海洋石油装备材料的应用现状及发展建议（下）.pdf

2 0 1 5年第 1卷第 6期 石油管材与仪器 PET ROLEUM TUBULAR GOODS I NS T RUM ENTS 综 述 海洋石油装备材料的应用现状及发展建议 下 杜伟李鹤林 中国石油集团石油管工程技术研究院陕西西安7 1 0 0 7 7 摘 要 海洋石油装备材料品种繁多， 几乎涉及工程材料的各个领域。文章分析 了海洋服役条件对海洋石油装备材料的特殊要 求， 讨论了海洋石油装备材料的应用现状， 最后给出了我国海洋石油装备材料的发展建议。 关 键 词 海洋石油装备材料； 低合金钢； 不锈钢； 耐蚀合金； 有色金属； 非金属材料 中图法分类号 T E 9 5 文献标识码 A 文章编号 2 0 9 60 0 7 7 2 0 1 5 0 6 0 0 0 1 0 5 Ap p l i c a t i o n S t a t u s a n d De v e l o p m e n t S u g g e s t i o n s o n Off s h o r e Oi l Eq u i p me n t Ma t e r i a l s P a r t I I D U W e i L I He l i n C N P C T u b u l a r G o o d s R e s e a r c h I n s t i t u t e ， X i a n ， S h a a n x i 7 1 0 0 7 7 ，C h i n a Ab s t r a c t T h e o ff s h o r e o i l e q u i p me n t ma t e r i a l s i n c l u d e a w i d e r a n g e o f t y p e s ，w h i c h i n v o l v e s a l mo s t a l l fi e l d s o f e n g i n e e ri n g ma t e r i als ．I n t h i s a r t i c l e t h e s p e c i al r e q u i r e me n t s o f s e r v i c e c o n d i t i o n s o n o ff s h o r e o i l e q u i p me n t ma t e r i als a r s a n aly z e d．a n d t h e a p p l i c a t i o n s t a t u s i s d i s - c u s s e d ．I n the l a s t ， t h e d e v e l o p me n t s u g g e s t i o n s a r e gi v e n ． Ke y wo r do ff s h o r e o i l e q u i p me n t ma t e r i als ，l o w all o y s t e e l ，s t a i n l e s s s t e e l ，c o r r o s i o nr e s i s t a n t all o y s ，No nf e r r o u s me t al ，n o nme t a 】 l i e ma t e r i al 接 2 0 1 5年第 5 期 2 ． 4 镍基和铁镍基耐蚀合金 纯镍除具有 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， 因此纯镍作为耐蚀金属材料得 以应用。由于提高耐蚀性的 c r 、 M o 、 w、 c u 、 s i 等元素在 镍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镍基和铁镍基耐 蚀合金。铁镍基合金含镍 3 0 ％ 一 5 0 ％且镍与铁总量不 小于6 0 ％， 镍基合金含镍量不小于5 0 ％。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。 镍基耐蚀合金按不同的合金体系， 可分为 N i c u 、 N i C rFe 、 Ni Mo 、 Ni C rMo 、 Ni C rMoW 、 NiC r M o C u等类型； 铁镍基耐蚀合金可分为 N i F e c r 、 N i F e C r M o 、 N i F eC r MoC u等类型。国夕 耐蚀合金的主要产品有 Mo n e l 蒙乃尔 合金、 I n c o n e l 合 金、 I n c o l o y 合金、 H a s t e l lo y 哈氏 合金等。M o n e l 合金是 N i c u合金， 为 N i 、 C u以任意 比例混合形成 的固溶体。 I n c o n e l 合金为含铁量较低的N i c r 系镍基合金； 而 I n c o l o y 合金为含铁量较高的N i F e C r 系铁镍基合金。 H a s t e l lo y 合金是以C r 、 M o 为主要合金元素的超低碳 N i C r M 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 的几种典型镍基和铁镍基合金 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 铁镍基合金和／ 或镍基合金。一般情况下， 镍基和铁镍 基合金用于制造符合 A P I A p e c 6 A与 1 7 D规范的 H H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H s 和 C O 分压、 p H值、 氯化物浓 度以及硫元素是否存在等有关， 按照 N A C E M R 0 1 7 5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。 第一作者简介 杜伟 ， 男 ， 1 9 8 2年 生， 工程师 ， 2 0 0 8年毕业于北京科技 大学 ， 现主要从事石油管的工程应用与应用基础研究。E - m a i l d u wO 0 2 c n p c． t o m． c n 2 石油管材与仪器 P E T R OL E U M T U B U L A R GOO D S I NS T R U ME N T S 2 o 1 5年 l 2月 2 ． 5 有色金属材料 在海洋石油开发 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5 0种 海洋工程用钛合金， 表 1 0列出了常用海洋工程装备用钛 合金的牌号及相应的性能。 钛及其合金是升级海洋资源开发装备 ， 提升海洋资 表 8 几种典型耐蚀合金的牌号及化学成分 表 9 不同国家或组织典型耐蚀合 金牌 号对照 2 0 1 5年第 1卷 第 6期 杜伟等 海洋石油装备材料的应用现状及发展建议 下 料开发能力的理想结构材料。在海洋石油开发方面 ， 钛 合金主要应用于隔水管、 锥形应力接头、 连续管、 增压管 道、 钻具提升装置、 海水管路系统、 冷却系统、 灭火系统 等。其中T C 4 T i 一 6 A 1 4 V 在海洋油气工程中应用较 多 ， 尤其是采用 B锻造技术锻造的 T i 一6 A 1 4 V E L I 合 金的平面断裂韧性和应力腐蚀断裂韧性高于普通 T i 一 6 A 1 4 V， 得到了更 为广泛 的应用。美 国北海油气挪威 分部的半潜式平台大量使用了T i 一 6 A I 一 4 V E L I G r 2 3 钛合金管代替钢管制作隔水管， 如图4 所示， 降低整个系 统重量达 5 0 ％， 从而降低提升力 6 3 ％， 系统成本降低 4 0 ％ ， 服务年限达 2 5年之久。由 T i 一6 A 1 4 V G r 5 钛 合金制成的超深井钻杆， 垂直深度可达 9 2 0 0 m m。钛合 金钻杆代替钢钻杆后， 钻具起吊力减少 3 0 ％， 扭矩降低 3 0 ％ 一 4 0 ％。井下作业连续管通常采用 G r 2 、 G r 7 、 G r 9 、 G r l 2 、 G r l 8 、 G r2 8 等6 种钛和钛合金管焊接制造， 目前最 大外径6 3 ． 6 m m 。连续管钻井可以使得钻井成本降低很 多， 采用钛合金连续管， 连续管的疲劳寿命和腐蚀疲劳 寿命也大大延长 。 表 1 0 美国、 俄罗斯与中国海洋工程用钛合金牌号、 名义成分及性能 图 4钛 舍金 隔水 管 2 铝合金 铝及铝合金具有密度小 ， 耐腐蚀 ， 无磁性， 良好 的成 型性和焊接性等优点， 应用铝合金可提高海洋石油装备 的性价比。纯铝硬度及强度一般较低， 不适宜制作受力 的机械零构件。铝及其合金在海洋油气开发中的应用 较为广泛， 主要有 铝合金钻杆、 铝合金平台、 铝合金直 升机停机坪、 铝合金海上生活套间、 铝合金隔水管、 铝合 金 L N G球罐 M o s s 球罐 等。 1 9 6 2年， 俄罗斯即开始使用铝合金钻杆。铝合金钻 杆由于其重量轻、 强度重量比高 强度重量比是普通钢 的1 ． 5 2倍 、 抗腐蚀性强、 延展性好、 与井壁的摩阻小 和无磁性等优点， 在深井、 超深井、 深水平井和大位移井 中具有广泛应用前景。美国、 法国、 德国和 日本等国也 开发了不同规格和用途的铝合金钻杆。1 9 5 7 年， 在委内 瑞拉的马拉开波湖， 世界上第一个使用在高腐蚀地区的 铝合金石油钻井平台出现。2 0 0 4年 ， 巴西卡姆波斯巴欣 公司建造了首台全铝石油平台。 2 0 世纪9 0 年代铝焊接 技术的进步， 出现了全铝结构停机坪， 大大减轻 了重量 ， 同时降低了成本。2 0 0 8年， 新加坡开发了直径2 2 ． 2 m 的全铝直升机停机坪。此外 ， 铝合金也用于制作海上生 活单元等 ， 如图5所示。目前， 在 L N G船上， M o s s 球罐已 多采用 5 0 8 3铝合金材料， 5 0 8 3 是一种A 1 一 M g 合金， 其 具备良 好的低温断裂韧性和裂纹扩展传播特征， M o s s 球 罐即使产生了裂缝， 裂缝扩展速度也非常缓慢， 产生的 泄漏也非常轻微。 一艘M o s s 型L N G船大约需要2 8 0 0 t 一 3 1 0 0 t 的5 0 8 3 铝合金板。 3 铜合金 铜及其合金具有优良的力学性能、 耐海水腐蚀及冲 2 0 1 5年第 1卷 第 6期 杜伟等 海洋石油装备材料的应用现状及发展建议 下 5 等【 1 。 。 。2 0世纪 9 0年代， 美 国开始研制复合材料抽 油 杆， 抽油杆通常增强相为T h o me l T M T一 3 0 0 1 2 K碳纤维 ， 基体相为环氧树脂 ， 具有以下优点 质量轻 ， 高 比强度和 高比模量， 减重节能效果显著， 且适合深井采油； 柔韧性 优异， 适合盘绕和运输， 操作方便； 耐疲劳， 大大延长了 使用寿命。在管道方面， 玻璃钢管、 复合增强管 R T P 以 及双金属复合管等均可用于海洋油气开发中。玻璃钢 管是通过玻璃纤维增强环氧树脂， 质量轻且耐腐蚀 ， 已 应用于海洋石油平台的管道设施。复合增强管由内层 聚乙烯、 聚丙烯 、 增强层 聚酯纤维、 芳纶纤维或高强 钢丝 及外部耐磨层 聚乙烯 组成 ， 韧性好， 强度高 ， 可 用于海洋油气 的集输。双金属复合管是 由双层金属组 成的复合管， 内层一般为不锈钢或耐蚀合金， 外层为普 通钢管， 通过机械或冶金方法复合而成。基管负责承压 以及提供 刚性 支撑 ， 内管承担耐腐蚀作用， 可用于含 H S 、 C O 以及 c l 一 等腐蚀介质油气 的输送 ， 常用作油田 内部集输管及刚性跨接管。此外， 柔性管是海洋油气开 发中广泛应用的复合材料管， 其是由骨架层、 内护套、 耐 磨层、 铠装层及外层护套等组成的多层结构， 常用作海 洋立管及柔性跨接管等。 3 海洋石油装备材料发展建议 结合海洋石油装备材料的发展现状、 国内外差距及 应用需求， 提出如下几点发展建议。 1 对于平台用钢板、 型钢和钢管 ， 应提高 国内生产 质量水平 ， 生产商应该严格按照规格书和相关规范的要 求提供合格产品， 严格按照相关质量控制标准和验货标 准加强生产过程、 验货过程和施工过程的质量控制。 2 进一步提升我国海洋平台用钢的国产化率， 加强 目前仍需进 口的钢材品种开发 ， 包括满足 一 6 0 ℃低温韧 性要求的 F级高强度钢， 屈服强度达到6 2 0 M P a 、 6 9 0 M P a 级别的超高强度钢， 适用于极地作业的海工平台F H 级别钢材 F H 3 2 、 F H 3 6 、 F H 4 0 ， 以及部分特殊钢材 齿条 钢、 悬臂梁用钢、 殷瓦钢、 双相不锈钢等 。 3 国内目前海洋石油装备关键零部件用合金钢及 耐蚀合金品种较少 ， 未建立完整的材料标准体系。因 此， 我国在海洋装备用合金钢和耐蚀合金方面应加大开 发力度 ， 细化产品序列 ， 建立我国海洋装备用合金钢和 耐蚀合金的应用体系。建议由国内材料生产企业进行 攻关并结合我国南海海域的特点进行有针对性地开发 ， 形成国产化产品的技术标准体系。 4 在海底油气管道主要用材 低碳微合金钢管 发 展方面， 抗大变形、 高疲劳性能、 大 t ／ D比、 高尺寸精度等 海底管线钢管， 以及高效焊接技术和高性能焊材开发是 未来海底管道低碳微合金钢管材料发展的主要方向。 5 在海底油气管道非金属材料发展方面 ， 主要的发 展方向是柔性管和非金属复合管。对于柔性管 ， 考虑到 目前国外生产商垄断了世界上绝大部分的市场份额， 柔 性管的生产具有大量的知识产权保护， 建议加强对柔性 管设计、 生产装备的研究， 提高柔性管的自主开发和制 造能力。 6 钛合金具有高比强度、 耐腐蚀和抗疲劳等优异的 性能， 被称为“ 深海金属” ， 但在我 国海洋石油天然气领 域的应用却非常少。因此， 加强海洋石油天然气领域的 钛合金产品开发与应用具有重要的意义， 尤其应重点开 发钛合金作为内层的双金属复合管、 钛合金立管和钛合 金锥形应力节点等产品。 参 考 文 献 [ 1 ] D E T N O R S K E V E R I T A S ． D N V O S F I O 1 海底管线系统 [ s ] ． D V N ， 2 0 0 7 ． 1 0 ． [ 2 ] 侯宝荣． 海洋与海洋腐蚀[ R ] ． 海洋重大工程及装备材料 的研发趋势与防护， 上海 2 0 1 0 ， 9 ． [ 3 ] 梁剑雄． 研究深海装备用材势在必行 [ J ／ O L ] ． 中国腐蚀与 防腐网， 2 0 1 4 0 7一 O 2 ． h t t p ／ ／ w w w ． e c o r r ． o r g ／ z h u a n t i ． 1 a n mu w e n z h a n g ／ 9 7 3 z h u a n t i ／ 2 0 1 4 ／ 0 7 0 2 ／ 8 8 1 8 ． h t m1 ． [ 4 ] 黄德乾． 北海 P i p e r A l p h a 平台火灾爆炸事故及其经验教 训． 中国海上油气 工程 ， 1 9 9 0 6 6 1 6 2 6 9 7 0 ． [ 5 ]百度百科． 美国墨西哥湾原油泄漏事件 [ D B ／ O L ] ． 2 0 1 3 0 8 ． h t t p ／ ／ b a i k e ． b a j d u ． c o m ／ l i n k u r l x b C D I 9 U 3 p a P 3 E v r B Q R v 7 c l P一 b x v v I I 8 m Ⅷ b Y z H v一3 o W5 X i 2 j S q d P H C 8 o w p g - P A u S p h v tl d D- N j 4 x n l fl u l H 7 K ． [ 6 ]高惠临． 管线钢与管线钢管 [ M] ． 北京中国石化 出版 社 ， 2 0 1 2 ． [ 7 ] 李鹤林． 关于吊环断裂问题[ J ] ． 石油钻采机械情报 ， 1 9 7 5 ， 2 2 4 3 4 ． [ 8 ]常辉， 邓炬， 唐仁波． 钛合金材料[ R ] ． 中国海洋工程 材料发展战略咨询报告， 化学工业出版社 北京， 2 0 1 4 ． [ 9 ] 赵解扬， 李周 ， 李廷举， 等． 有色金属材料[ R ] ． 中国海洋 工程材 料 发 展 战 略咨 询 报告 ， 化 学 工 业 出版 社 北 京 ， 2 0 1 4 ． [ 1 0 ] 肇研， 蔡斌 ， 包建文， 等． 复合材料[ R ] ． 中国海洋工程 材料发展战略咨询报告， 化学工业出版社 北京， 2 0 1 4 ． 收稿 日期 2 0 1 5 0 7 0 8 编辑 屈忆欣