環(huán)形防噴器的功能有什么（環(huán)形防噴器的主要功能有哪些）

引言

21世紀是海洋的世紀，海洋在國家經(jīng)濟發(fā)展及維護國家主權(quán)的地位更加突出。21世紀以來，世界新增油氣儲量和產(chǎn)量已主要來自于海洋。預(yù)計到2015年末，海洋油氣產(chǎn)量占全球總產(chǎn)量的比例將分別達到39%和34%。我國海洋油氣資源儲量巨大，而海上石油資源探明程度約為12.3%(世界平均約為73.0%)，天然氣資源探明程度約為10.9%(世界平均約為60.5%)，探明率遠低于世界平均水平，因此我國海洋油氣資源勘探開采潛力巨大。

海洋環(huán)境條件惡劣，沒有高性能材料作為保障，海洋油氣開發(fā)將受到很大制約。近年來，我國海洋石油裝備材料雖已取得長足進步，但與國際先進水平和我國發(fā)展需求相比，仍然存在諸多差距和不足。首先，對于海洋石油裝備關(guān)鍵及核心材料，我國尚不能完全自給。例如海洋自升式平臺用大厚度(厚度超過150mm)齒條鋼，低溫環(huán)境用高強度F級平臺鋼，水下井口和采油樹用超級雙相不銹鋼、鐵鎳基合金、鎳基合金等，在性能穩(wěn)定性及批量供貨能力等方面還與國外存在差距。其次，我國海洋石油裝備材料應(yīng)用研究基礎(chǔ)薄弱，無法對材料的合理選用提供技術(shù)支持。主要體現(xiàn)在:1)材料基礎(chǔ)數(shù)據(jù)匱乏，如缺乏相關(guān)的材料標準體系;2)材料服役條件(環(huán)境和載荷)研究不足，如材料在海洋環(huán)境下的腐蝕數(shù)據(jù)掌握還不全面，限制了國產(chǎn)材料在設(shè)計中的選用。再次，裝備上下游企業(yè)溝通及合作不通暢，造成裝備領(lǐng)域與材料制造環(huán)節(jié)的脫節(jié)，導(dǎo)致材料單位無法根據(jù)裝備需求研究開發(fā)新產(chǎn)品，裝備企業(yè)舍近求遠采購國外高價材料，而對國內(nèi)已開發(fā)的成熟材料不聞不問。鑒于以上原因，導(dǎo)致我國海洋石油裝備材料的研發(fā)及應(yīng)用無法滿足工程需求，已成為制約海洋石油裝備發(fā)展的主要瓶頸。因此，發(fā)展高性能海洋石油裝備材料對于海洋油氣資源的高效開發(fā)利用有著重要的戰(zhàn)略意義。

一、海洋石油裝備材料的特殊要求

與陸地環(huán)境相比，海洋環(huán)境更為苛刻、復(fù)雜。海洋石油裝備材料在安裝、服役期間會承受多種載荷的影響，同樣，也會受到海水或/和油氣介質(zhì)引起的腐蝕，以及可能遇到的低溫或高溫環(huán)境的作用。

海洋石油裝備材料的載荷條件根據(jù)產(chǎn)生原因可分為：建造載荷、功能載荷、環(huán)境載荷以及偶然載荷。建造載荷是系統(tǒng)在建造時，包括安裝、試壓、試運行、維護和維修產(chǎn)生的載荷。功能載荷是指系統(tǒng)在運行期間，本身存在的載荷和由于使用所引起的載荷。環(huán)境載荷即周圍環(huán)境作用于系統(tǒng)上的載荷，其包括風載、流體動力載荷、波浪和海流載荷、冰載荷、地震載荷等。偶然載荷是指異常和意外情況下施加于管道系統(tǒng)上的載荷。海洋石油裝備材料在建造和服役期間，要充分考慮評估各種載荷單獨或復(fù)合作用的影響，確保材料滿足服役要求。

海洋腐蝕是海洋環(huán)境區(qū)別于陸地環(huán)境的主要表現(xiàn)之一。海水鹽濃度高、富氧，并存在著大量海洋微生物和宏生物，加之海浪沖擊和陽光照射，海洋腐蝕環(huán)境較為嚴酷。另外未經(jīng)脫水、脫H?S和CO?的油氣介質(zhì)是典型的CO?、H?S、Cl－共存環(huán)境，可對接觸到的材料產(chǎn)生嚴重的腐蝕作用。海洋腐蝕已成為影響海洋裝備設(shè)施服役安全性和使用壽命的重要因素，應(yīng)引起高度重視。按照國內(nèi)外公認的統(tǒng)計，腐蝕損失約占國民經(jīng)濟生產(chǎn)總值的3%－5%。2014年我國GDP總量超過63萬億，按3%計算，腐蝕經(jīng)濟損失超過1.89萬億人民幣。其中海洋腐蝕占有很大的比例。主要的海洋腐蝕形式包括均勻腐蝕、點蝕、應(yīng)力腐蝕、腐蝕疲勞、腐蝕磨損、海生物(宏生物)污損、微生物腐蝕、H?S/CO?腐蝕等。典型腐蝕現(xiàn)象如圖1所示。

同時，海洋環(huán)境的溫度并不是一成不變的，海水溫度隨緯度、季節(jié)和深度不同而發(fā)生變化，油氣介質(zhì)的溫度也隨地質(zhì)條件、開發(fā)階段的變化而有所不同。北極地區(qū)的極限低溫接近-60℃，新采油氣溫度達到100℃以上。環(huán)境溫度的變化不僅引起材料腐蝕速率的變化，同時也引起材料性能的改變。低溫環(huán)境可能導(dǎo)致材料的低溫脆斷，高溫環(huán)境對材料的耐熱性、抗蠕變性能以及高溫穩(wěn)定性提出更高要求。

可見，海洋石油裝備材料承受苛刻的服役條件，包括載荷條件和環(huán)境條件。而多數(shù)情況下，載荷條件和環(huán)境條件并非單獨起作用，常常共同疊加作用于系統(tǒng)材料，進一步加劇服役條件的復(fù)雜性，易導(dǎo)致材料的加速破壞。以深海油氣鉆采為例，螺桿鉆具壽命僅為80h，鉆鋌壽命僅為200h～500h，震擊器震擊次數(shù)僅為100次，隨鉆震擊器的工作時間僅15d～30d，所用材料在強度、耐蝕性等方面暴露的問題嚴重影響了深海油氣鉆采工作的開展；深海立管與采油樹等特殊部位管接頭、臍帶纜、系泊鏈、萬向軸等軸類耐蝕承力結(jié)構(gòu)件、各類深海泵體、閥門、固定銷、各類緊固件等均存在強度、腐蝕等方面的問題。為此，在海洋石油裝備材料的選用方面，須秉承從服役條件出發(fā)的設(shè)計理念，使材料滿足最低服役條件要求，以保障海洋石油裝備的安全運行。

海洋石油裝備處于復(fù)雜多變的海洋環(huán)境中，安裝和維修不僅價格昂貴，且操作較為困難。海洋石油裝備一旦發(fā)生失效事故，將造成重大的經(jīng)濟損失，甚至可能導(dǎo)致油井報廢、環(huán)境嚴重破壞以及人員傷亡等多重后果。1988年，北海PiperAlpha平臺發(fā)生爆炸事故，導(dǎo)致167人死亡，62人受傷，直接經(jīng)濟損失近28.7億英鎊，堪稱目前世界海洋石油工業(yè)史上最嚴重的一次災(zāi)難性事故。2010年，英國BP公司在美國墨西哥灣租用的鉆井平臺“深水地平線”發(fā)生爆炸，導(dǎo)致數(shù)人死亡或失蹤，并造成大量石油泄漏，釀成一場史無前例的經(jīng)濟和環(huán)境慘劇，如圖2所示。鑒于以上原因，海洋石油裝備必須具備高的安全性、可靠性，這對海洋石油裝備材料的性能均勻性和質(zhì)量穩(wěn)定性提出了更高要求。

二、海洋石油裝備材料的應(yīng)用現(xiàn)狀

1.碳鋼與低合金鋼

在海洋石油裝備材料中涉及的碳鋼和低合金鋼，主要包括平臺用鋼、鉆機井架及底座用鋼、管線鋼和立管用鋼等工程結(jié)構(gòu)鋼，以及鉆機(井架及底座外)、水下井口頭、采油樹、防噴器、管匯等設(shè)備零件用調(diào)質(zhì)鋼、低碳馬氏體鋼、滲碳鋼、滲氮鋼等機械制造用鋼。

1.1工程結(jié)構(gòu)鋼

• 平臺用鋼

平臺用鋼開始于19世紀末，初期在淺海水域使用棧橋作為平臺，采用棧橋用鋼。1947年，鋼質(zhì)導(dǎo)管架平臺首次出現(xiàn)于墨西哥灣。此后海洋平臺得到了迅速發(fā)展?，F(xiàn)有的平臺用鋼是由船板鋼或壓力容器用鋼移植而來，主要參考ABS、BV、CCS、DNV、GL、LR、KR、NK、RLNA等九大船級社規(guī)范。中國船級社(CCS)材料與焊接規(guī)范規(guī)定了一般強度、高強度以及高強度淬火回火鋼等三類強度級別鋼種，每一強度級別又按照韌性要求不同，細分為多個質(zhì)量級別(A、B或F、D、E)。除船級社規(guī)范外，平臺用鋼還常采用EN10225、GB/T712、YB/T4283、APISpec2H、APISpec2W、APISpec2Y以及ASTMA514/A517等標準。目前，平臺用鋼的最高強度級別達到690MPa，最低沖擊試驗溫度為－60℃(F級)。為保證鋼材性能，對這類鋼的內(nèi)在質(zhì)量要求較高，既要求鋼中含有較低的有害元素和氣體、夾雜物數(shù)量，又要求鋼材具有良好的表面質(zhì)量。

• 井架與底座用鋼

井架及底座是鉆機的重要組成部分。井架及底座最早采用A3或16Mn工、槽、角鋼，致使井架及底座比較笨重。目前井架及底座用鋼主要選用低合金高強度鋼。這類鋼在GB1591-1988標準中稱為低合金結(jié)構(gòu)鋼，在1994年標準(GB1591-1994)中改稱為低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼?，F(xiàn)行的GB/T1591標準中包括了Q345、Q390、Q420、Q460、Q500、Q550、Q620和Q690等八個強度級別。鋼材可以熱軋、控軋、正火、正火軋制或正火加回火、熱機械軋制(TMCP)或熱機械軋制加回火狀態(tài)交貨。通過添加Mn、Si、V、Nb和Ti等合金元素，低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼在提高強度的同時，保證了良好的塑性和韌性，以及較好的可焊性和冷加工性能。另外YB/T4274中的SM490YB、SM490B、SM400B等熱軋H型鋼也被用于制作鉆機井架及底座。隨著超深水鉆井的開發(fā)，井架及底座用鋼向高強輕量化發(fā)展，Q420、Q460等高級別鋼種將大量使用。高強度鋼種的使用，可大幅度減輕結(jié)構(gòu)自重，明顯提高井架及底座的承載能力。

• 管線鋼

管線鋼主要采用APISPEC5L、ISO3183標準，對于海底管道用管線鋼同時也執(zhí)行DNV-OS-F101標準。由于早期油氣管道管徑小、壓力低以及冶金技術(shù)的限制，直至20世紀40年代末管道用鋼一直采用C、Mn、Si型的普通碳素鋼，典型化學成分為：0.1%～0.25%C，0.40%～0.7%Mn，0.1%～0.5%Si，以及S、P和其他殘存元素。隨著管道工程對鋼管要求的提高，管線鋼開始采用低合金高強度鋼。與普通碳素鋼一樣，普通低合金高強度鋼主要在熱軋或正火狀態(tài)使用。隨著管道輸送壓力和鋼管管徑的增加，1967～1970年期間API5LX和5LS增加了X56、X60和X65鋼級，從此管線鋼進入了微合金化和控軋生產(chǎn)階段。管線鋼成為了國內(nèi)外微合金化技術(shù)應(yīng)用的典型代表。目前，管線鋼的最高強度級別為X120。冶金技術(shù)、TMCP技術(shù)以及超快冷技術(shù)的進步，使現(xiàn)代管線鋼具備了優(yōu)異的綜合力學性能，見表1，X90、X100及X120高鋼級管線鋼均具有優(yōu)異的強韌性匹配，其中X120管線鋼屈服強度超過840MPa，-30℃沖擊功大于250J。管線鋼生產(chǎn)幾乎應(yīng)用了冶金領(lǐng)域近20多年來的主要新工藝、新技術(shù)和新設(shè)備，TMCP工藝生產(chǎn)的管線鋼及鋼管在海洋石油裝備中的應(yīng)用也越來越廣泛。

目前，國外海底管道中應(yīng)用的最高級別管線鋼為X70，鋼管壁厚最大為41.0mm。我國海底管道建設(shè)中普遍應(yīng)用的是X65管線鋼，鋼管最大壁厚為31.8mm。2012年完工的南海—荔灣輸氣管道工程項目代表了國內(nèi)海底管道建設(shè)的最高水平，開創(chuàng)了我國1500mm作業(yè)水深的管道工程記錄。為適應(yīng)海底管道的安裝要求和服役環(huán)境，與陸地管線鋼相比，海底管線鋼的合金設(shè)計更為嚴格，其特點為：(1)低的碳含量；(2)低的碳當量；(3)低的S、P含量。另外，海底管線鋼在性能和其他方面的主要特征還包括：(1)高的形變強化指數(shù)和均勻伸長率；(2)低的屈強比；(3)優(yōu)良的縱向拉伸性能；(4)低的鑄坯中心偏析，良好的厚度方向的均勻性，低的斷口分離和層狀撕裂的幾率；(5)嚴格的尺寸偏差和精度控制；(6)良好的焊接性。

管線鋼除主要用于陸地和海底油氣輸送管道外，也是當前隔水管的主流材質(zhì)，主要采用X65-X80鋼級，其特點是剛性好，抗海流、海浪等外載能力強。隔水管主管性能要求主要參考APISpec5L《管線管規(guī)范》、DNV-OS-F101《海底管線系統(tǒng)》、DNV-OS-F201《動態(tài)立管》、APISpec16F《海洋鉆井隔水管設(shè)備規(guī)范》、APIRP16Q《海洋鉆井隔水管系統(tǒng)設(shè)計、選擇、操作和維護的推薦做法》、ISO13628-7/APIRP17G《石油和天然氣工業(yè)水下才有系統(tǒng)的設(shè)計與操作第7部分完井修井隔水管系統(tǒng)》等標準。為了抵御超深水域惡劣的環(huán)境載荷，隔水管通常采用具有較高疲勞特性的鋼，現(xiàn)行一般選用X80鋼級直縫埋弧焊管，并且正在向更高強度級別的X100和X120鋼級發(fā)展。根據(jù)API5L和DNV-OS-F101，深海鉆井隔水管的主要材料API5LX80鋼管需滿足以下性能指標：最小屈服強度555MPa；最大屈服強度705MPa；最小抗拉強度625MPa；最大抗拉強度825MPa；屈強比最大值0.93；延伸率最小值21%；0℃下CTOD最小值0.20mm。

鋼懸鏈線立管(SCR)具有結(jié)構(gòu)簡單，造價低，適用水深較大等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于深水和超深水的海洋油氣開發(fā)中。與鉆井隔水管相同，SCR也主要采用API管線鋼，包括X52、X60、X65以及X70等級別，主要采用無縫管和直縫埋弧焊管。

1. 2機械制造用鋼

• 調(diào)質(zhì)鋼

在海洋石油鉆采裝備中眾多零部件均采用了調(diào)質(zhì)鋼。例如：在海洋鉆機中，天車軸、井架軸、絞車軸、變速箱軸、水龍頭中心管、頂驅(qū)螺栓等用40CrNiMoA，泥漿泵液缸用30CrNi2MoVA，井架滑輪軸、頂驅(qū)懸掛套用45CrNiMoVA，轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動銷用42CrMoA等均屬于調(diào)質(zhì)鋼。國內(nèi)鉆機用鋼最初主要仿制前蘇聯(lián)材料，在此基礎(chǔ)上經(jīng)過多年發(fā)展，目前已形成相對完整的國產(chǎn)鉆機用鋼體系。我國新研制的海洋鉆機也基本采用了國內(nèi)牌號。而深水油氣鉆采用防噴器、井口頭、采油樹和閥門等裝備，因其結(jié)構(gòu)及控制系統(tǒng)復(fù)雜，生產(chǎn)技術(shù)難度很大，其生產(chǎn)技術(shù)被美國少數(shù)幾家公司壟斷。因此，這些產(chǎn)品主要執(zhí)行美國材料標準，常用的調(diào)質(zhì)鋼牌號包括AISI4130、AISI4140、AISI4330、AISI4340、AISI8630、AISIF22(UNSK21590)或AISIF22V(UNSK31835)等。水下鉆采裝備用典型調(diào)質(zhì)鋼的主要化學成分見表2。

除上述鍛鋼件外，鑄鋼如ZG35CrMoA、ZG230-450、ZG40CrNiMoA、ZG27CrNi2MoA等也常通過調(diào)質(zhì)處理，以保證材料具有良好的力學性能。ZG35CrMoA主要用作絞車輪轂、頂驅(qū)支座、底座滑輪等；ZG230-450主要用作絞車軸承座；ZG40CrNiMoA主要用作泥漿泵十字頭；ZG27CrNi2MoA主要用于頂驅(qū)的上蓋、殼體等。

• 低碳馬氏體鋼

低碳合金鋼經(jīng)淬火+低溫回火獲得強韌性好的低碳馬氏體，其代替中碳合金調(diào)質(zhì)鋼，可提高零件的承載能力，減輕產(chǎn)品自重。典型案例為20世紀60年代寶雞石油機械廠與大冶鋼廠和西安交通大學合作，研發(fā)了20SiMn2MoVA代替35CrMo制造吊環(huán)、吊卡，大幅度降低了產(chǎn)品自重，顯著提高了零件壽命。當時，國產(chǎn)舊吊環(huán)、吊卡根據(jù)蘇聯(lián)圖紙要求，采用35鋼正火或35CrMo鋼調(diào)質(zhì)制造，材料強度水平很低，致使吊環(huán)、吊卡極為笨重，鉆井工人勞動強度很大。寶雞石油機械廠采用20SiMn2MoVA鋼生產(chǎn)吊環(huán)和吊卡，吊環(huán)自重僅為蘇聯(lián)產(chǎn)品的二分之一到三分之一，而且比美國吊環(huán)也輕得多，其疲勞壽命是美國BJ公司同類產(chǎn)品的1.5倍。吊卡的自重也只有仿蘇產(chǎn)品的二分之一。新型吊環(huán)、吊卡與老式吊環(huán)、吊卡的外形尺寸對比如圖3所示。寶雞石油機械廠用20SiMn2MoVA(淬火低溫回火)代替PCrNi3Mo(淬火中溫回火)，使射孔器的壽命成倍提高，并且節(jié)約材料費30%。

• 滲碳鋼和氮化鋼

不少機械零件要求表面有高的疲勞強度和耐磨性，這就需要進行表面化學熱處理。滲碳鋼和氮化鋼是為適用于滲碳熱處理和氮化熱處理的需要而發(fā)展起來的鋼種。滲碳、滲氮、碳氮共滲可提高硬度、耐磨性及疲勞強度，滲硼、滲鉻可提高耐磨和耐腐蝕性。在海洋石油鉆采裝備零件中最常用的是滲碳、滲氮和碳氮共滲。

海洋石油鉆采裝備零件涉及的滲碳鋼包括頂驅(qū)齒輪和齒輪軸用20Cr2Ni4E、傳動裝置齒輪用20CrMnTi鋼、泥漿泵閥體和閥座用20CrMnMo鋼等；典型的氮化鋼包括變速箱錐齒輪用42CrMoA、轉(zhuǎn)盤軸用40CrNiMoA、變速箱齒輪用35CrMoA等；碳氮共滲鋼包括頂驅(qū)牙板、滾輪用20CrMnTi，防噴器卡瓦用20CrMnTi等。

2.低溫用鋼

通常將各種液化石油氣、液氨、液氧、液氮等生產(chǎn)、儲存容器和低溫環(huán)境服役的輸送管道及管件，稱為低溫容器，制造低溫容器所用的鋼以及在低溫環(huán)境服役的其他裝備用鋼統(tǒng)稱為低溫鋼。目前，國內(nèi)外對低溫用鋼的溫度界限還沒有一個統(tǒng)一的規(guī)定。根據(jù)GB150《固定式壓力容器》，我國低溫壓力容器定義為-20℃以下溫度服役的容器。

目前，低溫鋼大致可分為四類:低碳鋁鎮(zhèn)靜鋼、低溫高強度鋼、鎳系低溫鋼和奧氏體不銹鋼，常用低溫鋼的類型和使用溫度范圍見表3。

海洋石油裝備中主要的低溫鋼有低碳鋁鎮(zhèn)靜鋼、低溫高強度鋼和鎳系低溫鋼，主要應(yīng)用于海底低溫環(huán)境、極地或冬季嚴寒海域、LNG船儲罐系統(tǒng)等。在水深超過1000m的海底，溫度常年維持在0℃附近，要求裝備材料須具有良好的低溫韌性。另外，在北極和冬季寒冷海區(qū)服役溫度極低，尤其是北極海區(qū)最冷月平均氣溫達到-40℃，此環(huán)境下使用的平臺構(gòu)件、管系、閥門等裝備需采用E級(滿足-40℃沖擊要求)甚至是F級別(滿足-60℃沖擊要求)的鋼材。LNG(液化天然氣)液化溫度低達-163℃左右，LNG船儲罐材料一般采用9%Ni鋼。9%Ni鋼低溫下具有良好的強韌性，且合金含量少、價格便宜，已逐步取代Ni－Cr不銹鋼，成為-196℃級低溫設(shè)備和容器的最重要的結(jié)構(gòu)材料，廣泛用于LNG儲罐。

• 低碳鋁鎮(zhèn)靜鋼

這類鋼是以碳-錳為主要元素的低溫鋼。為提高低溫韌性，通過降低鋼中的碳含量，提高Mn/C比，降低P、S等有害元素，加入適量鋁以固定鋼中的氮，細化晶粒，提高鋼的低溫韌性，改善時效性能。美國的ASTMA202、日本的SLAA235也屬于此類鋼。

• 低溫高強度鋼

這類鋼以碳-錳為基，加入少量的鎳鉻提高鋼的低溫韌性，加入少量鉬、鈮提高鋼的強度，盡量減少鋼中的碳含量，以提高鋼的韌性，改善焊接性能，通過調(diào)質(zhì)處理獲得良好的綜合性能。它不但具有高強度，而且具有較好的低溫韌性，因此它是一種強韌性兼?zhèn)涞牟牧希瑥V泛用于制造具有較大壓力的低溫壓力容器。我國在1985～1990年研制的DG50(0.09%～0.15%C、1.00%～1.4%Mn、≤0.60%Ni、≤0.30%Cr、≤0.30%Mo、≤0.06%V，σs≥490MPa、σb:610～755MPa，－46℃時CVN≥47J)、日本的N-TUF50和RIVERACE60L屬此類鋼。

• 鎳系低溫鋼

這類鋼是以鎳為主要合金元素的低溫用鋼。1932年，美國發(fā)明了可在-46℃低溫下使用的2.5%Ni鋼，隨后相繼開發(fā)了3.5%Ni、5%Ni、9%Ni等鎳系低溫鋼。根據(jù)不同的使用溫度確定了不同的鎳含量，形成了2.5%Ni、3.5%Ni、5%Ni、9%Ni等鎳系低溫鋼。隨著鋼中鎳含量的增加，鋼的低溫韌性提高，韌脆轉(zhuǎn)變溫度降低，它主要用于制造-40℃～-196℃下使用的低溫設(shè)備。鎳系低溫鋼的化學成分和主要力學性能要求見表4、5。

3.不銹鋼

我國不銹鋼的牌號標準為GB/T20878，海洋石油裝備中主要采用馬氏體不銹鋼、奧氏體不銹鋼、雙相不銹鋼和沉淀硬化不銹鋼。

海洋石油裝備常用的幾種典型不銹鋼的牌號及化學成分見表6，與其他國家或組織不銹鋼牌號的對照見表7。

• 馬氏體不銹鋼

基體為馬氏體組織，有磁性，通過熱處理可調(diào)整其力學性能的不銹鋼。此類鋼碳含量為0.1%～1.0%，鉻含量為12%～18%，淬透性好，空冷可得到馬氏體。在氧化性介質(zhì)(如大氣、水蒸氣、海水、氧化性酸)中有較好的耐蝕性，而在非氧化性介質(zhì)(如鹽酸、堿溶液等)中耐蝕性很低。海洋石油裝備常用的馬氏體不銹鋼是410、410SS，在CO?腐蝕環(huán)境下具有良好的抗腐蝕能力。F6NM與410、410SS相比，具有更高的抗腐蝕能力，鉬含量的增加改善了抗點蝕能力。

• 奧氏體不銹鋼

基體以面心立方晶體結(jié)構(gòu)的奧氏體組織為主，無磁性，主要通過冷加工使其強化的不銹鋼。奧氏體不銹鋼含有較低的碳(＜0.12%)，含有較高的鉻(17%～25%)和較高的鎳(8%～29%)，由于鎳的加入，擴大了奧氏體區(qū)域，使鋼在室溫下得到單相奧氏體組織，而Cr提高使鋼的耐蝕性比馬氏體不銹鋼更佳。奧氏體不銹鋼不僅具有高的耐蝕性，還有高的塑性、低溫韌性、加工硬化能力與良好的焊接性能。此類鋼的典型鋼種為18-8型奧氏體，如0Cr18Ni9、1Cr18Ni9、1Cr18Ni9Ti等。海洋石油裝備常用的奧氏體不銹鋼是304(0Cr18Ni9)和316L(00Cr17Ni14Mo2)。

• 奧氏體－鐵素體雙相不銹鋼

是在奧氏體不銹鋼的基礎(chǔ)上，調(diào)整Cr、Ni含量，并適當加入Mn、Mo、W、Cu、N等元素而形成雙相組織(其中較少相的含量一般大于15%)，兼有奧氏體不銹鋼和鐵素體不銹鋼的特性。這類鋼具有較好的耐蝕性，還有較高的抗應(yīng)力腐蝕能力、抗晶間腐蝕能力及良好的焊接性能。與鐵素體不銹鋼相比，它的韌性高、韌脆轉(zhuǎn)變溫度低、耐晶間腐蝕和焊接性能顯著提高。與奧氏體不銹鋼相比，其強度水平高，此外耐晶間腐蝕、耐應(yīng)力腐蝕、耐腐蝕疲勞性能顯著提高。海洋石油裝備常用的雙相不銹鋼有2205和2507，用于CO?腐蝕環(huán)境，同時還有高含量Cl-和/或少量H?S。

• 沉淀硬化型不銹鋼

是在1-8型奧氏體不銹鋼基礎(chǔ)上降低了鎳的含量，并加入適量Al、Cu、Mo、P元素，以便在熱處理過程中析出金屬間化合物，實現(xiàn)沉淀硬化。這類鋼的基體為奧氏體或馬氏體組織，可區(qū)分為馬氏體、半奧氏體和奧氏體沉淀硬化不銹鋼3種主要類型。在沉淀硬化不銹鋼中，主要沉淀硬化相包括富銅相-ε相，具有CsCl結(jié)構(gòu)的NiAl金屬間化合物、M23C6、χ相、Laves相、γ‘等，時效相的類型與存在與否和合金成分、熱處理條件等相關(guān)。此類鋼具有高強度、足夠的韌性和適宜的耐蝕性，主要用作高強度、高硬度而又耐腐蝕的零件。海洋石油裝備常用的沉淀硬化型不銹鋼是17-4PH，具有高的強度、硬度和耐腐蝕性能。經(jīng)固溶和時效后屈服強度大于724MPa，能滿足API規(guī)范-60℃低溫沖擊要求，耐蝕性能達到304不銹鋼的水平。

在海洋石油裝備中，馬氏體不銹鋼和雙相不銹鋼可用于水下井口、采油樹、閥門等與井下高腐蝕性流體接觸的承壓件；奧氏體不銹鋼和雙相不銹鋼可用于運送含一定腐蝕介質(zhì)的管線和泵閥等；沉淀硬化不銹鋼一般用于制造耐腐蝕性要求高，同時又要求高強度的零部件，如水下采油樹閥桿、間隔套、圓柱銷等。具體不銹鋼的選材需根據(jù)井下流體H?S/CO?分壓和Cl-含量確定。

4.鎳基和鐵鎳基耐蝕合金

純鎳除具有良好的強度、塑韌性外，在鹵族元素及其氫化物活潑氣體、不含氧和氧化劑的還原性酸性介質(zhì)中還具有良好的耐蝕性，因此純鎳作為耐蝕金屬材料得以應(yīng)用。由于提高耐蝕性的Cr、Mo、W、Cu、Si等元素在鎳中的溶解度遠大于在鐵中的溶解度，因此可通過合金化，發(fā)展了一系列上述元素含量較高的鎳基和鐵鎳基耐蝕合金。鐵鎳基合金含鎳30%～50%且鎳與鐵總量不小于60%，鎳基合金含鎳量不小于50%。耐蝕合金根據(jù)強化特征，可分為固溶強化型合金和時效硬化型合金;根據(jù)成型方式，可分為變形耐蝕合金和鑄造耐蝕合金。鎳基耐蝕合金按不同的合金體系，可分為Ni-Cu、Ni-Cr-Fe、Ni-Mo、Ni-Cr-Mo、Ni-Cr-Mo-W、Ni-Cr-Mo-Cu等類型;鐵鎳基耐蝕合金可分為Ni-Fe-Cr、Ni-Fe-Cr-Mo、Ni-Fe-Cr-Mo-Cu等類型。國外耐蝕合金的主要產(chǎn)品有Monel(蒙乃爾)合金、Inconel合金、Incoloy合金、Hastelloy(哈氏)合金等。Monel合金是Ni-Cu合金，為Ni、Cu以任意比例混合形成的固溶體。Inconel合金為含鐵量較低的Ni-Cr系鎳基合金;而Incoloy合金為含鐵量較高的Ni-Fe-Cr系鐵鎳基合金。Hastelloy合金是以Cr、Mo為主要合金元素的超低碳Ni-Cr-Mo系合金，包括A、B、C、D、F、G、N、W、X等系列。

海洋石油裝備使用的幾種典型鎳基和鐵鎳基合金牌號、化學成分和應(yīng)用舉例見表8，不同國家耐蝕合金牌號對照見表9。

在海洋石油裝備材料中，當不銹鋼材料的耐腐蝕性能無法滿足工況要求時，則需選用具備更高耐蝕性能的鐵鎳基合金和/或鎳基合金。一般情況下，鎳基和鐵鎳基合金用于制造符合APIApec6A與17D規(guī)范的HH級井口裝置和采油樹零部件。材料牌號的具體選用與腐蝕介質(zhì)的溫度、介質(zhì)中H?S和CO?分壓、pH值、氯化物濃度以及硫元素是否存在等有關(guān)，按照NACEMＲ0175選材有三種途徑，分別為：標準推薦表選擇、實驗室評價和現(xiàn)場實際經(jīng)驗。

5.有色金屬材料

在海洋石油開發(fā)中，為獲得更加輕量化、壽命更長的石油裝備構(gòu)件，有色金屬材料得以廣泛應(yīng)用。海洋石油裝備中常用的有色金屬材料包括鈦合金、鋁合金、銅合金等。

• 鈦合金

與鋼鐵、不銹鋼、銅、鋁等常用材料相比，鈦材最突出的特點是密度低，比強度高，耐蝕性強。同時還具有耐海水沖刷，無磁性，無冷脆性，高透聲系數(shù)，較好成形、鑄造、焊接性能等，使它對各類海洋工程有廣泛的適用性。目前，美國、俄羅斯和中國等先后開發(fā)出了約50種海洋工程用鈦合金，表10列出了常用海洋工程裝備用鈦合金的牌號及相應(yīng)的性能。

鈦及其合金是升級海洋資源開發(fā)裝備，提升海洋資料開發(fā)能力的理想結(jié)構(gòu)材料。在海洋石油開發(fā)方面，鈦合金主要應(yīng)用于隔水管、錐形應(yīng)力接頭、連續(xù)管、增壓管道、鉆具提升裝置、海水管路系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、滅火系統(tǒng)等。其中TC4(Ti-6Al-4V)在海洋油氣工程中應(yīng)用較多，尤其是采用β鍛造技術(shù)鍛造的Ti-6Al-4VELI合金的平面斷裂韌性和應(yīng)力腐蝕斷裂韌性高于普通Ti-6Al-4V，得到了更為廣泛的應(yīng)用。美國北海油氣挪威分部的半潛式平臺大量使用了Ti-6Al-4VELI(Gr23)鈦合金管代替鋼管制作隔水管，如圖4所示，降低整個系統(tǒng)重量達50%，從而降低提升力63%，系統(tǒng)成本降低40%，服務(wù)年限達25年之久。由Ti－6Al－4V(Gr5)鈦合金制成的超深井鉆桿，垂直深度可達9200mm。鈦合金鉆桿代替鋼鉆桿后，鉆具起吊力減少30%，扭矩降低30%～40%。井下作業(yè)連續(xù)管通常采用Gr2、Gr7、Gr9、Gr12、Gr18、Gr28等6種鈦和鈦合金管焊接制造，目前最大外徑63.6mm。連續(xù)管鉆井可以使得鉆井成本降低很多，采用鈦合金連續(xù)管，連續(xù)管的疲勞壽命和腐蝕疲勞壽命也大大延長。

• 鋁合金

鋁及鋁合金具有密度小，耐腐蝕，無磁性，良好的成型性和焊接性等優(yōu)點，應(yīng)用鋁合金可提高海洋石油裝備的性價比。純鋁硬度及強度一般較低，不適宜制作受力的機械零構(gòu)件。鋁及其合金在海洋油氣開發(fā)中的應(yīng)用較為廣泛，主要有:鋁合金鉆桿、鋁合金平臺、鋁合金直升機停機坪、鋁合金海上生活套間、鋁合金隔水管、鋁合金LNG球罐(Moss球罐)等。

1962年，俄羅斯即開始使用鋁合金鉆桿。鋁合金鉆桿由于其重量輕、強度重量比高(強度重量比是普通鋼的1.5～2倍)、抗腐蝕性強、延展性好、與井壁的摩阻小和無磁性等優(yōu)點，在深井、超深井、深水平井和大位移井中具有廣泛應(yīng)用前景。美國、法國、德國和日本等國也開發(fā)了不同規(guī)格和用途的鋁合金鉆桿。1957年，在委內(nèi)瑞拉的馬拉開波湖，世界上第一個使用在高腐蝕地區(qū)的鋁合金石油鉆井平臺出現(xiàn)。2004年，巴西卡姆波斯巴欣公司建造了首臺全鋁石油平臺。20世紀90年代鋁焊接技術(shù)的進步，出現(xiàn)了全鋁結(jié)構(gòu)停機坪，大大減輕了重量，同時降低了成本。2008年，新加坡開發(fā)了直徑22.2m的全鋁直升機停機坪。此外，鋁合金也用于制作海上生活單元等，如圖5所示。目前，在LNG船上，Moss球罐已多采用5083鋁合金材料，5083是一種Al-Mg合金，其具備良好的低溫斷裂韌性和裂紋擴展傳播特征，Moss球罐即使產(chǎn)生了裂縫，裂縫擴展速度也非常緩慢，產(chǎn)生的泄漏也非常輕微。一艘Moss型LNG船大約需要2800t～3100t的5083鋁合金板。

• 銅合金

銅及其合金具有優(yōu)良的力學性能、耐海水腐蝕及沖刷腐蝕、耐海洋生物腐蝕性能、導(dǎo)熱性能等，在海洋工程中有著非常關(guān)鍵的作用。按照化學成分，銅合金可分為黃銅、青銅和白銅。黃銅是以鋅為主加元素的銅合金。白銅是以Ni為主加元素的銅合金。作為結(jié)構(gòu)件，白銅常用于制造海水管道、儀表零件、冷凝器、熱交換器等。除黃銅、白銅之外的其他銅合金統(tǒng)稱為青銅。根據(jù)主加元素，如Sn、Al、Si、Be等，分別稱為錫青銅、鋁青銅、硅青銅、鈹青銅。錫青銅在海水中耐蝕性超過純銅、黃銅，常被用于彈性元件、軸承等耐磨零件、抗磁及耐蝕零件。鋁青銅的強度、硬度、耐磨性、耐熱性、耐蝕性均高于黃銅、錫青銅，主要應(yīng)用于高強度、耐磨和耐蝕零件，如齒輪、軸承、閥座、螺旋槳等。鈹青銅具有強的沉淀強化效應(yīng)，經(jīng)淬火和時效，鈹青銅具有高的強度、硬度、耐磨性、抗蝕性等，常用作彈簧、海底連接件、螺線管等。

在海洋油氣開發(fā)中，由于具有良好的抗污性及耐蝕性，Cu-Ni合金包覆海洋平臺，被證明是避免或減緩飛濺區(qū)腐蝕的理想選擇。銅合金也被用于平臺海水管道、鉆頭組件、閥門組件等。海水管道和油氣平臺包覆層一般均選用Cu-Ni合金，以C70600(美國牌號，Cu-10Ni-1.5Fe-Mn)為代表，其具有優(yōu)良的加工性能、可焊性和力學性能，同時具備優(yōu)良的耐海水腐蝕、耐海生物腐蝕、耐應(yīng)力腐蝕和耐疲勞腐蝕性能等，成為了海洋油氣用銅合金的主流材料。

此外，在海洋石油工程中，有色金屬陰極保護系統(tǒng)也常用于油氣裝備的腐蝕與防護，經(jīng)濟效益明顯。常用的犧牲陽極體系包括鎂基犧牲陽極、鋅基犧牲陽極和鋁基犧牲陽極。

6.海洋石油裝備用非金屬材料

• 無機非金屬材料

無機非金屬材料在海洋油氣開發(fā)中主要被用于離岸混凝土平臺。混凝土平臺具有制造周期短、安裝及維護費用低、抗海浪沖擊及冰凍擠壓能力強等優(yōu)點，在海洋平臺中占有了一席之地，如圖6所示。1973年，在北海油田建成了世界第一座海上巨型混凝土儲油平臺，自此拉開了混凝土平臺建設(shè)的序幕。截止2012年，全球共建成離岸混凝土平臺52座。離岸混凝土平臺要求混凝土材料具有高的強度、良好的耐久性和可構(gòu)造性，因此海工混凝土對水泥、硅灰、骨料、化學外加劑、海砂等材料都有更為嚴格的要求。高強度輕質(zhì)混凝土技術(shù)是目前發(fā)達國家在海洋工程中應(yīng)用中的主流技術(shù)，能滿足海洋工程應(yīng)用中對混凝土輕量化、大型化、大跨化、重載化以及耐久化等諸多方面的要求。采用高強度輕質(zhì)混凝土材料用于平臺建造，可降低前期造價和后期維護費用約30%。

• 高分子材料

高分子材料主要用在防噴器膠芯、鉆采裝備用密封件、柔性管用聚合物材料、防腐涂料等。環(huán)形防噴器膠芯采用的橡膠材料有丁腈橡膠、氯丁橡膠、天然橡膠等。閘板防噴器膠芯以及鉆采裝備密封件主要使用丁腈橡膠、氰化丁腈橡膠。高分子材料在柔性管中的應(yīng)用十分廣泛，其中可用到的熱塑性塑料包括高密度聚乙烯、交聯(lián)聚乙烯、聚酰胺和聚偏氟乙烯、氯化聚乙烯等，橡膠材料有丁腈橡膠、氫化丁腈橡膠、天然橡膠、氯丁橡膠、乙烯丙烯二烴單體橡膠等。

• 復(fù)合材料

復(fù)合材料作為新型結(jié)構(gòu)功能材料，具有重量輕、比強度和比模量高、阻尼性能好、耐疲勞、耐化學腐蝕、耐磨性好、熱膨脹系數(shù)低等優(yōu)點，成為海洋油氣開發(fā)的重要選擇之一。復(fù)合材料在海洋油氣開發(fā)中的應(yīng)用包括海洋平臺系泊纜繩、隔水管、抽油桿、柔性管及管道等。

對于深海石油平臺，采用復(fù)合材料可大幅度減輕構(gòu)件的重量。用碳纖維增強復(fù)合材料制成的平臺系泊纜繩可用于3000m的深海油田；用碳纖和玻纖混雜增強環(huán)氧樹脂制成的隔水管具有非常高的比強度和比剛度；水下輕質(zhì)復(fù)合材料可用于隔水管浮力塊、浮筒、浮纜等。20世紀90年代，美國開始研制復(fù)合材料抽油桿，抽油桿通常增強相為ThornelTMT－30012K碳纖維，基體相為環(huán)氧樹脂，具有以下優(yōu)點：質(zhì)量輕，高比強度和高比模量，減重節(jié)能效果顯著，且適合深井采油;柔韌性優(yōu)異，適合盤繞和運輸，操作方便；耐疲勞，大大延長了使用壽命。在管道方面，玻璃鋼管、復(fù)合增強管(ＲTP)以及雙金屬復(fù)合管等均可用于海洋油氣開發(fā)中。玻璃鋼管是通過玻璃纖維增強環(huán)氧樹脂，質(zhì)量輕且耐腐蝕，已應(yīng)用于海洋石油平臺的管道設(shè)施。復(fù)合增強管由內(nèi)層(聚乙烯、聚丙烯)、增強層(聚酯纖維、芳綸纖維或高強鋼絲)及外部耐磨層(聚乙烯)組成，韌性好，強度高，可用于海洋油氣的集輸。雙金屬復(fù)合管是由雙層金屬組成的復(fù)合管，內(nèi)層一般為不銹鋼或耐蝕合金，外層為普通鋼管，通過機械或冶金方法復(fù)合而成?；茇撠煶袎阂约疤峁﹦傂灾?，內(nèi)管承擔耐腐蝕作用，可用于含H?S、CO?以及Cl-等腐蝕介質(zhì)油氣的輸送，常用作油田內(nèi)部集輸管及剛性跨接管。此外，柔性管是海洋油氣開發(fā)中廣泛應(yīng)用的復(fù)合材料管，其是由骨架層、內(nèi)護套、耐磨層、鎧裝層及外層護套等組成的多層結(jié)構(gòu)，常用作海洋立管及柔性跨接管等。

三、海洋石油裝備材料發(fā)展建議

結(jié)合海洋石油裝備材料的發(fā)展現(xiàn)狀、國內(nèi)外差距及應(yīng)用需求，提出如下幾點發(fā)展建議。

1.對于平臺用鋼板、型鋼和鋼管，應(yīng)提高國內(nèi)生產(chǎn) 質(zhì)量水平，生產(chǎn)商應(yīng)該嚴格按照規(guī)格書和相關(guān)規(guī)范的要求提供合格產(chǎn)品，嚴格按照相關(guān)質(zhì)量控制標準和驗貨標 準加強生產(chǎn)過程、驗貨過程和施工過程的質(zhì)量控制。

2.進一步提升我國海洋平臺用鋼的國產(chǎn)化率，加強目前仍需進口的鋼材品種開發(fā)，包括滿足-60℃低溫韌性要求的F級高強度鋼，屈服強度達到620 MPa、690MPa級別的超高強度鋼，適用于極地作業(yè)的海工平臺FH級別鋼材(FH32、FH36、FH40) ，以及部分特殊鋼材( 齒條鋼、懸臂梁用鋼、殷瓦鋼、雙相不銹鋼等) 。

3.國內(nèi)目前海洋石油裝備關(guān)鍵零部件用合金鋼及耐蝕合金品種較少，未建立完整的材料標準體系。因此，我國在海洋裝備用合金鋼和耐蝕合金方面應(yīng)加大開發(fā)力度，細化產(chǎn)品序列，建立我國海洋裝備用合金鋼和 耐蝕合金的應(yīng)用體系。建議由國內(nèi)材料生產(chǎn)企業(yè)進行攻關(guān)并結(jié)合我國南海海域的特點進行有針對性地開發(fā)，形成國產(chǎn)化產(chǎn)品的技術(shù)標準體系。

4.在海底油氣管道主要用材(低碳微合金鋼管)發(fā)展方面，抗大變形、高疲勞性能、大t/D 比、高尺寸精度等海底管線鋼管，以及高效焊接技術(shù)和高性能焊材開發(fā)是 未來海底管道低碳微合金鋼管材料發(fā)展的主要方向。

5.在海底油氣管道非金屬材料發(fā)展方面，主要的發(fā)展方向是柔性管和非金屬復(fù)合管。對于柔性管，考慮到目前國外生產(chǎn)商壟斷了世界上絕大部分的市場份額，柔 性管的生產(chǎn)具有大量的知識產(chǎn)權(quán)保護，建議加強對柔性管設(shè)計、生產(chǎn)裝備的研究，提高柔性管的自主開發(fā)和制造能力。

6.鈦合金具有高比強度、耐腐蝕和抗疲勞等優(yōu)異的性能，被稱為“深海金屬”，但在我國海洋石油天然氣領(lǐng)域的應(yīng)用卻非常少。因此，加強海洋石油天然氣領(lǐng)域的 鈦合金產(chǎn)品開發(fā)與應(yīng)用具有重要的意義，尤其應(yīng)重點開發(fā)鈦合金作為內(nèi)層的雙金屬復(fù)合管、鈦合金立管和鈦合金錐形應(yīng)力節(jié)點等產(chǎn)品。

好了，這篇文章的內(nèi)容發(fā)貨聯(lián)盟就和大家分享到這里，如果大家網(wǎng)絡(luò)推廣引流創(chuàng)業(yè)感興趣，可以添加微信：80709525  備注：發(fā)貨聯(lián)盟引流學習； 我拉你進直播課程學習群，每周135晚上都是有實戰(zhàn)干貨的推廣引流技術(shù)課程免費分享！