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      1. 耐蝕鋼和耐蝕合金在油氣行業的應用前景
        2019-06-06 13:17:30 作者:王元 來源:《腐蝕防護之友》 分享至:

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        盡管我們努力推廣可再生資源,但是,未來幾十年石油和天然氣仍將是能源的主力軍。由于傳統的可用資源大多已經枯竭,不得不開發更難于開采油氣田,為了滿足油氣需求的快速增長,必須在現有的油氣田使用更先進的收集方式。油氣易開采的時代已經結束。


        過去幾十年,海上石油開采平臺的油氣產量在總產量中所占的份額大幅增加,超深水開采的快速發展有望在今后保持增長勢頭。油氣開采的難度不斷加大,因為工作環境日趨苛刻,例如,溫度、壓力更高,高 CO 2 的酸性環境(硫化氫含量高)。在這些苛刻條件下,為了保證油氣的正常生產,更重要的是安全生產,必須要有先進的技術、良好的設備和高性能材料。


        這正是耐蝕合金的用武之地,因為它們更能滿足越來越嚴格的開采和生產要求。因此,油氣上游產業對合金鋼、不銹鋼和鎳合金的需求大幅增長,而且這一趨勢還將繼續下去。用于油氣行業的耐蝕合金的種類及選擇最具代表性的耐蝕合金是不銹鋼和鎳合金。除典型的耐蝕合金外,特殊合金鋼在油氣行業的使用也很廣泛。合金鋼和不銹鋼占總用量的 95%,鎳合金雖然只占 5%,但卻占總價值的 25%。耐蝕合金的需求和選擇取決于生產 / 儲存環境(按重要性分類):


        ·腐蝕性(硫化氫、二氧化碳、氯化物)

         

        ·溫度

         

        ·壓力

         

        腐蝕工程師計算出預期的年腐蝕速率,然后再乘以設計壽命。當預期的腐蝕量超過一定的值,可以選用耐蝕合金,也可以選用碳鋼,不過要增加壁厚。除了使用整體的耐蝕合金材料外,還可以在碳鋼或合金鋼表面進行耐蝕合金復合或堆焊。另一種防腐措施是化學抑制劑或陰極保護。


        在以安全為第一要素的同時,材料選擇還決定于計算的壽命周期成本。雖然耐蝕合金的初期投入較大,但相對于整個壽命周期而言可能是較經濟的選擇,這樣可以降低更換次數,減少維護,而且不需要化學抑制劑。油氣項目用鋼的選擇順序為,碳鋼→合金鋼→ 13Cr馬氏體不銹鋼→ 300 系不銹鋼→雙相鋼(22Cr)→超級雙相不銹鋼(25Cr)→ 28Cr(合金 28)→ Ni 合金→鈦合金。在條件允許的情況下盡量使用碳鋼和合金鋼,因為它們的成本最低。


        不過,隨著工作環境的惡化,必須逐步選擇更高牌號的材料,耐蝕合金是不可替代的。下面更具體介紹了油氣行業用途最廣的鋼種:


        ·合金鋼:4145H,4130,4140,4330,8630,F22

         

        ·馬氏體不銹鋼:13Cr,Super13Cr,410,420,F6NM

         

        ·奧氏體不銹鋼:316,304,321,317L,Nitronic 50/60,904L254SMO(6Mo)

         

        ·雙相不銹鋼:2205,2507,LDX2101

         

        ·PH 鋼:17-4,15-5,13-8

         

        ·鎳合金:825,625,718,925,合金 28

         

        ·無磁鋼:特殊鉻錳奧氏體鋼

         

        耐蝕合金的各種產品類型都需要,包括3D鍛件、軋制環、鍛造和軋制棒材、無縫管和焊管,復合管、厚板及板帶。耐蝕合金在油氣行業的應用特殊合金鋼和耐蝕合金用途廣泛,特別是海上生產。它們可以用作鉆柱、管道、套管、井下完井設備、井口裝置、防噴裝置、水下采油樹、管匯、冒口系統、出油管、跨接線、臍管、閥門、泵、水上加工設備等。以下為一些應用實例:


        定向和水平鉆孔部件,采用特殊非磁性鋼在精密旋轉鍛壓機上鍛造,再進行機加工。底孔組件包括鉆環、MWD和 LWD 工具、井下動力鉆具和鉆頭。


        無縫管用于管道和套管(OCTG)。根據流體成分可以選擇 13Cr、超級雙相不銹鋼或鎳合金。需要經過冷加工處理提高強度。


        復合焊管成本低,可以替代耐蝕合金管、出油管、輸送管道和鋼懸鏈立管。復合管采用碳鋼母管和耐蝕合金(如316L、825、625)襯管。復合方法有冶金或機械復合兩種技術。


        軟管可以替代剛性出油管和立管。骨架采用冷軋卷板。常用鋼種有 316L、經濟型雙相、雙相和超級雙相不銹鋼。


        大型鍛件,例如防噴裝置和水下采油樹。通常由合金鋼(F22,8630,4130)制成,為了防止腐蝕,濕區部分要采用鎳合金堆焊。小型鍛件,如閥體,也多采用雙相不銹鋼。


        大口徑薄壁焊管用于 LNG 管道(主要是 304L 和 316L)。LNG 低溫輸送管線 采 用 Invar( 合 金 36) 或 9% 鎳 鋼。Invar 也可用于 LNG 運輸船的薄膜。


        宏觀趨勢和推動力耐蝕合金在全球油氣行業的應用受到兩股完全不同的力量的推動:美國的陸地頁巖油氣和全球海上油氣田(特別是深水),這兩個領域差異很大,但發展速度都很快。過去 5 年,鉆井和完井技術的巨大進步使美國陸地頁巖氣的生產經歷了爆炸性增長。水平鉆井和水力壓裂技術的發展釋放了以前無法獲取的資源,改變了美國陸地資源市場,在不到 10 年的時間內美國水平鉆井架所占比例從 10% 提高到 60% 以上。面對底孔設備承受的變形加上頁巖氣的腐蝕性和高壓頁巖油,鉆機必須采用優質材料。


        在多種因素的助推下,耐蝕合金在海上,特別是深海的用量已經超過了需求基線。2013 ~ 2017 年海上項目投資將達到 1.2 萬億,比前 5 年增加 57%。深海項目的投資將超過 8000 億美元,比前 5 年增加 60%。深海項目投資主要來自兩個方面,一是美國墨西哥灣、非洲和巴西的深海和超深海開采;二是天然氣開采,特別是亞洲陸地和浮動設備的 LNG 生產。對于新的深海和超深海開發項目,生產企業所面臨的儲層壓力和溫度更高,同時他們也在了解現有深海和超深海尖端開發項目的經驗和教訓。由于加強了對現有設備的安全性和運行數據的關注,主要石油企業和大型國家石油公司要求旗下的生產企業為海下設備選用更高牌號的材料。


        由于井口壓力達到了 1.5 萬 psi,甚至更高,井流溫度達到 350℃,腐蝕導致的污染,包括二氧化碳和硫化氫,所有不銹鋼和鎳合金等高品質材料的需求量還將繼續增長。


        盡管頁巖氣快速發展已經大幅降低了美國的天然氣價格,但是亞洲市場(包括中國、日本、韓國和印度)對能源需求的快速增長,以及對核能的擔憂使那里的 LNG 價格上漲。LNG 需求增長促使大批資金投入新建和擴建 LNG 項目,2013 ~ 2017 年 LNG 的新增產能將達到2 億 t/ 年。其中大多數天然氣來自海上平臺,液化在陸地或浮動裝置上完成。


        雖然目前大多數 LNG 項目都是在較淺水域(500m 之內),但是多數海上 LNG采用水下技術,包括未處理井流的長距離錨桿。很多時候氣體中含有很多雜質,使與井流接觸的鋼材處于強腐蝕環境。另外澳大利亞等地區的環保條例非常嚴格,設備必須達到長壽命,終身免維護。這就要求生產企業選用高品質材料,包括海底設備和管道采用鎳合金復合材料或整體不銹鋼管。


        在海上和頁巖氣開采的雙重推動下,油氣行業將加大不銹鋼和特殊鋼用量,迎接技術挑戰,開采已探明的資源。對于那些愿意按照油氣行業的嚴格標準投入時間和資源的生產企業,擴大銷量的機會比比皆是。

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