双相不锈钢在海洋石油平台中的选择和应用.pdf

第 9 期 一 7 5 双相不锈钢在海洋石油平台中的选择和应用 陈巍，李潇 海洋石油工程股份有限公司，天津 3 0 0 4 5 1 [ 摘 要] 海上平台井口管线材料的选择有许多因素需要考虑。如在含c O 2 的高 压天然气腐蚀方面，对配管材料的选择提 出 了更高要求。本文针对这些特殊性对井口管线的选材进行 了分析对比，认为从今后发展趋势看 ，采用双相不锈钢是必然趋 势。 [ 关键词]海上平台；双相不锈钢；C O 2 腐蚀；腐蚀速率 l 井口管线钢材的选择 海 上平 台井 口管道 的材料 的选择通常根据井 口物流 的压力 、温度和腐蚀性进行计算 ，同时考 虑材料 的种类 、壁厚 、采购周期 、重量等 因素综 合评定。对 于海洋平台应用最广 的A1 0 6 B 碳钢或 国产2 0 钢而言 ，在 不考虑CO 和H S 的腐蚀性情 况下 ，可 以较好地满足要求 ，但若存在腐蚀性 因 素 ，则要重新计算和评定 ，因此 ，防腐蚀是井 口 材料选择的一个重要因素 。 1 ． 1内部腐蚀 管线 中流体产 生的 内部腐蚀是个复杂多变 的 过程 ，具有许多可造成腐蚀 的因素 。如某气 田的 井 口参数如下 井 口设计 温度 一 1 4 ℃～ 8 5 ℃ ；井 口设计 压 力 3 2 ． 3 MP a ；最高大气温 度 3 8 ． 5 ℃；最低 大 气温 度 ． 0 ． 3 ℃ ；CO 含量 CO 摩 尔百分 含量 5 ． 5 7 ％～ 0 ． 0 3 7 ％；C O2 最高分压1 ． 4 4 Mp a 。 井 口产物 基本不含H S，造 成 内部腐蚀 的一 个突 出因素是C O 带来的腐蚀 。CO 腐蚀的机理如 下 CO2 H2 0 H2 CO3 ； Fe H2 CO3 ， Fe CO3 H2 由CO 产 生 的腐蚀 ，主要 同CO。 的浓度 、分 压 、含水量及温度有关 。同时碳钢管线 的内部结 垢 、p H值 以及腐蚀抑制剂 的使用都可在一定程度 上减弱C O 带来的腐蚀 ，但其最大腐蚀速率仍可以 用下面 的De wa r r dMi l l i a m公式进行预测 L g v 5 ． 8 1 7 1 0 I T 0 ． 6 7 L g f C O 2 其 中v ． 碳钢 预计腐 蚀速 率 ，mm／ a ；T 一 温 度 ，K；f C O2 一 AP C O2 ，A为逸度指数 ，P C O 2 为 C O2 分压 。 1 ． 2外部腐蚀 海 洋平 台周边环境 中存在着较大 的湿度 、较 高的氯离子含量 以及海水雨水的侵蚀 等因素，这 些都可对管线外表面造成极大的腐蚀。 1 ． 2 ． 1 碳钢管线的外部腐蚀 依据 工程实践经验 ，完全裸 露的碳钢 管线在 海洋大气环境下 ，其腐蚀速率可达No ． 5 mm／ a ，尽 管如此 ，由于碳钢管线可很好地附着 防腐涂料 ， 防腐层被破坏后 的修复也 比较简单，涂料造价较 低 ，因此 ，多年的工程实践表 明，通 过合理选择 防腐涂层 能够很好地控制外部环境对碳钢管线表 面的腐蚀。 1 ． 2 ． 2不锈钢管线的外部腐蚀 不锈钢 由于能够进行表面钝化 ，因而可 以很 好地防止CO 带来的腐蚀，但在海洋这种特定的环 境下 ，其表面却很容易受到严重的局 部腐蚀 。腐 蚀 的类型主要有点腐蚀和应力腐蚀 。 点腐 蚀 点 蚀 一般 发 生在表 面 有钝 化膜 或 是有保护膜 的金属 ，可 以在奥 氏体不锈钢表面上 局部形成具有一定深度 的小孔或锈斑 ，孔有大有 小 ，孔径 或宽度约为深度 的4 ～ 1 o I，小而深 的孔 可能导致金属穿透 。由于点蚀 常常被锈层 、腐蚀 产物等覆盖 ，因而难 以发现 。在金相显微镜下观 察点蚀 ，其断面有多种 形貌 。点蚀在特定腐蚀介 质中，特别是在含有C l - 包括B r _ I ，I 一 离子的环 境 中产生的 ，并且可在 室温 下出现并 随腐蚀介质 温度升高而更易产 生并更趋严重 。点蚀不仅可导 致设备、管线等发生 穿孔被破坏 ，而且常常诱发 作者简介 陈巍 1 9 8 0 一，女，吉林白山人，硕士，工程 师。在海洋石 油工程股份 有限公 司设 计公司从事 海上平台总体配 管设计工作 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 一 7 6 一 ■ 腐蚀防护 石油和化工设备 2 0 1 3 年第 1 6 卷 晶间腐蚀、应力腐蚀和疲劳腐蚀。 应 力腐 蚀 应 力腐 蚀 是在 静拉 伸 应力 与特 定的工作介 质共同作 用下而发生的一种破坏 。通 常应力腐蚀只发生在一些特定 的材料 一环境体系 中 。碳钢 管线基本上不存在应力腐蚀，但是 奥氏 体不锈钢 一氯离子体系 中很容易发生应力腐蚀 ， 它是不锈钢局部腐蚀破坏 中最常见、危 害最大 的 一 种 。工程事故的分析表明 ，不锈钢制设备和 部 件 ，包括未经使用 的设备和部件 ，一旦发生 突然 的泄漏或损坏 ，而泄漏或损坏 部位 又未见明显的 塑性变形，常常是 由应力腐蚀造成的。 2选材 2 ． 1 腐蚀性因素 将上述数据代入De wa r r d Mi l l i a m公式进行 计算 ，可 得到碳钢管线在C O 含量最 高情况 下带 来 的最大腐蚀量为5 ． 5 7 mm／ a 。根据 以往的工程经 验 ，加入缓蚀剂可 以抑制腐蚀速率 ，按照缓蚀 率 7 5 ％计算，腐蚀速率为1 ． 4 mm／ a ，这里考虑了缓蚀 剂效用随流速原因发 生的波动 ，因为若在高压 工 艺系统选用普通碳钢达 1J 2 5 年 的使用寿命是十 分 危险的，需要加大约2 7 mm的腐蚀余量 。为此需要 考虑使用不锈钢材料来抵御C O 的腐蚀 。 大量 实践表 明，不锈钢表面进行涂敷 防腐层 几乎是不可行的 ，因为在其表面上使用防腐涂层 会增加其产生裂纹腐蚀 的风险 。防腐涂 层容易产 生破损点，破损处会集聚大量的氯离子，从而造 成更为严重的点蚀和裂纹腐蚀。因此，必须选择 适 当的不锈钢材料来 降低表面腐蚀 。 不锈钢在含 氯离子的环 境 下抗点蚀 的能力主 要取 决于钢中的C r 、Mo 、N的含 量，且可通过抗 点蚀当量 P R E来进行度量。 P R E N C r 3 ． 3 Mo 1 6 N，P R E N值 越 高 ，说 明其抗点蚀 能力越 强。根据工程经验 ，在海洋平 台环境下不锈钢 的P RE N值至少应2 4 。对于经常使 用的几种不锈钢，3 0 4 L 的P R E N值为1 9 ． 0 ，3 1 6 L的 P R E N值为2 4 ． 2 ，双相不锈钢S 3 1 8 0 3 的P RE N值 为 3 5 。显然 ，双相不锈钢较奥氏体不锈钢3 l 6 L 具有 更高的抗点蚀能力 。同时计算表明，3 1 6 L 是海洋 环境下不锈钢选材的最低标准 。 所 有类 型 的不 锈钢 都在 一 定条 件 下不 同程 度地产生应力腐蚀 ，但它们的抗应 力腐蚀能力有 较 大差 别 ，抗应 力腐 蚀 的能力主 要取 决于 含镍 量 。为 了达到很好 的抗应力腐蚀 效果 ，Ni 的含量 要么 同铁素体不绣钢一样低 ，要么就 同Ni 合金一 样 高。含镍量低 的奥 氏体不锈钢无论是3 0 4 还是 3 1 6 L ，抗应力腐蚀 的能力都 比较差。 同 时 ，应 力腐 蚀 的程度 与温 度 及氯 离 子 的 含量有关 ，当温度超过5 0 ℃以后 ，奥 氏体不锈钢 在海洋性大气环境 下的应力腐蚀变得十分严重 。 我 国东海 春 晓 油气 田的某 些井 口最 高温 度接近 6 8 ℃，因此产生应力腐蚀开裂的可能性很大 。而 双相不锈钢 因其镍含量较低 ，因而具有较好的抗 应力腐蚀 能力 。双相不锈钢 是在其 固淬组织中铁 素体相 与奥氏体相各 占一半，一般最少相的含量 也要达到3 0 ％。双相不锈钢主要种类如下 类 型 U N S牌 号 化学成分 ％ 低合金型 中合金型 中合金型 高合金型 超级D S S 3 2 3 0 4 31 8 03 32 20 5 3 2 5 5 0 3 2 7 5 0 Cr 23 22 22 25 2 5 Mo C u 3 3 3 2 N 0 ． 0 5 ／ 0 ． 2 0 0 ． 0 8 ／ 0 ． 2 0 0 ． 1 4 ／ 0 ． 2 0 O ． 1 0 ／ 0 ． 2 5 0 ． 2 4 ／ 0 ． 3 2 以上 各 类双 相 不锈 钢基 本 均 能满足 技术 要 求 ，在性价 比方面，中合金型S 3 1 8 0 3 是工程 中应 用最广泛的一种双相不锈钢。 2 ． 2强度 因素 根据 上例平 台的情况 ，管线 的强度决定 了壁 厚 ，同时 由此带来 的重量及经济性也是评定的主 3 3 3 0 O O O 4 ． C C C ； 0 O O ． r r 一 n r 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第9 期 陈巍等双相不锈钢在海洋石油平台中的选择和应用 一 7 7 要 因素 。管线壁厚计算 公式 T mi n P D／ 2 S E P Y1 CA 其 中P 一 设计压 力；D一 管线外径 ；S 许用应 力；E 取 1 ；y - 取0 ． 4 ；C A． 机械余量，包括腐蚀余 量和加工余量。 以井 口6 英寸管线为例，对三种材料进行 比较 计算，设计压力3 5 5 3 0 K p a ，3 8 C，结果见表1 。 表1 三种材料又 寸 比结呆 材料 计算壁 厚m m 最终壁厚m m 重量k g ／ m 价格 R M B ／ m A S T M A 1 O 6 B 4 7 ． 4 6 4 7 ． 4 6 非标 l 9 6 ． 1 1 3 3 2 A S T M A 3 1 2 T P 3 1 6 L 2 6 ． 4 l 6 2 6 ． 4 1 6 非标 1 O 8 ． 1 7 2 7 0 4 A S T M A 7 9 0 U N S 3 1 8 0 3 1 5 ． 6 l 6 l 8 ． 2 6 S C H1 6 0 6 7 ． 5 6 3 l 7 9 表1 三种材料对比结果 材料 优 点 缺点 非标管 线 ，不利 于采购 ；壁 厚太 厚 ，不 利于 焊接 及加 A S T M A 1 O 6 B 价格便宜 ，国内可 生产 ；施工较简 单 工 ；重量大，不利于安装；c o 2 腐蚀严重 非标管线，不利于采购；应力腐蚀较严重；施工中焊接 A S T M A 3 l 2 T P 3 1 6 L 国内可生产 ，抗C 0 2 腐蚀 及 热处理较 复杂 相对较轻，便于安装；标准管线，利于采 A S T M A 7 9 0 U N S 3 1 8 0 3 价格较高同时国内无法生产 ；焊接 工艺 复杂 购 ；抗c 0 2 腐蚀以及孔蚀和应力腐蚀 3结论 通 过 上 述 比较 可 以 看 出 ，A S T M A 7 9 0 UNS 3 l 8 0 3 是该平 台井 口管线系统材料 的最佳选 择 。由于AS T M A1 0 6 B 壁厚太厚，无论是采购还 是施 工都 有很大 困难 ，不 宜采 用 。AS T M A7 9 0 U NS 3 1 8 0 3 同AS T M A3 1 2 T P 3 1 6 L 相 比，每米长度 的价格相差不 多，但其具有更好的抗腐蚀性 能、 较 高的性价 比。从今后发展趋势看 ，采用双相 不 锈钢 是必然趋势 。 上 接7 4 页 本文针对 这类 设备结构、使用特 点进行 了分析， 对 防止 此类压力 容器产 生重大缺 陷和 事故发 生及 延长使用寿命具有积极作用 。 ◆参考文献 [ 1 ]1 申文杰，周敬来 ，张碧江 ． F T 合成反应机理的研究[ DI ． 上 海 中国科学院上海冶金研究所 ，2 0 0 0 ． [ 2 】 叶童墉 ，张玮 ，藿 月香 ，高增梁 ． F T 合成 中试装置冷却 器管开裂原因分析『 J 1 ． 轻工机械，2 0 1 0 ， 6 1 1 8 1 2 0 ． 【 3 ]陈匡民． 过程装备腐蚀与防护[ M] ． 北京化学工业出版 社，2 0 0 4 ． [ 4 ] 杨胡荣． 换热器的腐蚀与防护[ J ] ． 广州化工，2 0 1 1 ， 1 0 1 6 4 1 65 ． [ 5 】 T S G R 0 0 0 4 2 0 0 9 ，固定式压力容器安全技术监察规程[ S ] ． 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m