• 一文看懂海洋工程用超級不銹鋼和耐蝕合金

    2019-07-05 12:29:44 changyuan

    與陸地油氣開采相比,海洋環境洋流劇烈、海溫和壓力隨深度變化大、海底巖層結構與陸地井迥異。海洋油氣中 H 2 S、CO 2 和 Cl - 等的含量普遍較高,海底微生物種類復雜,化學腐蝕和微生物腐蝕能力都很強。因此,海洋油氣開采平臺用特殊鋼材料如不銹鋼、耐蝕合金等普遍要求高耐蝕、高強高韌和高耐磨等性能特點。國外先進的海洋油氣資源鉆采、加工、輸運等環節均應用了大量的超級不銹鋼和耐蝕合金材料。


    所謂的“超級”不銹鋼材料,與傳統不銹鋼材料相比,一般是指高 Ni/Cr/Mo、高純凈度、采用 N 金化或變形工藝強韌化的一類高性能不銹鋼材料,如超級奧氏體、超級鐵素體、超級雙相不銹鋼以及鎳基或鐵鎳基耐蝕合金等。


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    一、國外用材情況

     

    1、材料分類及主要性能

     

    與海洋平臺用微合金化結構鋼材料不同,海洋平臺用特殊鋼材料普遍都是高合金體系的 Ni-Cr 或 Cr-Ni-Mo 基不銹鋼、超級不銹鋼或耐蝕合金材料,一般都具有高點蝕當量、高純凈度以及N 合金化等特點。使用這些高合金材料制備的海洋平臺典型件如儲運、工藝管道、脫鹽、換熱器、油井管、鉆探和樁腿等,為滿足其特殊的服役工況條件,普遍具備高強度、高耐蝕性或兼而有之。通常而言,耐蝕性和強度是海洋平臺用特殊鋼材料的兩個關鍵性能指標。目前國外海洋平臺用先進特殊鋼鋼種主要包括超級奧氏體不銹鋼、超級鐵素體不銹鋼、高強度奧氏體無磁不銹鋼、鎳基和鐵鎳基耐蝕合金等,這幾類特殊鋼材料因其合金成分體系設計不同而性能各有所長。


    (1) 高 Mo 含 量 的 Cr-Ni-Mo 超級奧氏體不銹鋼。對于超級奧氏體不銹鋼而言,普遍具有較高的 Cr、Ni 含量、 一 定 的 Mo 含 量(6% ~ 7%),具有在較高溫度優異的耐局部腐蝕和均勻腐蝕的能力,其點蝕當量 PREN 值(Cr+3.3Mo+16N)一般都達到30以上,部分材料甚至高達 50 以上,這確保了此類材料優異的耐蝕性能;同時合理的N 合金化使其兼具了較高的強度和塑韌性。


    (2)鎳基或鐵鎳基耐蝕合金。對于鎳基或鐵鎳基耐蝕合金來說,其 Cr、Ni、Mo 合金含量更高,在熱帶水域和離子介質復雜的條件下比超級奧氏體不銹鋼具有更為突出的耐局部腐蝕、應力腐蝕性能??蓮V泛應用于油氣媒介、油水分離或其他更為苛刻的化工工藝管道、泵閥和離心機等工礦條件。


    (3)高氮奧氏體不銹鋼。極高的N 合金含量大幅度提升了材料的強度指標,使其具有室高溫條件下顯著優異的強度性能,由于采用了 Mn-N 代 Ni 成為奧氏體穩定元素,使其在性能優異的同時具有較低的生產成本。由于近年來其合金體系的不斷優化,以及一定的 Mo元素加入,使其也具備了優良的耐局部腐蝕性,Cr 含量的不斷提升以及 C 元素的進一步降低,改善了材料的耐晶間腐蝕性能。


    2、應用領域

     

    高性能的海洋平臺用特殊鋼材料在國外早已商業化生產多年,典型的生產廠商包括瑞典山特維克(Sandvik)、德國蒂森克虜伯(ThyssenKrupp)、芬蘭奧托昆普(Outokumpu)、日本冶金(Yakin)、美國阿里根尼(ATIAllegheny)、美國特種金屬(SMC)、奧地利伯樂(Bohler)、美國卡朋特(Carpenter)等,其中代表性的海洋油氣資源開發工程用高性能Cr-Ni-Mo-N 體系超級奧氏體不銹鋼和耐蝕合金材料有:

     

    (1) 含 N 的 Mo 合金化高性能超級奧氏體不銹鋼:


    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 的高強無磁奧氏體不銹鋼:


    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) 耐蝕性能優異的 Ni-Cr-Mo 耐蝕 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。


    上述高性能奧氏體和超級奧氏體不銹鋼及耐蝕合金產品已在海洋平臺上方、水下輸送管道及泵閥、井下鉆探三大類應用領域獲得廣泛應用。目前已在諸如北海油田、波斯灣油田、墨西哥灣油田等數百個海洋油田的平臺建設中的大量使用,具體應用領域如下:


    (1) 海洋平臺上方

     

    海水管道:254SMO、Incoloy825;凸 輪 裝 置:254SMO、654SMO、AL-6XN;板式換熱器:654SMO、AL-6XN、NAS354N、Nicrofer3127hMo、Carpenter20Cb-3;海水脫鹽系統:254SMO、Nicrofer3127hMo、Nicrofer33;殼體:654SMO、AL-6XN;管式換熱器:654SMO、AL-6XN、NAS354N、Nicrofer3127hMo、Carpenter20Cb-3;離心分離機:654SMO、AL-6XN;重力分離機:904L、AL-6XN。


    (2) 水下輸送管道及泵閥

     

    油氣輸送復合管道、閥門總成和管線懸掛器、跳線和跨接線、纜帶浮力組件、提升管和流動管:Inconel-625、254SMO、AL-6XN、Sanicro28、Incoloy825;歧 管:254SMO、AL-6XN、NAS800HT。


    (3) 井下鉆探

     

    MWD無磁腔室、無磁鉆鋌、穩定器、旋轉導向鉆探單元:P550、15-15HS、Datalloy-2、Inconel-718。


    (4) 其他單元:


    平臺支撐結構件:NAS254N、AL-6XN;防火防爆墻:316L、P530;墻壁包裹層:316L、P530;電纜盤:316L、P530;樓梯、通道和電梯:316L、P530;天然氣系統:316L、P530。


    二、國內海洋工程用材發展現狀

     

    1、生產和應用現狀

     

    據中海油海洋油氣項目采購部門的內部資料顯示,由于我國海工用特殊鋼材料生產起步較晚、研制生產停滯不前,導致海工用特殊鋼及關鍵裝備絕大部分依賴進口,均直接從 Bohler、Alfa-Laval、Butting、Cameron、IntecSEA、CladTek、Flowserve、Goulds、Heatric 等國外廠商采購。據中海油開發工程設計公司的統計數據顯示:目前海洋平臺工藝設備中進口份額約占總造價的3% ~ 5%;工藝管道和儲運管道約占總造價的 15% ~ 30%;因此單一平臺項目中進口份額目前要占到平臺總造價的 30% ~ 40%。由于進口高性能特殊鋼關鍵部件而產生的費用可高達 4 億美元,約合人民幣 28 億元。


     2、國內本領域新材料產業發展問題

     

    我國目前海工用特殊鋼領域工業化生產及下游平臺用海工裝備部件的制造均已有一定程度的開展。部分典型部件如鉆具、管道、換熱器、泵閥等已在陸海油氣田以及石化工業中得到初步應用。但就材料制備、裝備制造等領域的具體工藝現狀來說,國內相關行業、企業、應用等均存在較為典型的問題如發展模式問題、缺乏必要的、系列的材料品質標準和生產工藝規范、行業標準等、科研部門產學研嚴重脫節、生產廠家技術工藝問題。


    3、本領域新材料研發方向及發展模式:


    高強度無磁不銹鋼、超級奧氏體不銹鋼和耐蝕合金是未來我國海工用特鋼國產化需重點攻關的三大類鋼種,應用覆蓋海洋油氣的鉆采儲輸等環節。在目前研制和生產現狀的基礎上,各鋼種均具有自身獨特的發展趨勢:


    (1)高強度無磁不銹鋼的發展趨勢是高強度、高耐蝕、無磁性和低成本。通過足夠的 N 含量確保以上性能指標。國內目前已有部分企業生產此類產品,但其合金體系設計落后,強度、晶間腐蝕性能、熱變形加工工藝與國外相比差距很大。如何提高該類產品性能、優化合金體系是此類材料的研發重點。


    (2)超級奧氏體不銹鋼的發展趨勢是高強度和高耐蝕性,通過高 Cr、Ni、Mo 含量確保足夠的耐蝕性能,通過適量的N含量確保兼具優異的力學性能,通過合理的熱變形工藝確保無開裂、高成材率。合金體系的創新和理論設計是此類材料的研發重點。


    (3)耐蝕合金的發展趨勢是極高的耐蝕性和良好的加工工藝性能,通過極高的 Cr、Ni、Mo 含量保證優異的耐局部和全面腐蝕性能,重點解決管材、板材的冶煉、熱擠壓、熱軋等制備技術,解決此類材料從無到有、有價無貨的問題。

     

    我國海洋工程用特殊鋼產業發展的模式也應當逐步走上良性軌道。海洋油氣平臺項目應當積極大膽地提出對主要關鍵部件最新、最前沿的需求、性能指標,通過設計部門和材料研發單位的通力配合,逐步實現材料和裝備國產化、規?;凸こ袒?,使我國海工用特殊鋼走上良性發展的模式。國家層面也應由項目、企業和科研院所牽頭,出臺相應的行業和材料標準,使海洋平臺用先進特殊鋼材料的產學研各個環節更加規范化和法制化。

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