｒａｌＧａｓＩｎｄｕｓｔｒｙꎬ２００９ꎬ２９(３):７７－７９.[３]㊀杜伟ꎬ李鹤林.海洋石油装备材料的应用现状及发展建议(上)[Ｊ].石油管材与仪器ꎬ２０１５ꎬ１(５):１－７.ＤＵＷꎬＬＩＨＬ.Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓｔａｔｕｓａｎｄｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｓｕｇｇｅｓｔｉｏｎｓｏｎｏｆｆｓｈｏｒｅｏｉｌｅｑｕｉｐｍｅｎｔｍａｔｅｒｉａｌｓ(ｐａｒｔＩ)[Ｊ].ＰｅｔｒｏｌｅｕｍＴｕｂｕｌａｒＧｏｏｄｓ＆Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓꎬ２０１５ꎬ１(５):１－７.[４]㊀ＳＣＨＵＴＺＲＷꎬＷＡＴＫＩＮＳＨＢ.Ｒｅｃｅｎｔｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｓｉｎｔｉｔａｎｉｕｍａｌｌｏｙａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｉｎｔｈｅｅｎｅｒｇｙｉｎｄｕｓｔｒｙ[Ｊ].ＭａｔｅｒｉａｌｓＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ:Ａꎬ１９９８ꎬ２４３(１/２):３０５－３１５.[５]㊀刘强ꎬ宋生印ꎬ李德君ꎬ等.钛合金油井管的耐腐蚀性能及应用研究进展[Ｊ].石油矿场机械ꎬ２０１４ꎬ４３(１２):８８－９４.ＬＩＵＱꎬＳＯＮＧＳＹꎬＬＩＤＪꎬｅｔａｌ.Ｒｅｓｅａｒｃｈａｎｄｄｅ￣ｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｔｉｔａｎｉｕｍａｌｌｏｙＯＣＴＧａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｉｎｅｎｅｒｇｙｉｎｄｕｓｔｒｙ[Ｊ].ＯｉｌＦｉｅｌｄＥｑｕｉｐｍｅｎｔꎬ２０１４ꎬ４３(１２):８８－９４.[６]㊀ＳＣＨＵＴＺＲＷ.ＥｆｆｅｃｔｉｖｅｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎｏｆＴｉｔａｎｉｕｍａｌｌｏｙｓｉｎｏｆｆｓｈｏｒｅｓｙｓｔｅｍｓ[Ｃ]ʊＯｆｆｓｈｏｒｅＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＣｏｎｆｅｒ￣ｅｎｃｅ.ＨｏｕｓｔｏｎꎬＴｅｘａｓ:ＯＴＣꎬ１９９２:ＯＴＣ６９０９－ＭＳ.[７]㊀ＫＡＮＥＲＤꎬＣＲＡＩＧＳꎬＶＥＮＫＡＴＥＳＨＡ.Ｔｉｔａｎｉｕｍａｌ￣ｌｏｙｓｆｏｒｏｉｌａｎｄｇａｓｓｅｒｖｉｃｅ:ａｒｅｖｉｅｗ[Ｃ]ʊＣＯＲＲＯ￣ＳＩＯＮ２００９ ＡｔｌａｎｔａꎬＧｅｏｒｇｉａ:ＮＡＣＥꎬ２０１９:ＮＡＣＥ０９０７８.[８]㊀ＫＡＮＥＲＤꎬＳＲＩＮＩＶＡＳＡＮＳꎬＣＲＡＩＧＢꎬｅｔａｌ.Ａ１２１ ２０２３年㊀第５１卷㊀第２期胡芳婷ꎬ等:高温高压天然气开采用钛合金油管柱力学分析㊀㊀㊀ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅｓｔｕｄｙｏｆｔｉｔａｎｉｕｍａｌｌｏｙｓｆｏｒｈｉｇｈｐｒｅｓｓｕｒｅｈｉｇｈｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ(ＨＰＨＴ)ｗｅｌｌｓ[Ｃ]ʊＣＯＲＲＯＳＩＯＮ２０１５ ＤａｌｌａｓꎬＴｅｘａｓ:ＮＡＣＥꎬ２０１５:ＮＡＣＥ２０１５－５５１２.[９]㊀ＳＣＨＵＴＺＲＷ.Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆｒｕｔｈｅｎｉｕｍ￣ｅｎｈａｎｃｅｄａｌ￣ｐｈａ￣ｂｅｔａｔｉｔａｎｉｕｍａｌｌｏｙｓｉｎａｇｇｒｅｓｓｉｖｅｓｏｕｒｇａｓａｎｄｇｅｏ￣ｔｈｅｒｍａｌｗｅｌｌｐｒｏｄｕｃｅｄ￣ｆｌｕｉｄｂｒｉｎｅｓ[Ｃ]ʊＣｏｒｒｏｓｉｏｎ９７ＮｅｗＯｒｌｅａｎｓꎬＬｏｕｉｓｉａｎａ:ＮＡＣＥꎬ１９９７:ＮＡＣＥ９７０３２. [１０]㊀ＧＡＲＴＬＡＮＤＰＯꎬＢＪＯＮＡＳＦꎬＳＣＨＵＴＺＲＷ.Ｐｒｅ￣ｖｅｎｔｉｏｎｏｆｈｙｄｒｏｇｅｎｄａｍａｇｅｏｆｏｆｆｓｈｏｒｅｔｉｔａｎｉｕｍａｌｌｏｙｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓｂｙｃａｔｈｏｄｉｃｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｓ[Ｃ]ʊＣｏｒ￣ｒｏｓｉｏｎ９７ ＮｅｗＯｒｌｅａｎｓꎬＬｏｕｉｓｉａｎａ:ＮＡＣＥꎬ１９９７:ＮＡＣＥ９７４７７.[１１]㊀ＳＣＨＵＴＺＲＷꎬＬＩＮＧＥＮＥＶ.ＣｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎｏｆｔｈｅＴｉ－６Ａｌ－４Ｖ－Ｒｕａｌｌｏｙｆｏｒａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｉｎｔｈｅｅｎｅｒｇｙｉｎ￣ｄｕｓｔｒｙ[Ｃ]ʊＰｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓｏｆＥｕｒｏｃｏｎ ９７Ｃｏｎｇｒｅｓｓ.ＴａｐｉｒꎬＮｏｒｗａｙ:[ｓ.ｎ.]ꎬ１９９７:２５９－２６５. [１２]㊀ＳＣＨＵＴＺＲＷꎬＪＥＮＡＢＣꎬＷＡＬＫＥＲＨＷ.Ｃｏｍｐａ￣ｒｉｎｇｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌｒｅｓｉｓｔａｎｃｅｏｆＵＮＳＲ５５４００ａｌｌｏｙｔｕ￣ｂｕｌａｒｓｔｏｏｔｈｅｒｏｉｌｆｉｅｌｄｔｉｔａｎｉｕｍａｌｌｏｙｓ[Ｃ]ʊＣＯＲＲＯ￣ＳＩＯＮ２０１６ ＶａｎｃｏｕｖｅｒꎬＢｒｉｔｉｓｈＣｏｌｕｍｂｉａꎬＣａｎａｄａ:ＮＡＣＥꎬ２０１５:ＮＡＣＥ２０１６－７３２８.[１３]㊀刘强ꎬ惠松骁ꎬ宋生印ꎬ等.油气开发用钛合金油井管选材及工况适用性研究进展[Ｊ].材料导报ꎬ２０１９ꎬ３３(５):８４１－８５３.ＬＩＵＱꎬＨＵＩＳＸꎬＳＯＮＧＳＹꎬｅｔａｌ.Ｍａｔｅｒｉａｌｓｓｅｌｅｃ￣ｔｉｏｎｏｆｔｉｔａｎｉｕｍａｌｌｏｙＯＣＴＧｕｓｅｄｆｏｒｏｉｌａｎｄｇａｓｅｘｐｌｏ￣ｒａｔｉｏｎａｎｄｔｈｅｉｒａｐｐｌｉｃａｂｉｌｉｔｙｕｎｄｅｒｓｅｒｖｉｃｅｃｏｎｄｉｔｉｏｎ:ａｓｕｒｖｅｙ[Ｊ].ＭａｔｅｒｉａｌｓＲｅｐｏｒｔｓꎬ２０１９ꎬ３３(５):８４１－８５３.[１４]㊀刘强ꎬ惠松骁ꎬ汪鹏勃ꎬ等.油气开采用钛合金石油管材料耐腐蚀性能研究[Ｊ].稀有金属材料与工程ꎬ２０２０ꎬ４９(４):１４２７－１４３６.ＬＩＵＱꎬＨＵＩＳＸꎬＷＡＮＧＰＢꎬｅｔａｌ.Ａｎｔｉ￣ｃｏｒｒｏｓｉｏｎｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｔｉｔａｎｉｕｍａｌｌｏｙＯＣＴＧｕｓｅｄｉｎｏｉｌａｎｄｇａｓｅｘｐｌｏｒａｔｉｏｎ[Ｊ].ＲａｒｅＭｅｔａｌＭａｔｅｒｉａｌｓａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒ￣ｉｎｇꎬ２０２０ꎬ４９(４):１４２７－１４３６.[１５]㊀刘强ꎬ申照熙ꎬ李东风ꎬ等.钛合金油套管抗挤毁性能计算与试验[Ｊ].天然气工业ꎬ２０２０ꎬ４０(１０):９４－１０１.ＬＩＵＱꎬＳＨＥＮＺＸꎬＬＩＤＦꎬｅｔａｌ.Ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎａｎｄｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｓｔｕｄｉｅｓｏｎｔｈｅｃｏｌｌａｐｓｅｓｔｒｅｎｇｔｈｏｆｔｉｔａｎｉ￣ｕｍａｌｌｏｙｔｕｂｉｎｇａｎｄｃａｓｉｎｇ[Ｊ].ＮａｔｕｒａｌＧａｓＩｎｄｕｓ￣ｔｒｙꎬ２０２０ꎬ４０(１０):９４－１０１.[１６]㊀李永林ꎬ朱宝辉ꎬ王培军ꎬ等.石油行业用ＴＡ１８钛合金厚壁管材的研制[Ｊ].钛工业进展ꎬ２０１３ꎬ３０(２):２８－３１.ＬＩＹＬꎬＺＨＵＢＨꎬＷＡＮＧＰＪꎬｅｔａｌ.ＲｅｓｅａｒｃｈｏｎｐｒｏｃｅｓｓｏｆＴＡ１８ｔｉｔａｎｉｕｍａｌｌｏｙｔｈｉｃｋ￣ｗａｌｌｅｄｔｕｂｅｕｓｅｄｉｎｏｉｌｉｎｄｕｓｔｒｙ[Ｊ].ＴｉｔａｎｉｕｍＩｎｄｕｓｔｒｙＰｒｏｇｒｅｓｓꎬ２０１３ꎬ３０(２):２８－３１.[１７]㊀孟祥林ꎬ何佳持.攀钢钛合金油管有望填补国内市场空白[Ｎ].世界金属报导.２０１４－１２－０９(２).ＭＥＮＧＸＬꎬＨＥＪＣ.Ｐａｎｇａｎｇ'ｓｔｉｔａｎｉｕｍａｌｌｏｙｔｕｂｉｎｇｉｓｅｘｐｅｃｔｅｄｔｏｆｉｌｌｔｈｅｇａｐｉｎｔｈｅｄｏｍｅｓｔｉｃｍａｒｋｅｔ[Ｎ].ＷｏｒｌｄＭｅｔａｌｓＲｅｐｏｒｔ.２０１４－１２－０９(２).[１８]㊀杨冬梅.抗腐蚀钛合金油管井首次在超深高含硫气井应用[Ｊ].钢铁钒钛ꎬ２０１５ꎬ３６(３):１５.ＹＡＮＧＤＭ.Ｔｈｅｆｉｒｓｔａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｃｏｒｒｏｓｉｏｎ￣ｒｅｓｉｓｔａｎｔｔｉｔａｎｉｕｍａｌｌｏｙｔｕｂｉｎｇｗｅｌｌｓｉｎｕｌｔｒａ￣ｄｅｅｐａｎｄｈｉｇｈ￣ｓｕｌｆｕｒｇａｓｗｅｌｌｓ[Ｊ].ＩｒｏｎＳｔｅｅｌＶａｎａｄｉｕｍＴｉｔａｎｉｕｍꎬ２０１５ꎬ３６(３):１５.[１９]㊀王勖成.有限单元法[Ｍ].北京:清华大学出版社ꎬ２００３.ＷＡＮＧＸＣ.Ｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｍｅｔｈｏｄ[Ｍ].Ｂｅｉｊｉｎｇ:ＴｓｉｎｇｈｕａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙＰｒｅｓｓꎬ２００３.[２０]㊀陈锋.复杂载荷条件下钻具接头三维应力特征分析[Ｄ].上海:上海大学ꎬ２０１４.ＣＨＥＮＦ.Ｔｈｒｅｅ￣ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｓｔｒｅｓｓａｎａｌｙｓｉｓｏｆｔｏｏｌｊｏｉｎｔｓｕｎｄｅｒｃｏｍｐｌｅｘｌｏａｄｓ[Ｄ].Ｓｈａｎｇｈａｉ:ＳｈａｎｇｈａｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙꎬ２０１４.[２１]㊀高国华ꎬ张福祥ꎬ王宇ꎬ等.水平井眼中管柱的屈曲和分叉[Ｊ].石油学报ꎬ２００１ꎬ２２(１):９５－９９.ＧＡＯＧＨꎬＺＨＡＮＧＦＸꎬＷＡＮＧＹꎬｅｔａｌ.Ｂｕｃｋｌｉｎｇａｎｄｂｉｆｕｒｃａｔｉｏｎｏｆｐｉｐｅｓｉｎｈｏｒｉｚｏｎｔａｌｗｅｌｌｓ[Ｊ].ＡｃｔａＰｅｔｒｏｌｅｉＳｉｎｉｃａꎬ２００１ꎬ２２(１):９５－９９.[２２]㊀彭建云ꎬ周理志ꎬ阮洋ꎬ等.克拉２气田高压气井风险评估[Ｊ].天然气工业ꎬ２００８ꎬ２８(１０):１１０－１１２ꎬ１１８.ＰＥＮＧＪＹꎬＺＨＯＵＬＺꎬＲＵＡＮＹꎬｅｔａｌ.Ｒｉｓｋｅｖａｌｕ￣ａｔｉｏｎｏｆｈｉｇｈ￣ｐｒｅｓｓｕｒｅｇａｓｗｅｌｌｓｉｎｔｈｅｋｅｌａ－２ｇａｓｆｉｅｌｄ[Ｊ].ＮａｔｕｒａｌＧａｓＩｎｄｕｓｔｒｙꎬ２００８ꎬ２８(１０):１１０－１１２ꎬ１１８㊀㊀第一作者简介:胡芳婷ꎬ女ꎬ高级工程师ꎬ生于１９８０年ꎬ２００５年毕业于西安石油大学材料加工工程专业ꎬ现从事石油钻井工程科研工作ꎮ地址:(８４１０００)新疆库尔勒市ꎮ电话:(０９９６)２１７３９０３１ꎮＥ￣ｍａｉｌ:ｈｕｆｔ￣ｔｌｍ＠ｐｅｔｒｏｃｈｉ￣ｎａ ｃｏｍ ｃｎꎮ通信作者:刘强ꎬＥ￣ｍａｉｌ:ｌｉｕｑｉａｎｇ０３０＠ｃｎｐｃ ｃｏｍ ｃｎꎮ㊀收稿日期:２０２２－０８－２５(本文编辑㊀宋治国)２２１ ㊀㊀㊀石㊀油㊀机㊀械２０２３年㊀第５１卷㊀第２期。
钛纳米涂层换热器管束在大型冷换设备中的应用
王巍
【期刊名称】《石油化工腐蚀与防护》
【年(卷),期】2024(41)3
【摘要】针对石油化工装置中的特大型水冷器与冷凝器的设备防腐,目前主要是采用热固化涂料对换热器管束进行防腐涂装。
经过实践证明,防腐蚀涂层通常使用
2~3 a便会出现失效问题,其使用寿命达不到设计要求。
某0.6 Mt/a甲醇深加工装置丙烯制冷剂冷凝器循环水侧管束的防腐蚀涂层已使用3 a,重点对该管束涂层的失效原因进行分析,认为其失效原因主要有两个,一是涂层材料与涂装的问题;二是涂层表面存在水垢层,造成垢下腐蚀,使换热管热阻增加,冷凝效果下降。
根据换热器管束防腐涂层存在的问题,设计了一种节能防腐钛纳米涂层管束。
此钛纳米涂料可常温固化,有利于现场涂装施工。
管束经涂装后可以连续安全使用10 a以上,在换热器管束防腐蚀技术中,钛纳米涂层是目前综合效益最好的一种。
【总页数】6页(P45-50)
【作者】王巍
【作者单位】中国石油大庆石化公司
【正文语种】中文
【中图分类】TG1
【相关文献】
1.钛纳米聚合物涂层技术在炼油厂换热设备中的应用
2.钛纳米聚合物涂层在冷却器管束上的应用
3.钛纳米涂层技术解决换热设备管束内表面腐蚀
4.“节能防腐钛纳米涂层换热管束的研制”项目通过鉴定
5.钛纳米涂层技术解决管束涂层高温固化的施工难题
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材料科学中的新材料研究与创新应用近年来，材料科学领域不断涌现出新材料的研究和创新应用，这些新材料不仅拥有更好的性能，还能满足人们不断变化的需求。
本文将深入探讨材料科学中的新材料研究与创新应用。
一. 新型材料的研究新型材料是指相对于传统材料而言，产生了新组分、新结构、新组织或具有新功能的材料。
在新型材料的研究方面，现代科技手段，如纳米技术、生物技术和计算机仿真等技术，起到了至关重要的作用。
1. 纳米材料纳米材料是指至少一维尺寸在纳米级别的材料，具有高比表面积和尺寸效应等特性。
纳米材料在许多领域中都有巨大的应用前景，例如纳米电子、纳米传感器、纳米催化剂等方面。
近年来，许多新型纳米材料成为材料科学研究的热点，如石墨烯、纳米金、纳米银等，这些材料均因其独特的物理、化学、生物和机械性能得到了广泛应用。
2. 高分子材料高分子材料是由高分子化合物制成的材料，可以广泛应用于材料制造、医学、电子、环保等领域。
高分子材料的研究包括合成高分子材料、改进高分子化学结构、高分子成型工艺和高分子加工工艺等，其主要应用领域包括塑料、纤维、涂料和胶水等。
近年来，以聚酰亚胺、聚芳醚、高性能聚酰胺等为代表的高分子材料，因其拥有优异的热力学、力学和电学性能而被广泛应用。
二. 新型材料的应用新材料的研究不仅在理论层面具有重要价值，更为重要的是应用。
在工业化、信息技术和医疗健康等领域，新材料的应用正在逐步展开。
1. 信息技术领域信息技术领域需要的新材料包括电子材料、光学材料、磁性材料和超导材料等，这些材料扮演着实现高性能计算、高速数据传输和存储、高品质显示等重要角色。
例如，基于石墨烯、硒化钼等纳米材料的柔性电子元件已被广泛应用于高灵敏传感器、用于人体生物医学监测和医疗方面。
2. 医疗健康领域医疗健康领域需要的新材料包括生物材料和医疗材料。
生物材料包括人工血管、人造骨骼和织物修复材料等，主要用于人体内植入物和组织修复。
医疗材料包括医用纤维、医用胶水和医用粘合剂等，主要用于医疗设备的制造和治疗替代品的生产。
输油气管道内减阻多功能防腐涂层的开发与研究岑日强，张驰（广东健玺表面工程技术有限公司，广州511455）Development of Inner Drag Reduction Coatings with Multi-Functional Anticorrosive Performance for Oil andGas Transport Pipeline摘要：介绍了以纳米有机钛聚合物为基料、通过硅氟材料的改性，研制了钛基氟硅高分子合金涂料的开发过程，并通过对材料结构的表征和涂层性能的研究，证明了该涂层材料具有超疏水表面、不沾污、不结垢、耐高温、导静电、防腐蚀等多种功能，减阻效果显著，是保障石油与天然气输送管道安全运行必不可少的新型防护涂层材料。
关键词：内减阻涂料；钛基氟硅高分子合金；红外特征图谱表征；多功能防腐涂层中图分类号：TQ630.7文献标识码：A文章编号：2096-8639(2020)11-0007-06Cen Riqiang Zhang Chi(Guangdong Jianxi Surface Engineering Technology Co.,Ltd.,Guangdong 511455,China )Abstract:The titanium-based fluorosilicon high molecular alloy coatings based on nano-organictitanium polymer are prepared via the modification of silicon -fluorine material.The structure and film performance of the prepared coating material are characterized,showing that the coating material has good properties including super hydrophobic surface,fouling resistance,scaling resistance,high temperature resistance,static electricity conduction and anticorrosion,etc.It is a novel protective coating especial for the safe operation of oil and gas pipelines.Keywords：inner drag reduction coating ；Ti-based fluoro-silicon polymer alloy ；characterization of infrared characteristic spectrum ；multi-functional anticorrosive coating0引言石油与天然气管道内减阻涂层的防护应用，是从20世纪60、70年代欧美国家最早提出并实施的一项先进技术。
