一文看懂海洋工程用超級不銹鋼和耐蝕合金

與陸地油氣開采相比，海洋環(huán)境洋流劇烈、海溫和壓力隨深度變化大、海底巖層結(jié)構(gòu)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(huán)節(jié)均應(yīng)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(tǒng)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。

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(jié)構(gòu)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(guān)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(shè)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(yōu)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(yōu)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(zhì)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(yīng)力腐蝕性能。可廣泛應(yīng)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(yōu)異的強度性能，由于采用了 Mn-N 代 Ni 成為奧氏體穩(wěn)定元素，使其在性能優(yōu)異的同時具有較低的生產(chǎn)成本。由于近年來其合金體系的不斷優(yōu)化，以及一定的 Mo元素加入，使其也具備了優(yōu)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(yīng)用領(lǐng)域

高性能的海洋平臺用特殊鋼材料在國外早已商業(yè)化生產(chǎn)多年，典型的生產(chǎn)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(fā)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(yōu)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(chǎn)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(yīng)用領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。目前已在諸如北海油田、波斯灣油田、墨西哥灣油田等數(shù)百個海洋油田的平臺建設(shè)中的大量使用，具體應(yīng)用領(lǐng)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(tǒng)：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(wěn)定器、旋轉(zhuǎn)導向鉆探單元：P550、15-15HS、Datalloy-2、Inconel-718。

（4） 其他單元：

平臺支撐結(jié)構(gòu)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(tǒng)：316L、P530。

二、國內(nèi)海洋工程用材發(fā)展現(xiàn)狀

1、生產(chǎn)和應(yīng)用現(xiàn)狀

據(jù)中海油海洋油氣項目采購部門的內(nèi)部資料顯示，由于我國海工用特殊鋼材料生產(chǎn)起步較晚、研制生產(chǎn)停滯不前，導致海工用特殊鋼及關(guān)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(jù)中海油開發(fā)工程設(shè)計公司的統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示：目前海洋平臺工藝設(shè)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(guān)鍵部件而產(chǎn)生的費用可高達 4 億美元，約合人民幣 28 億元。

 2、國內(nèi)本領(lǐng)域新材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展問題

我國目前海工用特殊鋼領(lǐng)域工業(yè)化生產(chǎn)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(yè)中得到初步應(yīng)用。但就材料制備、裝備制造等領(lǐng)域的具體工藝現(xiàn)狀來說，國內(nèi)相關(guān)行業(yè)、企業(yè)、應(yīng)用等均存在較為典型的問題如發(fā)展模式問題、缺乏必要的、系列的材料品質(zhì)標準和生產(chǎn)工藝規(guī)范、行業(yè)標準等、科研部門產(chǎn)學研嚴重脫節(jié)、生產(chǎn)廠家技術(shù)工藝問題。

3、本領(lǐng)域新材料研發(fā)方向及發(fā)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(chǎn)化需重點攻關(guān)的三大類鋼種，應(yīng)用覆蓋海洋油氣的鉆采儲輸?shù)拳h(huán)節(jié)。在目前研制和生產(chǎn)現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，各鋼種均具有自身獨特的發(fā)展趨勢：

（1）高強度無磁不銹鋼的發(fā)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(nèi)目前已有部分企業(yè)生產(chǎn)此類產(chǎn)品，但其合金體系設(shè)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(chǎn)品性能、優(yōu)化合金體系是此類材料的研發(fā)重點。

（2）超級奧氏體不銹鋼的發(fā)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(yōu)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(chuàng)新和理論設(shè)計是此類材料的研發(fā)重點。

（3）耐蝕合金的發(fā)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(yōu)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(shù)，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(chǎn)業(yè)發(fā)展的模式也應(yīng)當逐步走上良性軌道。海洋油氣平臺項目應(yīng)當積極大膽地提出對主要關(guān)鍵部件最新、最前沿的需求、性能指標，通過設(shè)計部門和材料研發(fā)單位的通力配合，逐步實現(xiàn)材料和裝備國產(chǎn)化、規(guī)模化和工程化，使我國海工用特殊鋼走上良性發(fā)展的模式。國家層面也應(yīng)由項目、企業(yè)和科研院所牽頭，出臺相應(yīng)的行業(yè)和材料標準，使海洋平臺用先進特殊鋼材料的產(chǎn)學研各個環(huán)節(jié)更加規(guī)范化和法制化。

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