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耐蝕鋼和耐蝕合金在油氣行業(yè)的應(yīng)用

2018-03-28 10:38:34 作者：本網(wǎng)發(fā)布來源：中國特鋼企業(yè)協(xié)會不銹鋼分會分享至：

　　盡管我們努力推廣可再生資源，但是，未來幾十年石油和天然氣仍將是能源的主力軍。由于傳統(tǒng)的可用資源大多已經(jīng)枯竭，不得不開發(fā)更難于開采油氣田，為了滿足油氣需求的快速增長，必須在現(xiàn)有的油氣田使用更先進(jìn)的收集方式。油氣易開采的時代已經(jīng)結(jié)束。

　　過去幾十年，海上石油開采平臺的油氣產(chǎn)量在總產(chǎn)量中所占的份額大幅增加，超深水開采的快速發(fā)展有望在今后保持增長勢頭。油氣開采的難度不斷加大，因為工作環(huán)境日趨苛刻，例如，溫度、壓力更高，高CO2的酸性環(huán)境（硫化氫含量高）。在這些苛刻條件下，為了保證油氣的正常生產(chǎn)，更重要的是安全生產(chǎn)，必須要有先進(jìn)的技術(shù)、良好的設(shè)備和高性能材料。

　　這正是耐蝕合金的用武之地，因為它們更能滿足越來越嚴(yán)格的開采和生產(chǎn)要求。因此，油氣上游產(chǎn)業(yè)對合金鋼、不銹鋼和鎳合金的需求大幅增長，而且這一趨勢還將繼續(xù)下去。用于油氣行業(yè)的耐蝕合金的種類及選擇最具代表性的耐蝕合金是不銹鋼和鎳合金。除典型的耐蝕合金外，特殊合金鋼在油氣行業(yè)的使用也很廣泛。合金鋼和不銹鋼占總用量的95%，鎳合金雖然只占5%，但卻占總價值的25%。耐蝕合金的需求和選擇取決于生產(chǎn)/儲存環(huán)境（按重要性分類）：

　　1、腐蝕性（硫化氫、二氧化碳、氯化物）

　　2、溫度

　　3、壓力

　　腐蝕工程師計算出預(yù)期的年腐蝕速率，然后再乘以設(shè)計壽命。當(dāng)預(yù)期的腐蝕量超過一定的值，可以選用耐蝕合金，也可以選用碳鋼，不過要增加壁厚。除了使用整體的耐蝕合金材料外，還可以在碳鋼或合金鋼表面進(jìn)行耐蝕合金復(fù)合或堆焊。另一種防腐措施是化學(xué)抑制劑或陰極保護。

　　在以安全為第一要素的同時，材料選擇還決定于計算的壽命周期成本。雖然耐蝕合金的初期投入較大，但相對于整個壽命周期而言可能是較經(jīng)濟的選擇，這樣可以降低更換次數(shù)，減少維護，而且不需要化學(xué)抑制劑。油氣項目用鋼的選擇順序為，碳鋼→合金鋼→13Cr馬氏體不銹鋼→300系不銹鋼→雙相鋼（22Cr）→超級雙相不銹鋼（25Cr）→28Cr（合金28）→Ni合金→鈦合金。在條件允許的情況下盡量使用碳鋼和合金鋼，因為它們的成本最低。

　　不過，隨著工作環(huán)境的惡化，必須逐步選擇更高牌號的材料，耐蝕合金是不可替代的。下面更具體介紹了油氣行業(yè)用途最廣的鋼種：

　　1、合金鋼：4145H，4130，4140，4330，8630，F(xiàn)22

　　2、馬氏體不銹鋼：13Cr，Super13Cr，410，420，F(xiàn)6NM

　　3、奧氏體不銹鋼：316，304，321，317L，Nitronic 50/60，904L254SMO（6Mo）

　　4、雙相不銹鋼：2205，2507，LDX2101

　　5、PH鋼：17-4，15-5，13-8

　　6、鎳合金：825，625，718，925，合金28

　　7、無磁鋼：特殊鉻錳奧氏體鋼

　　耐蝕合金的各種產(chǎn)品類型都需要，包括3D鍛件、軋制環(huán)、鍛造和軋制棒材、無縫管和焊管，復(fù)合管、厚板及板帶。耐蝕合金在油氣行業(yè)的應(yīng)用特殊合金鋼和耐蝕合金用途廣泛，特別是海上生產(chǎn)。它們可以用作鉆柱、管道、套管、井下完井設(shè)備、井口裝置、防噴裝置、水下采油樹、管匯、冒口系統(tǒng)、出油管、跨接線、臍管、閥門、泵、水上加工設(shè)備等。以下為一些應(yīng)用實例：

　　1、定向和水平鉆孔部件，采用特殊非磁性鋼在精密旋轉(zhuǎn)鍛壓機上鍛造，再進(jìn)行機加工。底孔組件包括鉆環(huán)、MWD和LWD工具、井下動力鉆具和鉆頭。

　　2、無縫管用于管道和套管（OCTG）。根據(jù)流體成分可以選擇13Cr、超級雙相不銹鋼或鎳合金。需要經(jīng)過冷加工處理提高強度。

　　3、復(fù)合焊管成本低，可以替代耐蝕合金管、出油管、輸送管道和鋼懸鏈立管。復(fù)合管采用碳鋼母管和耐蝕合金（如316L、825、625）襯管。復(fù)合方法有冶金或機械復(fù)合兩種技術(shù)。

　　4、軟管可以替代剛性出油管和立管。骨架采用冷軋卷板。常用鋼種有316L、經(jīng)濟型雙相、雙相和超級雙相不銹鋼。

　　5、大型鍛件，例如防噴裝置和水下采油樹。通常由合金鋼（F22，8630，4130）制成，為了防止腐蝕，濕區(qū)部分要采用鎳合金堆焊。小型鍛件，如閥體，也多采用雙相不銹鋼。

　　6、大口徑薄壁焊管用于LNG管道（主要是304L和316L）。LNG低溫輸送管線采用Invar（合金36）或9%鎳鋼。Invar也可用于LNG運輸船的薄膜。

　　宏觀趨勢和推動力耐蝕合金在全球油氣行業(yè)的應(yīng)用受到兩股完全不同的力量的推動：美國的陸地頁巖油氣和全球海上油氣田（特別是深水），這兩個領(lǐng)域差異很大，但發(fā)展速度都很快。過去5年，鉆井和完井技術(shù)的巨大進(jìn)步使美國陸地頁巖氣的生產(chǎn)經(jīng)歷了爆炸性增長。水平鉆井和水力壓裂技術(shù)的發(fā)展釋放了以前無法獲取的資源，改變了美國陸地資源市場，在不到10年的時間內(nèi)美國水平鉆井架所占比例從10%提高到60%以上。面對底孔設(shè)備承受的變形加上頁巖氣的腐蝕性和高壓頁巖油，鉆機必須采用優(yōu)質(zhì)材料。

　　在多種因素的助推下，耐蝕合金在海上，特別是深海的用量已經(jīng)超過了需求基線。2013～2017年海上項目投資將達(dá)到1.2萬億，比前5年增加57%。深海項目的投資將超過8000億美元，比前5年增加60%。深海項目投資主要來自兩個方面，一是美國墨西哥灣、非洲和巴西的深海和超深海開采；二是天然氣開采，特別是亞洲陸地和浮動設(shè)備的LNG生產(chǎn)。對于新的深海和超深海開發(fā)項目，生產(chǎn)企業(yè)所面臨的儲層壓力和溫度更高，同時他們也在了解現(xiàn)有深海和超深海尖端開發(fā)項目的經(jīng)驗和教訓(xùn)。由于加強了對現(xiàn)有設(shè)備的安全性和運行數(shù)據(jù)的關(guān)注，主要石油企業(yè)和大型國家石油公司要求旗下的生產(chǎn)企業(yè)為海下設(shè)備選用更高牌號的材料。

　　由于井口壓力達(dá)到了1.5萬psi，甚至更高，井流溫度達(dá)到350℃，腐蝕導(dǎo)致的污染，包括二氧化碳和硫化氫，所有不銹鋼和鎳合金等高品質(zhì)材料的需求量還將繼續(xù)增長。

　　盡管頁巖氣快速發(fā)展已經(jīng)大幅降低了美國的天然氣價格，但是亞洲市場（包括中國、日本、韓國和印度）對能源需求的快速增長，以及對核能的擔(dān)憂使那里的LNG價格上漲。LNG需求增長促使大批資金投入新建和擴建LNG項目，2013～2017年 LNG的新增產(chǎn)能將達(dá)到2億t/年。其中大多數(shù)天然氣來自海上平臺，液化在陸地或浮動裝置上完成。雖然目前大多數(shù)LNG項目都是在較淺水域（500m之內(nèi)），但是多數(shù)海上LNG采用水下技術(shù)，包括未處理井流的長距離錨桿。很多時候氣體中含有很多雜質(zhì)，使與井流接觸的鋼材處于強腐蝕環(huán)境。另外澳大利亞等地區(qū)的環(huán)保條例非常嚴(yán)格，設(shè)備必須達(dá)到長壽命，終身免維護。這就要求生產(chǎn)企業(yè)選用高品質(zhì)材料，包括海底設(shè)備和管道采用鎳合金復(fù)合材料或整體不銹鋼管。

　　在海上和頁巖氣開采的雙重推動下，油氣行業(yè)將加大不銹鋼和特殊鋼用量，迎接技術(shù)挑戰(zhàn)，開采已探明的資源。對于那些愿意按照油氣行業(yè)的嚴(yán)格標(biāo)準(zhǔn)投入時間和資源的生產(chǎn)企業(yè)，擴大銷量的機會比比皆是。

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責(zé)任編輯：王元