海洋石油装备中的有色金属材料应用及优势

在海洋石油开发中，为获得更加轻量化、寿命更长的石油装备构件，有色金属材料得以广泛应用。海洋石油装备中常用的有色金属材料包括钛合金、铝合金、铜合金等。

（1）钛合金与钢铁、不锈钢、铜、铝等常用材料相比，钛材最突出的特点是密度低，比强度高，耐蚀性强。同时还具有耐海水冲刷，无磁性，无冷脆性，高透声系数，较好成形、铸造、焊接性能等，使它对各类海洋工程有广泛的适用性。目前，美国、俄罗斯和我国等先后开发出了约50种海洋工程用钛合金。表11列出了常用海洋工程装备用钛合金的牌号、成分及性能。

表11 美国、俄罗斯与中国常用海洋工程装备用钛合金的牌号、成分及性能^[8]

钛及其合金是升级海洋资源开发装备、提升海洋资源开发能力的理想结构材料。在海洋石油开发方面，钛合金主要应用于隔水管、钻杆、锥形应力接头、连续管、增压管道、钻具提升装置、海水管路系统、冷却系统、灭火系统等。其中TC4（Ti-6Al-4V）在海洋油气工程中应用较多，尤其是采用β锻造技术锻造的Ti-6Al-4V ELI合金的平面断裂韧性和应力腐蚀断裂韧性高于普通Ti-6Al-4V，得到了更为广泛的应用。美国北海油气挪威分部的半潜式平台大量使用了Ti-6Al-4V ELI（Gr23）钛合金管代替钢管制作隔水管，如图4所示，降低整个系统重量达50%，从而降低提升力63%，系统成本降低40%，服务年限达25年之久。由Ti-6Al-4V（Gr5）钛合金制成的超深井钻杆，垂直深度可达9200mm。钛合金钻杆代替钢钻杆后，钻具起吊力减少30%，扭矩降低30%～40%。井下作业连续管通常采用Gr2、Gr7、Gr9、Gr12、Gr18、Gr286种钛和钛合金管焊接制造，目前最大外径63.6mm。连续管钻井可以使得钻井成本降低很多，采用钛合金连续管，连续管的疲劳寿命和腐蚀疲劳寿命也大大延长^[8]。

图4 钛合金隔水管

（2）铝合金铝及铝合金具有密度小、耐腐蚀、无磁性，良好的成型性和焊接性等优点。应用铝合金可提高海洋石油装备的性价比。纯铝硬度及强度一般较低，不适宜制作受力的机械零构件。铝及其合金在海洋油气开发中的应用较为广泛，主要有：铝合金钻杆、铝合金平台、铝合金直升机停机坪、铝合金海上生活间、铝合金隔水管、铝合金LNG球罐（Moss球罐）等。(www.xing528.com)

1962年，俄罗斯即开始使用铝合金钻杆。铝合金钻杆由于其重量轻、强度重量比高（强度重量比是普通钢的1.5～2倍）、抗腐蚀性强、延展性好、与井壁的摩阻小和无磁性等优点，在深井、超深井、深水平井和大位移井中具有广泛应用前景。美国、法国、德国和日本等国也开发了不同规格和用途的铝合金钻杆。1957年，在委内瑞拉的马拉开波湖，世界上第一个使用在高腐蚀地区的铝合金石油钻井平台出现。2004年，巴西卡姆波斯巴欣公司建造了首台全铝石油平台。20世纪90年代铝焊接技术的进步，出现了全铝结构停机坪，大大减轻了重量，同时降低了成本。2008年，新加坡开发了直径22.2m的全铝直升机停机坪。此外，铝合金也用于制作海上生活单元（图5）等。目前，在LNG船上，Moss球罐已多采用5083铝合金材料，5083是一种Al-Mg合金，具备良好的低温断裂韧性和裂纹扩展传播特征。Moss球罐即使产生了裂缝，裂缝扩展速度也非常缓慢，产生的泄漏也非常轻微。一艘Moss型LNG船大约需要2800～3100t的5083铝合金板。

图5 铝合金海上生活单元

（3）铜合金铜及其合金具有优良的力学性能，耐海水腐蚀、冲刷腐蚀及海洋生物腐蚀，导热性能良好。按照化学成分，铜合金可分为黄铜、青铜和白铜。黄铜是以加锌为主的铜合金。白铜是以加镍为主的铜合金。作为结构件，白铜常用于制造海水管道、仪表零件、冷凝器、热交换器等。除黄铜、白铜之外的其他铜合金统称为青铜。根据主加元素，如Sn、Al、Si、Be等，分别称为锡青铜、铝青铜、硅青铜、铍青铜。锡青铜在海水中耐蚀性超过纯铜、黄铜，常被用于弹性元件、轴承等耐磨零件、抗磁及耐蚀零件。铝青铜的强度、硬度、耐磨性、耐热性、耐蚀性均高于黄铜、锡青铜，主要应用于高强度、耐磨和耐蚀零件，如齿轮、轴承、阀座、螺旋桨等。铍青铜具有强的沉淀强化效应，经淬火和时效，铍青铜具有高的强度、硬度、耐磨性、抗蚀性等，常用作弹簧、轴承、海底连接件等。

在海洋油气开发中，由于具有良好的抗污性及耐蚀性，Cu-Ni合金包覆海洋平台，被证明是避免或减缓飞溅区腐蚀的理想选择。铜合金也被用于平台海水管道、钻头组件、阀门组件等^[9]。海水管道和油气平台包覆层一般均选用Cu-Ni合金，以C70600（美国牌号，Cu-10Ni-1.5Fe-Mn）为代表，其具有优良的加工性能、可焊性和力学性能，同时具备优良的耐海水腐蚀、耐海生物腐蚀、耐应力腐蚀和耐腐蚀疲劳性能等，成为海洋油气用铜合金的主流材料。

此外，在海洋石油工程中，有色金属阴极保护系统也常用于油气装备的腐蚀与防护，经济效益明显。常用的牺牲阳极体系包括镁基牺牲阳极、锌基牺牲阳极和铝基牺牲阳极。