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耐蚀钢和耐蚀合金在油气行业的应用前景

作者: 来源: 日期:2019-7-11 9:59:51

尽管我们努力推广可再生资源,但是,未来几十年石油和天然气仍将是能源的主力军。由于传统的可用资源大多已经枯竭,不得不开发更难于开采油气田,为了满足油气需求的快速增长,必须在现有的油气田使用更先进的收集方式。油气易开采的时代已经结束。

过去几十年,海上石油开采平台的油气产量在总产量中所占的份额大幅增加,超深水开采的快速发展有望在今后保持增长势头。油气开采的难度不断加大,因为工作环境日趋苛刻,例如,温度、压力更高,高CO2的酸性环境(硫化氢含量高)。在这些苛刻条件下,为了保证油气的正常生产,更重要的是安全生产,必须要有先进的技术、良好的设备和高性能材料。

这正是耐蚀合金的用武之地,因为它们更能满足越来越严格的开采和生产要求。因此,油气上游产业对合金钢、不锈钢和镍合金的需求大幅增长,而且这一趋势还将继续下去。用于油气行业的耐蚀合金的种类及选择最具代表性的耐蚀合金是不锈钢和镍合金。除典型的耐蚀合金外,特殊合金钢在油气行业的使用也很广泛。合金钢和不锈钢占总用量的95%,镍合金虽然只占5%,但却占总价值的25%。耐蚀合金的需求和选择取决于生产/储存环境(按重要性分类):

·腐蚀性(硫化氢、二氧化碳、氯化物)

·温度

·压力

腐蚀工程师计算出预期的年腐蚀速率,然后再乘以设计寿命。当预期的腐蚀量超过一定的值,可以选用耐蚀合金,也可以选用碳钢,不过要增加壁厚。除了使用整体的耐蚀合金材料外,还可以在碳钢或合金钢表面进行耐蚀合金复合或堆焊。另一种防腐措施是化学抑制剂或阴极保护。

在以安全为第一要素的同时,材料选择还决定于计算的寿命周期成本。虽然耐蚀合金的初期投入较大,但相对于整个寿命周期而言可能是较经济的选择,这样可以降低更换次数,减少维护,而且不需要化学抑制剂。油气项目用钢的选择顺序为,碳钢→合金钢→13Cr马氏体不锈钢→300系不锈钢→双相钢(22Cr)→超级双相不锈钢(25Cr)→28Cr(合金28)→Ni合金→钛合金。在条件允许的情况下尽量使用碳钢和合金钢,因为它们的成本最低。

不过,随着工作环境的恶化,必须逐步选择更高牌号的材料,耐蚀合金是不可替代的。下面更具体介绍了油气行业用途最广的钢种:

·合金钢:4145H,4130,4140,4330,8630,F22

·马氏体不锈钢:13Cr,Super13Cr,410,420,F6NM

·奥氏体不锈钢:316,304,321,317L,Nitronic 50/60,904L254SMO(6Mo)

·双相不锈钢:2205,2507,LDX2101

·PH钢:17-4,15-5,13-8

·镍合金:825,625,718,925,合金28

·无磁钢:特殊铬锰奥氏体钢

耐蚀合金的各种产品类型都需要,包括3D锻件、轧制环、锻造和轧制棒材、无缝管和焊管,复合管、厚板及板带。耐蚀合金在油气行业的应用特殊合金钢和耐蚀合金用途广泛,特别是海上生产。它们可以用作钻柱、管道、套管、井下完井设备、井口装置、防喷装置、水下采油树、管汇、冒口系统、出油管、跨接线、脐管、阀门、泵、水上加工设备等。以下为一些应用实例:

·定向和水平钻孔部件,采用特殊非磁性钢在精密旋转锻压机上锻造,再进行机加工。底孔组件包括钻环、MWD和LWD工具、井下动力钻具和钻头。

·无缝管用于管道和套管(OCTG)。根据流体成分可以选择13Cr、超级双相不锈钢或镍合金。需要经过冷加工处理提高强度。

·复合焊管成本低,可以替代耐蚀合金管、出油管、输送管道和钢悬链立管。复合管采用碳钢母管和耐蚀合金(如316L、825、625)衬管。复合方法有冶金或机械复合两种技术。

·软管可以替代刚性出油管和立管。骨架采用冷轧卷板。常用钢种有316L、经济型双相、双相和超级双相不锈钢。

·大型锻件,例如防喷装置和水下采油树。通常由合金钢(F22,8630,4130)制成,为了防止腐蚀,湿区部分要采用镍合金堆焊。小型锻件,如阀体,也多采用双相不锈钢。

·大口径薄壁焊管用于LNG管道(主要是304L和316L)。LNG低温输送管线采用Invar(合金36)或9%镍钢。Invar也可用于LNG运输船的薄膜。

宏观趋势和推动力耐蚀合金在全球油气行业的应用受到两股完全不同的力量的推动:美国的陆地页岩油气和全球海上油气田(特别是深水),这两个领域差异很大,但发展速度都很快。过去5年,钻井和完井技术的巨大进步使美国陆地页岩气的生产经历了爆炸性增长。水平钻井和水力压裂技术的发展释放了以前无法获取的资源,改变了美国陆地资源市场,在不到10年的时间内美国水平钻井架所占比例从10%提高到60%以上。面对底孔设备承受的变形加上页岩气的腐蚀性和高压页岩油,钻机必须采用优质材料。

在多种因素的助推下, 耐蚀合金在海上,特别是深海的用量已经超过了需求基线。2013~2017年海上项目投资将达到1.2万亿,比前5年增加57%。深海项目的投资将超过8000亿美元,比前5年增加60%。深海项目投资主要来自两个方面,一是美国墨西哥湾、非洲和巴西的深海和超深海开采;二是天然气开采,特别是亚洲陆地和浮动设备的LNG生产。对于新的深海和超深海开发项目,生产企业所面临的储层压力和温度更高,同时他们也在了解现有深海和超深海尖端开发项目的经验和教训。由于加强了对现有设备的安全性和运行数据的关注,主要石油企业和大型国家石油公司要求旗下的生产企业为海下设备选用更高牌号的材料。

由于井口压力达到了1.5万psi,甚至更高,井流温度达到350℃,腐蚀导致的污染,包括二氧化碳和硫化氢,所有不锈钢和镍合金等高品质材料的需求量还将继续增长。

尽管页岩气快速发展已经大幅降低了美国的天然气价格,但是亚洲市场(包括中国、日本、韩国和印度)对能源需求的快速增长,以及对核能的担忧使那里的LNG价格上涨。LNG需求增长促使大批资金投入新建和扩建LNG项目,2013~2017年 LNG的新增产能将达到2亿t/年。其中大多数天然气来自海上平台,液化在陆地或浮动装置上完成。虽然目前大多数LNG项目都是在较浅水域(500m之内),但是多数海上LNG采用水下技术,包括未处理井流的长距离锚杆。很多时候气体中含有很多杂质,使与井流接触的钢材处于强腐蚀环境。另外澳大利亚等地区的环保条例非常严格,设备必须达到长寿命,终身免维护。这就要求生产企业选用高品质材料,包括海底设备和管道采用镍合金复合材料或整体不锈钢管。

在海上和页岩气开采的双重推动下,油气行业将加大不锈钢和特殊钢用量,迎接技术挑战,开采已探明的资源。对于那些愿意按照油气行业的严格标准投入时间和资源的生产企业,扩大销量的机会比比皆是。


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