與陸地油氣開(kāi)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(lèi)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(kāi)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 金化或變形工藝強(qiáng)韌化的一類(lèi)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。

一、國(guó)外用材情況

1、材料分類(lèi)及主要性能

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(mǎn)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(wú)磁不銹鋼、鎳基和鐵鎳基耐蝕合金等，這幾類(lèi)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、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(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(lèi)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(lái)說(shuō)，其 Cr、Ni、Mo 合金含量更高，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、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(jī)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(qiáng)度指標(biāo)，使其具有室高溫條件下顯著優(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(lái)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(jìn)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(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(chǎng)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(lè)（Bohler）、美國(guó)卡朋特（Carpenter）等，其中代表性的海洋油氣資源開(kāi)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有：

（1） 含 N 的 Mo 合金化高性能超級(jí)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(qiáng)無(wú)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(jí)奧氏體不銹鋼及耐蝕合金產(chǎn)品已在海洋平臺(tái)上方、水下輸送管道及泵閥、井下鉆探三大類(lèi)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(gè)海洋油田的平臺(tái)建設(shè)中的大量使用，具體應(yīng)用領(lǐng)域如下：

（1） 海洋平臺(tái)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(jī)：654SMO、AL-6XN；重力分離機(jī)：904L、AL-6XN。

（2） 水下輸送管道及泵閥

油氣輸送復(fù)合管道、閥門(mén)總成和管線(xiàn)懸掛器、跳線(xiàn)和跨接線(xiàn)、纜帶浮力組件、提升管和流動(dòng)管：Inconel-625、254SMO、AL-6XN、Sanicro28、Incoloy825；歧 管：254SMO、AL-6XN、NAS800HT。

（3） 井下鉆探

MWD無(wú)磁腔室、無(wú)磁鉆鋌、穩(wěn)定器、旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆探單元：P550、15-15HS、Datalloy-2、Inconel-718。

（4） 其他單元：

平臺(tái)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(pán)：316L、P530；樓梯、通道和電梯：316L、P530；天然氣系統(tǒng)：316L、P530。

二、國(guó)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(xiàng)目采購(gòu)部門(mén)的內(nèi)部資料顯示，由于我國(guó)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(dǎo)致海工用特殊鋼及關(guān)鍵裝備絕大部分依賴(lài)進(jìn)口，均直接從 Bohler、Alfa-Laval、Butting、Cameron、IntecSEA、CladTek、Flowserve、Goulds、Heatric 等國(guó)外廠(chǎng)商采購(gòu)。據(jù)中海油開(kāi)發(fā)工程設(shè)計(jì)公司的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示：目前海洋平臺(tái)工藝設(shè)備中進(jìn)口份額約占總造價(jià)的3% ～ 5%；工藝管道和儲(chǔ)運(yùn)管道約占總造價(jià)的 15% ～ 30%；因此單一平臺(tái)項(xiàng)目中進(jìn)口份額目前要占到平臺(tái)總造價(jià)的 30% ～ 40%。由于進(jìn)口高性能特殊鋼關(guān)鍵部件而產(chǎn)生的費(fèi)用可高達(dá) 4 億美元，約合人民幣 28 億元。

 2、國(guó)內(nèi)本領(lǐng)域新材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展問(wèn)題

我國(guó)目前海工用特殊鋼領(lǐng)域工業(yè)化生產(chǎn)及下游平臺(tái)用海工裝備部件的制造均已有一定程度的開(kāi)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(lái)說(shuō)，國(guó)內(nèi)相關(guān)行業(yè)、企業(yè)、應(yīng)用等均存在較為典型的問(wèn)題如發(fā)展模式問(wèn)題、缺乏必要的、系列的材料品質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)和生產(chǎn)工藝規(guī)范、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)等、科研部門(mén)產(chǎn)學(xué)研嚴(yán)重脫節(jié)、生產(chǎn)廠(chǎng)家技術(shù)工藝問(wèn)題。

3、本領(lǐng)域新材料研發(fā)方向及發(fā)展模式：

高強(qiáng)度無(wú)磁不銹鋼、超級(jí)奧氏體不銹鋼和耐蝕合金是未來(lái)我國(guó)海工用特鋼國(guó)產(chǎn)化需重點(diǎn)攻關(guān)的三大類(lèi)鋼種，應(yīng)用覆蓋海洋油氣的鉆采儲(chǔ)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(dú)特的發(fā)展趨勢(shì)：

（1）高強(qiáng)度無(wú)磁不銹鋼的發(fā)展趨勢(shì)是高強(qiáng)度、高耐蝕、無(wú)磁性和低成本。通過(guò)足夠的 N 含量確保以上性能指標(biāo)。國(guó)內(nèi)目前已有部分企業(yè)生產(chǎn)此類(lèi)產(chǎn)品，但其合金體系設(shè)計(jì)落后，強(qiáng)度、晶間腐蝕性能、熱變形加工工藝與國(guó)外相比差距很大。如何提高該類(lèi)產(chǎn)品性能、優(yōu)化合金體系是此類(lèi)材料的研發(fā)重點(diǎn)。

（2）超級(jí)奧氏體不銹鋼的發(fā)展趨勢(shì)是高強(qiáng)度和高耐蝕性，通過(guò)高 Cr、Ni、Mo 含量確保足夠的耐蝕性能，通過(guò)適量的N含量確保兼具優(yōu)異的力學(xué)性能，通過(guò)合理的熱變形工藝確保無(wú)開(kāi)裂、高成材率。合金體系的創(chuàng)新和理論設(shè)計(jì)是此類(lèi)材料的研發(fā)重點(diǎn)。

（3）耐蝕合金的發(fā)展趨勢(shì)是極高的耐蝕性和良好的加工工藝性能，通過(guò)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(diǎn)解決管材、板材的冶煉、熱擠壓、熱軋等制備技術(shù)，解決此類(lèi)材料從無(wú)到有、有價(jià)無(wú)貨的問(wèn)題。

我國(guó)海洋工程用特殊鋼產(chǎn)業(yè)發(fā)展的模式也應(yīng)當(dāng)逐步走上良性軌道。海洋油氣平臺(tái)項(xiàng)目應(yīng)當(dāng)積極大膽地提出對(duì)主要關(guān)鍵部件最新、最前沿的需求、性能指標(biāo)，通過(guò)設(shè)計(jì)部門(mén)和材料研發(fā)單位的通力配合，逐步實(shí)現(xiàn)材料和裝備國(guó)產(chǎn)化、規(guī)模化和工程化，使我國(guó)海工用特殊鋼走上良性發(fā)展的模式。國(guó)家層面也應(yīng)由項(xiàng)目、企業(yè)和科研院所牽頭，出臺(tái)相應(yīng)的行業(yè)和材料標(biāo)準(zhǔn)，使海洋平臺(tái)用先進(jìn)特殊鋼材料的產(chǎn)學(xué)研各個(gè)環(huán)節(jié)更加規(guī)范化和法制化。

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