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海洋材料(16):海洋鉆探平臺與鉆探管

2015年09月16日 15:10 5972次瀏覽 來源:   分類: 新材料前沿   作者:

    中國有著遼闊的海洋,有著豐富的海洋資源與礦產(chǎn)資源,與開發(fā)陸地資源相比,開發(fā)海洋資源難度要大得多,特別是深海資源,例如海洋中蘊藏著豐富的石油與天然氣,為了開采它們,首先要進行勘探,摸清情況,于是首先要建造一座平臺,這個平臺實際上就是建在海洋上的一個勘探鉆井站,上有鉆井設(shè)備與工作人員所需的一切工作與生活用品,以及房舍與直升機停機臺等,其中許多裝備、用品與設(shè)施都可以用鋁及鋁合金制造,因為鋁是最佳的海洋工程材料之一,對海水及海洋氣候有相當(dāng)強的適應(yīng)性。當(dāng)然有些性能它遠(yuǎn)不如鈦及鈦合金,但是鋁的價格較低,密度也只有鈦的60%,因此在建造平臺甲板、直升機停機坪、上層建筑設(shè)施等時,鋁材的性價比遠(yuǎn)比鈦及其他結(jié)構(gòu)材料的高,所以鋁材成為一種建造海洋鉆探平臺不可或缺的材料。

  海洋鉆探管完全可用鋁合金制造,美國早在上世紀(jì)60年代中期就開始采用20147075合金厚壁管鉆探石油與天然氣。2014合金是一個古老的合金,上世紀(jì)20年代中期成型,是美國鋁業(yè)公司匹茲堡技術(shù)中心研發(fā)的,當(dāng)時的牌號為14S,1954年改為現(xiàn)在的四位數(shù)字牌號,它的標(biāo)定化學(xué)成分(質(zhì)量%)如下,是一種Al-Cu-Mg-Si-Mn系合金:0.50Si~1.2Si,0.7Fe3.9Cu~5.0Cu,0.40Mn~1.2Mn,0.2Mg~0.8Mg,0.10Cr0.25Zn,0.15Ti,其他雜質(zhì)單個0.05,總計0.15,其余為Al,它是一種熱處理可強化合金,既可以在自然時效狀態(tài)(T4)下應(yīng)用,也可以在人工時效狀態(tài)(T6)下應(yīng)用。

  2014合金的含銅量較高,它的強度性能實際上與2024合金的相當(dāng),但它的工藝性能卻比2024合金的高得多,同時它含有較多的銅和錳,所以有相當(dāng)高的熱強性,可用于制造在高溫下工作的零件。它在退火狀態(tài)下的組織除嵯嗤?,还有S相(Al2CuMg)、Al2Cu、Mg2SiAlFeMnSiAl10Mn2Si,由于它的硅含量較高,所以合金中共晶體含量比2024合金的多一些,故有較好的鑄造性能。2014合金的固溶處理溫度503℃,它雖可以在自然時效狀態(tài)下應(yīng)用,但是鉆探管的工作環(huán)境溫度較高,所以應(yīng)在人工時效狀態(tài)下應(yīng)用,最佳人工時效規(guī)范:160/6h~8h,空氣中冷卻。2014合金管的擠壓溫度470~475℃,退火溫度350~400℃。

  2014合金有兩種變型合金:2017A2114合金。這3個合金的力學(xué)性能相等,在生產(chǎn)鉆探管時選用2014合金即可。

  7075合金是一種常規(guī)超強度鋁---銅系合金,于1944年定型,首先研制成此合金的是美國鋁業(yè)公司,當(dāng)時的合金牌號為75S,稍后不到一年,蘇聯(lián)與日本也研發(fā)成此合金,蘇聯(lián)合金的牌號為B95,據(jù)稱是第95號工廠試制生產(chǎn)的,故得此名;日本合金的商品名稱為ESD。

  7075型合金是一個大名鼎鼎的航空鋁合金,在航空航天器用的結(jié)構(gòu)鋁合金中,它的用量僅次于2024型合金的。7075型合金現(xiàn)在已形成一個家族,其化學(xué)成分見表1,7475合金1969年注冊,是當(dāng)今航空結(jié)構(gòu)材料的骨干合金,它的雜質(zhì)硅、鐵含量很低,有高的斷裂韌性、疲勞性能與損傷容限,生產(chǎn)海洋鉆探管用7075合金,它的生產(chǎn)工藝與控制要點耳熟能詳。

  7075型合金的化學(xué)成分很復(fù)雜,因而它的相組成復(fù)雜,峁倘芴逡埠芨叢櫻倘艿暮轄鷦囟唷?7075型合金的最大特點是它有三種強化相:SAl2CuMg),TAlMgCuZn)、MgZn2,其中又以后兩種對合金的強化影響最大,因為在固溶處理溫度475℃,它們在Al中的溶解度很大,而此時S相的溶解度卻不大。隨著溫度的下降,T相和MgZn2相的溶解度猛烈減小,因而可以采用相應(yīng)的熱處理來大大提高合金的強度性能,與2XXX系合金相比,7075型合金最突出特點是它們在人工時效狀態(tài)(T6)下的抗蝕性比在自然下的高得多。

  7075型合金的另一些特點是:對交變負(fù)載和尖銳缺口的敏感性很高,因此在設(shè)計零件的形狀和載面時,以及在選擇其制造工藝時應(yīng)充分考慮合金的這些特性,在生產(chǎn)材料與對其加工制造時應(yīng)小心,不得擦、劃傷材料與工件表面,同時零件截面的過渡要緩和。

  和許多其他鋁合金一樣,7075合金材料橫截面即長橫向、短橫向的強度比縱向的低一些,擠壓材的截面愈大,這種差別也愈大。

  以鋁合金管代替鋼管有以下優(yōu)點:質(zhì)量輕,用同樣的設(shè)備可以提升更長的鉆桿,提升燃料消耗可以減少15%~20%,每臺設(shè)備運送的總長度可增加60%,鉆機能力可以提高50%~100%;可靠性高,不會發(fā)生火花,在有腐蝕性介質(zhì)的鉆井中,比傳統(tǒng)鉆探鋼管的抗蝕性還高;鉆探性能良好,鉆井深度可增加30%;耐熱性強,可鉆到8km,井底溫度為200℃時,仍運轉(zhuǎn)良好;低溫性能好,無低溫脆性,鋁合金的力學(xué)性能隨著溫度降低而全面有所上升;可回收性強,鋁合金管報廢后,回收再生率可達95%以上,而鋼管的回收率只不過70%左右。

  常用鉆探管的規(guī)格尺寸見表2。按美國ASTM標(biāo)準(zhǔn),20147075合金管的力學(xué)性能見表3。

  時下,阻礙鋁合金管在鉆探中大量應(yīng)用的主要因素:對其應(yīng)用與性能還不熟悉;價格約比鋼管的貴50%。不過長遠(yuǎn)來看,其綜合經(jīng)濟效益還比鋼的好一些或相差不大。從2013年起美國鋁業(yè)公司為俄羅斯大石油公司OJSC Rusnano生產(chǎn)鉆探鋁合金管,在薩馬拉冶金(美鋁)廠生產(chǎn),其上涂有一層美國鋁業(yè)公司新近研發(fā)的納米級涂料,可在極端嚴(yán)峻的腐蝕條件下工作,使用壽命比沒有涂層管的長30%~40%。

  截至2013年,中國尚不能批量生產(chǎn)鋁合金鉆探管,但正在建設(shè)有關(guān)此產(chǎn)品的項目,如利源精制股份有限公司、忠旺集團鋁業(yè)公司等,可于2015年或2016年投產(chǎn),但納米級防腐涂料還不能生產(chǎn),有待研究開發(fā)。鉆探管是一種高技術(shù)鋁合金產(chǎn)品,但不是一種大宗產(chǎn)品,市場容易有限。

201312月遼寧忠旺集團與墨西哥埃夫雅公司(EVYA)達成合作研發(fā)生產(chǎn)鋁合金海上鉆井平臺、直升機停機臺協(xié)議,對這些產(chǎn)品走出去將起積極的推動作用。

海洋16—1

海洋16-2

責(zé)任編輯:于璐

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