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1、海洋石油装备材料的应用现状及发展建议O引言21世纪是海洋的世纪，海洋在国家经济发展及维护国家主权的地位更加突出。21世纪以来，世界新增油气储量和产量已主要来自于海洋。预计到2015年末，海洋油气产量占全球总产量的比例将分别达到39%和34%。我国海洋油气资源储量巨大，而海上石油资源探明程度约为12.3%（世界平均约为73.0%）,天然气资源探明程度约为10.9%（世界平均约为60.5%）,探明率远低于世界平均水平，因此我国海洋油气资源勘探开采潜力巨大。海洋环境条件恶劣，没有高性能材料作为保障，海洋油气开发将受到很大制约。近年来，我国海洋石油装备材料虽已取得长足进步，但与国际先进水平和我国发展需
2、求相比，仍然存在诸多差距和不足。首先，对于海洋石油装备关键及核心材料，我国尚不能完全自给。例如海洋自升式平台用大厚度（厚度超过15Onlm）齿条钢，低温环境用高强度F级平台钢，水下井口和采油树用超级双相不锈钢、铁锲基合金、锲基合金等，在性能稳定性及批量供货能力等方面还与国外存在差距。其次，我国海洋石油装备材料应用研究基础薄弱，无法对材料的合理选用提供技术支持。主要体现在：1）材料基础数据匮乏，如缺乏相关的材料标准体系；2）材料服役条件（环境和载荷）研究不足，如材料在海洋环境下的腐蚀数据掌握还不全面，限制了国产材料在设计中的选用。再次，装备上下游企业沟通及合作不通畅，造成装备领域与材料制造环节的
3、脱节，导致材料单位无法根据装备需求研究开发新产品，装备企业舍近求远采购国外高价材料，而对国内已开发的成熟材料不闻不问。鉴于以上原因，导致我国海洋石油装备材料的研发及应用无法满足工程需求，已成为制约海洋石油装备发展的主要瓶颈。因此,发展高性能海洋石油装备材料对于海洋油气资源的高效开发利用有着重要的战略意义。中国应力腐蚀试验技术领航者西安力创Http:/慢应变速率拉伸应力腐蚀试验机 铝合金海水应力腐蚀试验机 高灌总反应力腐使试就机 表面飞赛应力JS强试舱机 可控湍流应力腐蚀试靛机, 029-84981777 84870083E-mail: letry电化学工作站-腐蚀与防护机理研究 腐蚀监测工程-
4、腐胸除预警与评估电风房计惶监测仪/大气Jita喊舞仪/涂层IR蚀监测仪/ 到RMdJR愉乩潸仪/阴极保护数果采麓器/电化学工作站联康电慎：027 67M99013971066778 p.汉K4M仪股份有幅公中 httHwwwotest 武汉樽普防工程我黑公RJ httpswww.corrp.coAPlSPeC2H、APlSPeC2W、APlSPec2Y以及ASTMA514/A517等标准。目前，平台用钢的最高强度级别达到690MPa,最低冲击试验温度为一60。C（F级）。为保证钢材性能，对这类钢的内在质量要求较高，既要求钢中含有较低的有害元素和气体、夹杂物数量，又要求钢材具有良好的表面质量。2
5、）井架与底座用钢井架及底座是钻机的重要组成部分。井架及底座最早采用A3或16Mn工、槽、角钢，致使井架及底座比较笨重。目前井架及底座用钢主要选用低合金高强度钢。这类钢在GB1591-1988标准中称为低合金结构钢，在1994年标准（GBI5911994）中改称为低合金高强度结构钢。现行的GB/T1591标准中包括了Q345、Q390、Q420、Q460、Q500、Q550、Q620和Q690等八个强度级别。钢材可以热轧、控轧、正火、正火轧制或正火加回火、热机械轧制（TMCP）或热机械轧制加回火状态交货。通过添加Mn、Si、V、Nb和Ti等合金元素，低合金高强度结构钢在提高强度的同时，保证了良好
6、的塑性和韧性，以及较好的可焊性和冷加工性能。另外，YB/T4274中的SM490YB、SM490B、SM400B等热轧H型钢也被用于制作钻机井架及底座。随着超深水钻井的开发，井架及底座用钢向高强轻量化发展，Q420、Q460等高级别钢种将大量使用。高强度钢种的使用，可大幅度减轻结构自重，明显提高井架及底座的承载能力。3）管线钢管线钢主要采用APlSPEC5L、IS03183标准，对于海底管道用管线钢同时也执行DNVOS-FlOl标准。由于早期油气管道管径小、压力低以及冶金技术的限制，直至20世纪40年代末管道用钢一直采用C、Mn、Si型的普通碳素钢，典型化学成分为：0.l%0.25%C,0.4
7、0%0.7%Mn,0.l%0.5%Si,以及S、P和其他残存元素。随着管道工程对钢管要求的提高，管线钢开始采用低合金高强度钢。与普通碳素钢一样，普通低合金高强度钢主要在热轧或正火状态使用。随着管道输送压力和钢管管径的增加，19671970年期间API5LX和5LS增加了X56、X60和X65钢级，从此管线钢进入了微合金化和控轧生产阶段。管线钢成为了国内外微合金化技术应用的典型代表。目前，管线钢的最高强度级别为X120。冶金技术、TMCP技术以及超快冷技术的进步，使现代管线钢具备了优异的综合力学性能，见表1,X90、XlOO及X120高钢级管线钢均具有优异的强韧性匹配，其中X120管线钢屈服强度
8、超过840MPa,30。C冲击功大于250J。管线钢生产几乎应用了冶金领域近20多年来的主要新工艺、新技术和新设备，TMCP工艺生产的管线钢及钢管在海洋石油装备中的应用也越来越广泛。表1典型高强度管线钢管的力学性能6r4执检值70比CVM“金功内Q厂19.66437SI0.9224329-IOMOflF16.3(M7J50.8826309-IOMO19.66907420.912A310-IOX1008B型17.g681nO.S722267-IOX100WSC16.08280.9520g-30i19.17J7HOO0.92IlXO3019.00350.9031IIB30KIA16.0M3m0,7
9、314.)2SO-JO目前，国外海底管道中应用的最高级别管线钢为X70,钢管壁厚最大为41.Onrnu我国海底管道建设中普遍应用的是X65管线钢，钢管最大壁厚为31.8mmo2012年完工的南海一荔湾输气管道工程项目代表了国内海底管道建设的最高水平，开创了我国150OnlnI作业水深的管道工程记录。为适应海底管道的安装要求和服役环境，与陆地管线钢相比，海底管线钢的合金设计更为严格，其特点为：（1）低的碳含量；（2）低的碳当量；（3）低的S、P含量。另外，海底管线钢在性能和其他方面的主要特征还包括：（1）高的形变强化指数和均匀伸长率；（2）低的屈强比；（3）优良的纵向拉伸性能；（4）低的铸坯中心
10、偏析，良好的厚度方向的均匀性，低的断口分离和层状撕裂的几率；（5）严格的尺寸偏差和精度控制；（6）良好的焊接性。管线钢除主要用于陆地和海底油气输送管道外，也是当前隔水管的主流材质，主要采用X65-X80钢级，其特点是刚性好，抗海流、海浪等外载能力强。隔水管主管性能要求主要参考APlSPec5L管线管规范、DNV-OS-FIOi海底管线系统、DNV-0S-F201动态立管、APISpecl6F海洋钻井隔水管设备规范、APIRP16Q海洋钻井隔水管系统设计、选择、操作和维护的推荐做法、ISOI3628-7/APIRP17G石油和天然气工业水下才有系统的设计与操作第7部分完井修井隔水管系统等标准。为
11、了抵御超深水域恶劣的环境载荷,隔水管通常采用具有较高疲劳特性的钢，现行一般选用X80钢级直健埋弧焊管，并且正在向更高强度级别的XlOo和X120钢级发展。根据API5L和DNV-OS-FlOl,深海钻井隔水管的主要材料API5LX80钢管需满足以下性能指标：最小屈服强度555MPa；最大屈服强度705MPa;最小抗拉强度625MPa；最大抗拉强度825MPa;屈强比最大值0.93；延伸率最小值21%；0下CToD最小值0.20mmo钢悬链线立管(SCR)具有结构简单，造价低，适用水深较大等优点，广泛应用于深水和超深水的海洋油气开发中。与钻井隔水管相同，SCR也主要采用APl管线钢，包括X52、
12、X60、X65以及X70等级别，主要采用无缝管和直缝埋弧焊管。2.L2机械制造用钢1)调质钢在海洋石油钻采装备中众多零部件均采用了调质钢。例如：在海洋钻机中，天车轴、井架轴、绞车轴、变速箱轴、水龙头中心管、顶驱螺栓等用40CrNiMoA,泥浆泵液缸用30CrNi2MoVA,井架滑轮轴、顶驱悬挂套用45CrNiMOVA,转盘转动销用42CrMC)A等均属于调质钢。国内钻机用钢最初主要仿制前苏联材料，在此基础上经过多年发展,目前已形成相对完整的国产钻机用钢体系。我国新研制的海洋钻机也基本采用了国内牌号。而深水油气钻采用防喷器、井口头、采油树和阀门等装备，因其结构及控制系统复杂，生产技术难度很大，其
13、生产技术被美国少数几家公司垄断。因此，这些产品主要执行美国材料标准，常用的调质钢牌号包括AISI4130、AISI4140、AISI4330、AISI4340、AISI8630AlSIF22(UNSK21590)或AISIF22V(UNSK31835)等。水下钻采装备用典型调质钢的主要化学成分见表2o表2水下钻采装备用典型调质钢的化学成分(wt%)CSNiCrWiCeTlCaV4130O.2S-O.13o.4o-o.eo0.15-0.150.80-1.100I5-O.2S一一4140OA0.430.7S-l.0.15-0.3S0.80-1.10015-0.25一一一一4M00.JS-0.45o
14、.-o.so0.IS-0.35I6S-2.OO0.70-0.90020-0.30一一一一KOOO.2S-O.330.70-0.900.15-0.35O.4O-O.7O0.4-0.6015-0.25一m0.05s0.X0.M)0.502.00-2.5007-1.13一m0.11-0.ISo.x1*o.eo0.IO0.252.00-2,SO090-1.100.070.0)0除上述锻钢件外，铸钢如ZG35CrMoA、ZG230-450、ZG40CrNiMoA、ZG27CrNi2MoA等也常通过调质处理，以保证材料具有良好的力学性能。ZG35CrMoA主要用作绞车轮毂、顶驱支座、底座滑轮等；ZG230
15、一450主要用作绞车轴承座;ZGMCrNiMoA主要用作泥浆泵十字头;ZG27CrNi2MoA主要用于顶驱的上盖、壳体等。2)低碳马氏体钢低碳合金钢经淬火+低温回火获得强韧性好的低碳马氏体，其代替中碳合金调质钢，可提高零件的承载能力，减轻产品自重。典型案例为20世纪60年代宝鸡石油机械厂与大冶钢厂和西安交通大学合作,研发了20SiMn2MoVA代替35CrMO制造吊环、吊卡，大幅度降低了产品自重，显著提高了零件寿命7。当时，国产旧吊环、吊卡根据苏联图纸要求，采用35钢正火或35CrMO钢调质制造，材料强度水平很低，致使吊环、吊卡极为笨重，钻井工人劳动强度很大。宝鸡石油机械厂采用20SiMn2M
16、oVA钢生产吊环和吊卡，吊环自重仅为苏联产品的二分之一到三分之一，而且比美国吊环也轻得多，其疲劳寿命是美国BJ公司同类产品的L5倍。吊卡的自重也只有仿苏产品的二分之一。新型吊环、吊卡与老式吊环、吊卡的外形尺寸对比如图3所示。宝鸡石油机械厂用20SiMn2MoVA（淬火低温回火）代替PCrNi3Mo（淬火中温回火），使射孔器的寿命成倍提高，并且节约材料费30%。吊环对比（下为新型吊环）伽）吊卡对比（左为新型吊卡）图3吊环、吊卡对比3）渗碳钢和氮化钢不少机械零件要求表面有高的疲劳强度和耐磨性，这就需要进行表面化学热处理。渗碳钢和氮化钢是为适用于渗碳热处理和氮化热处理的需要而发展起来的钢种。渗碳、渗
17、氮、碳氮共渗可提高硬度、耐磨性及疲劳强度，渗硼、渗辂可提高耐磨和耐腐蚀性。在海洋石油钻采装备零件中最常用的是渗碳、渗氮和碳氮共渗。海洋石油钻采装备零件涉及的渗碳钢包括顶驱齿轮和齿轮轴用20Cr2Ni4E,传动装置齿轮用20CrMnTi钢、泥浆泵阀体和阀座用20CrMnMO钢等；典型的氮化钢包括变速箱锥齿轮用42CrMOA、转盘轴用40CrNiMOA、变速箱齿轮用35CrMOA等；碳氮共渗钢包括顶驱牙板、滚轮用20CrMnTi,防喷器卡瓦用20CrMnTi等。2.2低温用钢通常将各种液化石油气、液氨、液氧、液氮等生产、储存容器和低温环境服役的输送管道及管件，称为低温容器，制造低温容器所用的钢以及
18、在低温环境服役的其他装备用钢统称为低温钢。目前，国内外对低温用钢的温度界限还没有一个统一的规定。根据GB150固定式压力容器，我国低温压力容器定义为一20。C以下温度服役的容器。目前，低温钢大致可分为四类:低碳铝镇静钢、低温高强度钢、锲系低温钢和奥氏体不锈钢，常用低温钢的类型和使用温度范围见表3o海洋石油装备中主要的低温钢有低碳铝镇静钢、低温高强度钢和镁系低温钢，主要应用于海底低温环境、极地或冬季严寒海域、LNG船储罐系统等。在水深超过100Om的海底,温度常年维持在0附近，要求装备材料须具有良好的低温韧性。另外，在北极和冬季寒冷海区服役温度极低，尤其是北极海区最冷月平均气温达到一4（TC,此
19、环境下使用的平台构件、管系、阀门等装备需采用E级（满足一40。C冲击要求）甚至是F级别（满足一60。C冲击要求）的钢材。LNG（液化天然气）液化温度低达一163左右，LNG船储罐材料一般采用9%Ni钢。9%Ni钢低温下具有良好的强韧性，且合金含量少、价格便宜，已逐步取代Ni-Cr不锈钢，成为一196。C级低温设备和容器的最重要的结构材料,广泛用于LNG储罐。表3常见低温钢的类型和使用温度范围低温钢种类温度使用范围/七16M11I)K-4015MnNiDRN-4515MnNiNbDR-50OQMnNiDRN-702.5%NiN-703.5%NiN-15%NiN-1209%NiN-1961）低碳铝
20、镇静钢这类钢是以碳一镒为主要元素的低温钢。为提高低温韧性，通过降低钢中的碳含量，提高Mn/C比，降低P、S等有害元素，加入适量铝以固定钢中的氮，细化晶粒，提高钢的低温韧性，改善时效性能。美国的ASTMA202、日本的SLAA235也属于此类钢。2）低温高强度钢这类钢以碳一镒为基，加入少量的锲格提高钢的低温韧性，加入少量铝、铝提高钢的强度，尽量减少钢中的碳含量，以提高钢的韧性，改善焊接性能，通过调质处理获得良好的综合性能。它不但具有高强度，而且具有较好的低温韧性，因此它是一种强韧性兼备的材料，广泛用于制造具有较大压力的低温压力容器。我国在19851990年研制的DG50（0.09%0.15%C3
21、.00%-l.4%Mn、0.60%Ni、W0.30%Cr.0.30%Mo.0.06%V,s490MPa.Ob：610755MPa,-46时CVN247J)、日本的N-TUF50和RIVERACE60L属此类钢。3)镖系低温钢这类钢是以镁为主要合金元素的低温用钢。1932年，美国发明了可在一46C低温下使用的2.5%Ni钢，随后相继开发了3.5%Ni.5%Ni.9%Ni等锲系低温钢。根据不同的使用温度确定了不同的锲含量，形成了2.5%Ni、3.5%Ni、5%Ni、量Ni等镶系低温钢。随着钢中锲含量的增加，钢的低温韧性提高，韧脆转变温度降低，它主要用于制造一40。C-196。C下使用的低温设备。镁
22、系低温钢的化学成分和主要力学性能要求见表4、5o表4镁系低温钢的化学成分要求(wt%)59C.MnSPNi*Al2.SM0.170.15-0.30.70.0250.02S2.1-2.S3.5幅0.170.15-0.30.70.0250.0253.25-3.750.130.2-0.JS0.3*0.60.0250.02$4.7S-S.2Sd2(L20.(C*0.12C0.130.IS-0.I0,90.0250,023S.5-9.S表5镁系低温钢的力学性能要求钢号OjMPabMPa%夏比冲击试验试验温度/T冲击功/J2.5Ni255450585N23-70N273.5Ni255450585才23-1
23、01275NiN450655-795N20-170279Ni515690825N20-196N27表6海洋石油装备典型不锈钢的典型牌号及化学成分不MASni9化学成分（分at）/%C*P.MiQCa、4|用0.0B1.001.000.(M0.0)0.60IL5-I3.5马氏体4100.IS1.001.(100.(M0.030.60II.5-I3.S0.050.60.S-I.00.0250.0253.5-4.5II.5-143*L70.(MLOO2.(100.0450.03S-IlIS-20曼氏体3161.0.03.n2.000.(M50.03IO-1416-IS2-322050051.002W
24、0.03).024.5-653TS0.14-0.2双唱2W70.05OK1.20.0350.0224-263-50.50.24-0.32*xw0071.00I(N)O4*S5KNI(Ma:IK50mMicm06QBOCd3MKim.4IOSM54105XAQIJXAOI5I4w)OBMDMlOlOI2CH310I3MI(XN).410MMIOXI2Cd3XI2QBI.400612X13ObCrWNiiOOcrI85S12M02i14U23I6LMol7-l2-21.44011113S22QS)0223S322O5,N5A2205AOS2wnO222SS32WtUONiMoS.7U.42507X
25、25-7-41.44100SQI7OQl73SI74(M)tSI10XSXS4(“4MCu4M6M)M6-41.4M2化21E11Q11Z,AIOCfl7Ni7AISI77Wf*1791X7MI77X7Ktl7-7.1.45MOnlnf7io4）沉淀硬化型不锈钢是在18-8型奥氏体不锈钢基础上降低了镁的含量，并加入适量ALCu.Mo、P元素，以便在热处理过程中析出金属间化合物，实现沉淀硬化。这类钢的基体为奥氏体或马氏体组织，可区分为马氏体、半奥氏体和奥氏体沉淀硬化不锈钢3种主要类型。在沉淀硬化不锈钢中，主要沉淀硬化相包括富铜相一相，具有CSCI结构的NiAl金属间化合物、M23C6、X相、La
26、VeS相、Y等，时效相的类型与存在与否和合金成分、热处理条件等相关。此类钢具有高强度、足够的韧性和适宜的耐蚀性，主要用作高强度、高硬度而又耐腐蚀的零件。海洋石油装备常用的沉淀硬化型不锈钢是174PH,具有高的强度、硬度和耐腐蚀性能。经固溶和时效后屈服强度大于724MPa,能满足APl规范一60。C低温冲击要求，耐蚀性能达到304不锈钢的水平。在海洋石油装备中，马氏体不锈钢和双相不锈钢可用于水下井口、采油树、阀门等与井下高腐蚀性流体接触的承压件；奥氏体不锈钢和双相不锈钢可用于运送含一定腐蚀介质的管线和泵阀等；沉淀硬化不锈钢一般用于制造耐腐蚀性要求高，同时又要求高强度的零部件，如水下采油树阀杆、间
27、隔套、圆柱销等。具体不锈钢的选材需根据井下流体H2S/C02分压和CI一含量确定。2.4银基和铁镁基耐蚀合金纯锲除具有良好的强度、塑韧性外，在卤族元素及其氢化物活泼气体、不含氧和氧化剂的还原性酸性介质中还具有良好的耐蚀性，因此纯镶作为耐蚀金属材料得以应用。由于提高耐蚀性的Cr、Mo.W.Cu.Si等元素在镇中的溶解度远大于在铁中的溶解度，因此可通过合金化，发展了一系列上述元素含量较高的锲基和铁镁基耐蚀合金。铁锲基合金含镶30%50%且锲与铁总量不小于60%,锲基合金含锲量不小于50%。耐蚀合金根据强化特征，可分为固溶强化型合金和时效硬化型合金;根据成型方式，可分为变形耐蚀合金和铸造耐蚀合金。锲
28、基耐蚀合金按不同的合金体系，可分为NiCu、NiCr-FeNiMo、NiCrMo、NiCrMoW、NiCrMoCU等类型；铁镶基耐蚀合金可分为NiFeCr、Ni-Fe-Cr-Mo、Ni-Fe-Cr-Mo-Cu等类型。国外耐蚀合金的主要产品有MoneI（蒙乃尔）合金、InCOnel合金、InColoy合金、HaStelIOy（哈氏）合金等。MOneI合金是Ni-Cu合金，为Ni、CU以任意比例混合形成的固溶体。InConeI合金为含铁量较低的Ni-Cr系镶基合金；而Incoloy合金为含铁量较高的NiFe-Cr系铁镶基合金。HaStelIOy合金是以Cr、MO为主要合金元素的超低碳Ni-Cr-M
29、o系合金，包括A、B、C、D、F、G、N、W、X等系列。海洋石油装备使用的几种典型银基和铁锲基合金牌号、化学成分和应用举例见表8,不同国家耐蚀合金牌号对照见表9。在海洋石油装备材料中，当不锈钢材料的耐腐蚀性能无法满足工况要求时，则需选用具备更高耐蚀性能的铁锲基合金和/或锲基合金。一般情况下，镶基和铁锲基合金用于制造符合APIAPec6A与17D规范的HH级井口装置和采油树零部件。材料牌号的具体选用与腐蚀介质的温度、介质中H2S和C02分压、PH值、氯化物浓度以及硫元素是否存在等有关，按照NACEMRO175选材有三种途径，分别为：标准推荐表选择、实验室评价和现场实际经验。2.5有色金属材料在海
30、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、俄罗斯和中国等先后开发出了约50种海洋工程用钛合金，表10列出了常用海洋工程装备用钛合金的牌号及相应的性能。表8几种典型耐蚀合金的牌号及化学成分AM化学Je分，%M三MCCr*WCvAl1KbSiMnF50290Q32621W32341
31、.0-1.41.02.000.02.O0015*aVAWV9250QS19.023.SM.0452.53.51.53.0.0.20.61.20.30.03.o.*及灌体TO0.0319.S23.5MO46.02.S3.51.92.40.10.51.92.40.500.51.000.0322625W0.1020.023.08.010.00.40WOw3.154.IS1.00.50.50.0150.0155.02i*WK9lYdVCJLSflOOOlS21.0D.5余6.0ro151.SG0.505.0Lool.0.040.031S.021.0Mtl三VIllOa17.021.0S0.0S5.02
32、.83.30.2OX0.6SIIS4.755.S0ASWRtt*HH及超冷ns00)l,022.SS5.099.07.09.S0.351.01.72.75I什0.20.3S0.0150.01*aMVM.27M2.33.150.3IalU2S1.4563HoIS2VSIQH142MK25(lnri4tn825)MiCrlIMH2.485、A16$-Fe-Cr-UM7S25Im)ObW36NO605(Inrnari625)、心22MNb24856MA2ICr-MO-Z1IM(UNOMXH(IjlE；-3)Nm4rv4O23h2.4l9(4UIM41169Imxmrl7IKNi(IrI9、324A6MlarMrf7IS钛及其合金是升级海洋资源开发装备，提升海洋资料开发能力的理想结构
