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一文看懂海洋工程用超级不锈钢和耐蚀合金

2019-07-05 12:29:44 changyuan 130

与陆地油气开采相比,海洋环境洋流剧烈、海温和压力随深度变化大、海底岩层结构与陆地井迥异。海洋油气中 H 2 S、CO 2 和 Cl - 等的含量普遍较高,海底微生物种类复杂,化学腐蚀和微生物腐蚀能力都很强。因此,海洋油气开采平台用特殊钢材料如不锈钢、耐蚀合金等普遍要求高耐蚀、高强高韧和高耐磨等性能特点。国外先进的海洋油气资源钻采、加工、输运等环节均应用了大量的超级不锈钢和耐蚀合金材料。


所谓的“超级”不锈钢材料,与传统不锈钢材料相比,一般是指高 Ni/Cr/Mo、高纯净度、采用 N 金化或变形工艺强韧化的一类高性能不锈钢材料,如超级奥氏体、超级铁素体、超级双相不锈钢以及镍基或铁镍基耐蚀合金等。


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一、国外用材情况

 

1、材料分类及主要性能

 

与海洋平台用微合金化结构钢材料不同,海洋平台用特殊钢材料普遍都是高合金体系的 Ni-Cr 或 Cr-Ni-Mo 基不锈钢、超级不锈钢或耐蚀合金材料,一般都具有高点蚀当量、高纯净度以及N 合金化等特点。使用这些高合金材料制备的海洋平台典型件如储运、工艺管道、脱盐、换热器、油井管、钻探和桩腿等,为满足其特殊的服役工况条件,普遍具备高强度、高耐蚀性或兼而有之。通常而言,耐蚀性和强度是海洋平台用特殊钢材料的两个关键性能指标。目前国外海洋平台用先进特殊钢钢种主要包括超级奥氏体不锈钢、超级铁素体不锈钢、高强度奥氏体无磁不锈钢、镍基和铁镍基耐蚀合金等,这几类特殊钢材料因其合金成分体系设计不同而性能各有所长。


(1) 高 Mo 含 量 的 Cr-Ni-Mo 超级奥氏体不锈钢。对于超级奥氏体不锈钢而言,普遍具有较高的 Cr、Ni 含量、 一 定 的 Mo 含 量(6% ~ 7%),具有在较高温度优异的耐局部腐蚀和均匀腐蚀的能力,其点蚀当量 PREN 值(Cr+3。3Mo+16N)一般都达到30以上,部分材料甚至高达 50 以上,这确保了此类材料优异的耐蚀性能;同时合理的N 合金化使其兼具了较高的强度和塑韧性。


(2)镍基或铁镍基耐蚀合金。对于镍基或铁镍基耐蚀合金来说,其 Cr、Ni、Mo 合金含量更高,在热带水域和离子介质复杂的条件下比超级奥氏体不锈钢具有更为突出的耐局部腐蚀、应力腐蚀性能。可广泛应用于油气媒介、油水分离或其他更为苛刻的化工工艺管道、泵阀和离心机等工矿条件。


(3)高氮奥氏体不锈钢。极高的N 合金含量大幅度提升了材料的强度指标,使其具有室高温条件下显著优异的强度性能,由于采用了 Mn-N 代 Ni 成为奥氏体稳定元素,使其在性能优异的同时具有较低的生产成本。由于近年来其合金体系的不断优化,以及一定的 Mo元素加入,使其也具备了优良的耐局部腐蚀性,Cr 含量的不断提升以及 C 元素的进一步降低,改善了材料的耐晶间腐蚀性能。


2、应用领域

 

高性能的海洋平台用特殊钢材料在国外早已商业化生产多年,典型的生产厂商包括瑞典山特维克(Sandvik)、德国蒂森克虏伯(ThyssenKrupp)、芬兰奥托昆普(Outokumpu)、日本冶金(Yakin)、美国阿里根尼(ATIAllegheny)、美国特种金属(SMC)、奥地利伯乐(Bohler)、美国卡朋特(Carpenter)等,其中代表性的海洋油气资源开发工程用高性能Cr-Ni-Mo-N 体系超级奥氏体不锈钢和耐蚀合金材料有:

 

(1) 含 N 的 Mo 合金化高性能超级奥氏体不锈钢:


254SMO(Cr20-Ni18-Mo6-Cu-N)、654SMO(Cr24-Ni22-Mo7-Mn3-Cu-N)、AL6XN(Cr20-Ni24-Mo6-N)、NAS254N (Cr23-Ni25-Mo5.5-N)、NAS354N(Cr23-Ni35-Mo7.5-N) 等。


(2) 以 Mn、N 代 Ni 的高强无磁奥氏体不锈钢:


P550(Cr20-Mn20-Mo-N)、P650(Cr19-Mn20-Mo2-Ni4-N)、Datalloy2(Cr15-Mn15-Ni2-Mo2-N)、15-15HS(Cr20-Mn18-Ni3-Mo-N) 等。


(3) 耐蚀性能优异的 Ni-Cr-Mo 耐蚀 合 金: Incoloy825(Cr20-Ni35-Mo3-Cu3-Nb)、Inconel625(Cr22-Ni58-Mo9-Nb3)、Sanicro28(Cr27-Ni31-Mo3-Cu)、Carpenter20Cb-3(Cr20-Ni35-Mo3-Cu3-Nb)、Nicrofer3127hMo(Cr27-Ni31-Mo7-Cu-N)、Nicrofer33(Cr33-Ni31-Mo-Cu-N) 等。


上述高性能奥氏体和超级奥氏体不锈钢及耐蚀合金产品已在海洋平台上方、水下输送管道及泵阀、井下钻探三大类应用领域获得广泛应用。目前已在诸如北海油田、波斯湾油田、墨西哥湾油田等数百个海洋油田的平台建设中的大量使用,具体应用领域如下:


(1) 海洋平台上方

 

海水管道:254SMO、Incoloy825;凸 轮 装 置:254SMO、654SMO、AL-6XN;板式换热器:654SMO、AL-6XN、NAS354N、Nicrofer3127hMo、Carpenter20Cb-3;海水脱盐系统:254SMO、Nicrofer3127hMo、Nicrofer33;壳体:654SMO、AL-6XN;管式换热器:654SMO、AL-6XN、NAS354N、Nicrofer3127hMo、Carpenter20Cb-3;离心分离机:654SMO、AL-6XN;重力分离机:904L、AL-6XN。


(2) 水下输送管道及泵阀

 

油气输送复合管道、阀门总成和管线悬挂器、跳线和跨接线、缆带浮力组件、提升管和流动管:Inconel-625、254SMO、AL-6XN、Sanicro28、Incoloy825;歧 管:254SMO、AL-6XN、NAS800HT。


(3) 井下钻探

 

MWD无磁腔室、无磁钻铤、稳定器、旋转导向钻探单元:P550、15-15HS、Datalloy-2、Inconel-718。


(4) 其他单元:


平台支撑结构件:NAS254N、AL-6XN;防火防爆墙:316L、P530;墙壁包裹层:316L、P530;电缆盘:316L、P530;楼梯、通道和电梯:316L、P530;天然气系统:316L、P530。


二、国内海洋工程用材发展现状

 

1、生产和应用现状

 

据中海油海洋油气项目采购部门的内部资料显示,由于我国海工用特殊钢材料生产起步较晚、研制生产停滞不前,导致海工用特殊钢及关键装备绝大部分依赖进口,均直接从 Bohler、Alfa-Laval、Butting、Cameron、IntecSEA、CladTek、Flowserve、Goulds、Heatric 等国外厂商采购。据中海油开发工程设计公司的统计数据显示:目前海洋平台工艺设备中进口份额约占总造价的3% ~ 5%;工艺管道和储运管道约占总造价的 15% ~ 30%;因此单一平台项目中进口份额目前要占到平台总造价的 30% ~ 40%。由于进口高性能特殊钢关键部件而产生的费用可高达 4 亿美元,约合人民币 28 亿元。


 2、国内本领域新材料产业发展问题

 

我国目前海工用特殊钢领域工业化生产及下游平台用海工装备部件的制造均已有一定程度的开展。部分典型部件如钻具、管道、换热器、泵阀等已在陆海油气田以及石化工业中得到初步应用。但就材料制备、装备制造等领域的具体工艺现状来说,国内相关行业、企业、应用等均存在较为典型的问题如发展模式问题、缺乏必要的、系列的材料品质标准和生产工艺规范、行业标准等、科研部门产学研严重脱节、生产厂家技术工艺问题。


3、本领域新材料研发方向及发展模式:


高强度无磁不锈钢、超级奥氏体不锈钢和耐蚀合金是未来我国海工用特钢国产化需重点攻关的三大类钢种,应用覆盖海洋油气的钻采储输等环节。在目前研制和生产现状的基础上,各钢种均具有自身独特的发展趋势:


(1)高强度无磁不锈钢的发展趋势是高强度、高耐蚀、无磁性和低成本。通过足够的 N 含量确保以上性能指标。国内目前已有部分企业生产此类产品,但其合金体系设计落后,强度、晶间腐蚀性能、热变形加工工艺与国外相比差距很大。如何提高该类产品性能、优化合金体系是此类材料的研发重点。


(2)超级奥氏体不锈钢的发展趋势是高强度和高耐蚀性,通过高 Cr、Ni、Mo 含量确保足够的耐蚀性能,通过适量的N含量确保兼具优异的力学性能,通过合理的热变形工艺确保无开裂、高成材率。合金体系的创新和理论设计是此类材料的研发重点。


(3)耐蚀合金的发展趋势是极高的耐蚀性和良好的加工工艺性能,通过极高的 Cr、Ni、Mo 含量保证优异的耐局部和全面腐蚀性能,重点解决管材、板材的冶炼、热挤压、热轧等制备技术,解决此类材料从无到有、有价无货的问题。

 

我国海洋工程用特殊钢产业发展的模式也应当逐步走上良性轨道。海洋油气平台项目应当积极大胆地提出对主要关键部件最新、最前沿的需求、性能指标,通过设计部门和材料研发单位的通力配合,逐步实现材料和装备国产化、规模化和工程化,使我国海工用特殊钢走上良性发展的模式。国家层面也应由项目、企业和科研院所牵头,出台相应的行业和材料标准,使海洋平台用先进特殊钢材料的产学研各个环节更加规范化和法制化。

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