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國(guó)外海洋工程用超級(jí)耐蝕合金

發(fā)布日期:2019-05-06

與陸地油氣開采相比,海洋環(huán)境洋流變化劇烈、海水溫度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 H2S,CO2和 Cl-等的含量普遍較高,海底微生物種類復(fù)雜,化學(xué)腐蝕和微生物腐蝕能力都很強(qiáng)。因此,海洋油氣開采平臺(tái)用特殊鋼材料如不銹鋼、耐蝕合金等普遍要求高耐蝕、高強(qiáng)高韌和高耐磨等性能特點(diǎn)。國(guó)外先進(jìn)的海洋油氣資源鉆采、加工、輸運(yùn)等環(huán)節(jié)均應(yīng)用了大量的超級(jí)不銹鋼和耐蝕合金材料。所謂的“超級(jí)”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 合金化或變形工藝強(qiáng)韌化的一類高性能不銹鋼材料,如超級(jí)奧氏體、超級(jí)鐵素體、超級(jí)雙相不銹鋼以及鎳基或鐵鎳基耐蝕合金等。

 

與海洋平臺(tái)用微合金化結(jié)構(gòu)鋼材料不同,海洋平臺(tái)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(jí)不銹鋼或耐蝕合金材料,一般都具有高耐點(diǎn)蝕當(dāng)量、高純凈度以及 N 合金化等特點(diǎn)。使用這些高合金材料制備的海洋平臺(tái)典型件如儲(chǔ)運(yùn)、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(qiáng)度、高耐蝕性或兼而有之。通常而言,耐蝕性和強(qiáng)度是海洋平臺(tái)用特殊鋼材料的兩個(gè)關(guān)鍵性能指標(biāo)。目前國(guó)外海洋平臺(tái)用先進(jìn)特殊鋼鋼種主要包括超級(jí)奧氏體不銹鋼、超級(jí)鐵素體不銹鋼、高強(qiáng)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(jì)不同而性能各有所長(zhǎng)。

 

(1) 高 Mo 含量的 Cr-Ni-Mo 超級(jí)奧氏體不銹鋼。對(duì)于超級(jí)奧氏體不銹鋼而言,普遍具有較高的 Cr 和 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,其耐點(diǎn)蝕當(dāng)量 PREN 值( Cr + 3. 3Mo + 16N) 一般都達(dá)到 30 以上,部分材料甚至高達(dá) 50 以上,這確保了此類材料優(yōu)異的耐蝕性能; 同時(shí)合理的 N 合金化使其兼具了較高的強(qiáng)度和塑韌性。

 

(2) 鎳基或鐵鎳基耐蝕合金。對(duì)于鎳基或鐵鎳基耐蝕合金來說,其 Cr,Ni 和 Mo 元素含量更高,在熱帶水域和離子介質(zhì)復(fù)雜的條件下比超級(jí)奧氏體不銹鋼具有更為突出的耐局部腐蝕及耐應(yīng)力腐蝕性能??蓮V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(jī)等工礦條件。

 

(3) 高氮奧氏體不銹鋼。極高的 N 元素含量大幅度提升了材料的強(qiáng)度指標(biāo),使其具有高溫條件下顯著優(yōu)異的強(qiáng)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(shí)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)良的耐局部腐蝕性能,Cr 含量的不斷提升以及 C 元素的進(jìn)一步降低,改善了材料的耐晶間腐蝕性能。

 

高性能的海洋平臺(tái)用特殊鋼材料在國(guó)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(guó) 蒂 森 克 虜 伯 ( ThyssenKrupp ) 、芬 蘭 奧 托 昆 普( Outokumpu ) 、日 本 冶 金 ( Yakin ) 、美 國(guó) 阿 里 根 尼( ATIAllegheny) 、美 國(guó) 特 種 金 屬 ( SMC) 、奧 地 利 伯 樂( Bohler) 、美國(guó)卡朋特( Carpenter) 等,其中有代表性的是海洋油氣資源開發(fā)工程用高性能 Cr-Ni-Mo-N 體系超級(jí)奧氏體不銹鋼和耐蝕合金材料。

 

 

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