引言
21世紀(jì)是海洋的世紀(jì)，海洋在國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展及維護(hù)國(guó)家主權(quán)的地位更加突出。21世紀(jì)以來(lái)，世界新增油氣儲(chǔ)量和產(chǎn)量已主要來(lái)自于海洋。預(yù)計(jì)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(dá)到39%和34%。我國(guó)海洋油氣資源儲(chǔ)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(yuǎn)低于世界平均水平，因此我國(guó)海洋油氣資源勘探開(kāi)采潛力巨大。
海洋環(huán)境條件惡劣，沒(méi)有高性能材料作為保障，海洋油氣開(kāi)發(fā)將受到很大制約。近年來(lái)，我國(guó)海洋石油裝備材料雖已取得長(zhǎng)足進(jìn)步，但與國(guó)際先進(jìn)水平和我國(guó)發(fā)展需求相比，仍然存在諸多差距和不足。首先，對(duì)于海洋石油裝備關(guān)鍵及核心材料，我國(guó)尚不能完全自給。例如海洋自升式平臺(tái)用大厚度(厚度超過(guò)150mm)齒條鋼，低溫環(huán)境用高強(qiáng)度F級(jí)平臺(tái)鋼，水下井口和采油樹(shù)用超級(jí)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(guó)外存在差距。其次，我國(guó)海洋石油裝備材料應(yīng)用研究基礎(chǔ)薄弱，無(wú)法對(duì)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(biāo)準(zhǔn)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(guó)產(chǎn)材料在設(shè)計(jì)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(wú)法根據(jù)裝備需求研究開(kāi)發(fā)新產(chǎn)品，裝備企業(yè)舍近求遠(yuǎn)采購(gòu)國(guó)外高價(jià)材料，而對(duì)國(guó)內(nèi)已開(kāi)發(fā)的成熟材料不聞不問(wèn)。鑒于以上原因，導(dǎo)致我國(guó)海洋石油裝備材料的研發(fā)及應(yīng)用無(wú)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(duì)于海洋油氣資源的高效開(kāi)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(huì)承受多種載荷的影響，同樣，也會(huì)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(shí)，包括安裝、試壓、試運(yùn)行、維護(hù)和維修產(chǎn)生的載荷。功能載荷是指系統(tǒng)在運(yùn)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(fēng)載、流體動(dòng)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(píng)估各種載荷單獨(dú)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(yáng)光照射，海洋腐蝕環(huán)境較為嚴(yán)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(duì)接觸到的材料產(chǎn)生嚴(yán)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(guó)內(nèi)外公認(rèn)的統(tǒng)計(jì)，腐蝕損失約占國(guó)民經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)總值的3%－5%。2014年我國(guó)GDP總量超過(guò)63萬(wàn)億，按3%計(jì)算，腐蝕經(jīng)濟(jì)損失超過(guò)1.89萬(wàn)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(diǎn)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。
圖1海洋腐蝕
同時(shí)，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(kāi)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(dá)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(shí)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(duì)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(jiàn)，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(dú)起作用，常常共同疊加作用于系統(tǒng)材料，進(jìn)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(shí)間僅15d～30d，所用材料在強(qiáng)度、耐蝕性等方面暴露的問(wèn)題嚴(yán)重影響了深海油氣鉆采工作的開(kāi)展；深海立管與采油樹(shù)等特殊部位管接頭、臍帶纜、系泊鏈、萬(wàn)向軸等軸類耐蝕承力結(jié)構(gòu)件、各類深海泵體、閥門(mén)、固定銷、各類緊固件等均存在強(qiáng)度、腐蝕等方面的問(wèn)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(jì)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(yùn)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(jià)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(jì)損失，甚至可能導(dǎo)致油井報(bào)廢、環(huán)境嚴(yán)重破壞以及人員傷亡等多重后果。1988年，北海PiperAlpha平臺(tái)發(fā)生爆炸事故，導(dǎo)致167人死亡，62人受傷，直接經(jīng)濟(jì)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(yán)重的一次災(zāi)難性事故。2010年，英國(guó)BP公司在美國(guó)墨西哥灣租用的鉆井平臺(tái)“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(chǎng)史無(wú)前例的經(jīng)濟(jì)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(duì)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。
圖2墨西哥灣平臺(tái)事故
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(tái)用鋼、鉆機(jī)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(jī)(井架及底座外)、水下井口頭、采油樹(shù)、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(jī)械制造用鋼。
1.1工程結(jié)構(gòu)鋼
- 平臺(tái)用鋼
平臺(tái)用鋼開(kāi)始于19世紀(jì)末，初期在淺海水域使用棧橋作為平臺(tái)，采用棧橋用鋼。1947年，鋼質(zhì)導(dǎo)管架平臺(tái)首次出現(xiàn)于墨西哥灣。此后海洋平臺(tái)得到了迅速發(fā)展。現(xiàn)有的平臺(tái)用鋼是由船板鋼或壓力容器用鋼移植而來(lái)，主要參考ABS、BV、CCS、DNV、GL、LR、KR、NK、RLNA等九大船級(jí)社規(guī)范。中國(guó)船級(jí)社(CCS)材料與焊接規(guī)范規(guī)定了一般強(qiáng)度、高強(qiáng)度以及高強(qiáng)度淬火回火鋼等三類強(qiáng)度級(jí)別鋼種，每一強(qiáng)度級(jí)別又按照韌性要求不同，細(xì)分為多個(gè)質(zhì)量級(jí)別(A、B或F、D、E)。除船級(jí)社規(guī)范外，平臺(tái)用鋼還常采用EN10225、GB/T712、YB/T4283、APISpec2H、APISpec2W、APISpec2Y以及ASTMA514/A517等標(biāo)準(zhǔn)。目前，平臺(tái)用鋼的最高強(qiáng)度級(jí)別達(dá)到690MPa，最低沖擊試驗(yàn)溫度為－60℃(F級(jí))。為保證鋼材性能，對(duì)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(jī)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(qiáng)度鋼。這類鋼在GB1591-1988標(biāo)準(zhǔn)中稱為低合金結(jié)構(gòu)鋼，在1994年標(biāo)準(zhǔn)(GB1591-1994)中改稱為低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼。現(xiàn)行的GB/T1591標(biāo)準(zhǔn)中包括了Q345、Q390、Q420、Q460、Q500、Q550、Q620和Q690等八個(gè)強(qiáng)度級(jí)別。鋼材可以熱軋、控軋、正火、正火軋制或正火加回火、熱機(jī)械軋制(TMCP)或熱機(jī)械軋制加回火狀態(tài)交貨。通過(guò)添加Mn、Si、V、Nb和Ti等合金元素，低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼在提高強(qiáng)度的同時(shí)，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(jī)井架及底座。隨著超深水鉆井的開(kāi)發(fā)，井架及底座用鋼向高強(qiáng)輕量化發(fā)展，Q420、Q460等高級(jí)別鋼種將大量使用。高強(qiáng)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(biāo)準(zhǔn)，對(duì)于海底管道用管線鋼同時(shí)也執(zhí)行DNV-OS-F101標(biāo)準(zhǔn)。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(jì)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(xué)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(duì)鋼管要求的提高，管線鋼開(kāi)始采用低合金高強(qiáng)度鋼。與普通碳素鋼一樣，普通低合金高強(qiáng)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(jí)，從此管線鋼進(jìn)入了微合金化和控軋生產(chǎn)階段。管線鋼成為了國(guó)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(qiáng)度級(jí)別為X120。冶金技術(shù)、TMCP技術(shù)以及超快冷技術(shù)的進(jìn)步，使現(xiàn)代管線鋼具備了優(yōu)異的綜合力學(xué)性能，見(jiàn)表1，X90、X100及X120高鋼級(jí)管線鋼均具有優(yōu)異的強(qiáng)韌性匹配，其中X120管線鋼屈服強(qiáng)度超過(guò)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(lái)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(lái)越廣泛。
表1典型高強(qiáng)度管線鋼管的力學(xué)性能
目前，國(guó)外海底管道中應(yīng)用的最高級(jí)別管線鋼為X70，鋼管壁厚最大為41.0mm。我國(guó)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(xiàng)目代表了國(guó)內(nèi)海底管道建設(shè)的最高水平，開(kāi)創(chuàng)了我國(guó)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(jì)更為嚴(yán)格，其特點(diǎn)為：(1)低的碳含量；(2)低的碳當(dāng)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(qiáng)化指數(shù)和均勻伸長(zhǎng)率；(2)低的屈強(qiáng)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(yán)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(dāng)前隔水管的主流材質(zhì)，主要采用X65-X80鋼級(jí)，其特點(diǎn)是剛性好，抗海流、海浪等外載能力強(qiáng)。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(dòng)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(jì)、選擇、操作和維護(hù)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(jì)與操作第7部分完井修井隔水管系統(tǒng)》等標(biāo)準(zhǔn)。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(jí)直縫埋弧焊管，并且正在向更高強(qiáng)度級(jí)別的X100和X120鋼級(jí)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(biāo)：最小屈服強(qiáng)度555MPa；最大屈服強(qiáng)度705MPa；最小抗拉強(qiáng)度625MPa；最大抗拉強(qiáng)度825MPa；屈強(qiáng)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(jiǎn)單，造價(jià)低，適用水深較大等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于深水和超深水的海洋油氣開(kāi)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(jí)別，主要采用無(wú)縫管和直縫埋弧焊管。
1. 2機(jī)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(jī)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(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)銷用42CrMoA等均屬于調(diào)質(zhì)鋼。國(guó)內(nèi)鉆機(jī)用鋼最初主要仿制前蘇聯(lián)材料，在此基礎(chǔ)上經(jīng)過(guò)多年發(fā)展，目前已形成相對(duì)完整的國(guó)產(chǎn)鉆機(jī)用鋼體系。我國(guó)新研制的海洋鉆機(jī)也基本采用了國(guó)內(nèi)牌號(hào)。而深水油氣鉆采用防噴器、井口頭、采油樹(shù)和閥門(mén)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(guó)少數(shù)幾家公司壟斷。因此，這些產(chǎn)品主要執(zhí)行美國(guó)材料標(biāo)準(zhǔn)，常用的調(diào)質(zhì)鋼牌號(hào)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(xué)成分見(jiàn)表2。
表2水下鉆采裝備用典型調(diào)質(zhì)鋼的化學(xué)成分( wt% )
除上述鍛鋼件外，鑄鋼如ZG35CrMoA、ZG230-450、ZG40CrNiMoA、ZG27CrNi2MoA等也常通過(guò)調(diào)質(zhì)處理，以保證材料具有良好的力學(xué)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(qiáng)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(jì)60年代寶雞石油機(jī)械廠與大冶鋼廠和西安交通大學(xué)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(dāng)時(shí)，國(guó)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(qiáng)度水平很低，致使吊環(huán)、吊卡極為笨重，鉆井工人勞動(dòng)強(qiáng)度很大。寶雞石油機(jī)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(guó)吊環(huán)也輕得多，其疲勞壽命是美國(guó)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(duì)比如圖3所示。寶雞石油機(jī)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(fèi)30%。
圖3吊環(huán)、吊卡對(duì)比
- 滲碳鋼和氮化鋼
不少機(jī)械零件要求表面有高的疲勞強(qiáng)度和耐磨性，這就需要進(jìn)行表面化學(xué)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(lái)的鋼種。滲碳、滲氮、碳氮共滲可提高硬度、耐磨性及疲勞強(qiáng)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(dòng)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(pán)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(chǔ)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(guó)內(nèi)外對(duì)低溫用鋼的溫度界限還沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一的規(guī)定。根據(jù)GB150《固定式壓力容器》，我國(guó)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(qiáng)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(jiàn)表3。
表3常見(jiàn)低溫鋼的類型和使用溫度范圍
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(qiáng)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(yán)寒海域、LNG船儲(chǔ)罐系統(tǒng)等。在水深超過(guò)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(dá)到-40℃，此環(huán)境下使用的平臺(tái)構(gòu)件、管系、閥門(mén)等裝備需采用E級(jí)(滿足-40℃沖擊要求)甚至是F級(jí)別(滿足-60℃沖擊要求)的鋼材。LNG(液化天然氣)液化溫度低達(dá)-163℃左右，LNG船儲(chǔ)罐材料一般采用9%Ni鋼。9%Ni鋼低溫下具有良好的強(qiáng)韌性，且合金含量少、價(jià)格便宜，已逐步取代Ni－Cr不銹鋼，成為-196℃級(jí)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(chǔ)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(guò)降低鋼中的碳含量，提高M(jìn)n/C比，降低P、S等有害元素，加入適量鋁以固定鋼中的氮，細(xì)化晶粒，提高鋼的低溫韌性，改善時(shí)效性能。美國(guó)的ASTMA202、日本的SLAA235也屬于此類鋼。
- 低溫高強(qiáng)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(qiáng)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(guò)調(diào)質(zhì)處理獲得良好的綜合性能。它不但具有高強(qiáng)度，而且具有較好的低溫韌性，因此它是一種強(qiáng)韌性兼?zhèn)涞牟牧?，廣泛用于制造具有較大壓力的低溫壓力容器。我國(guó)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(shí)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(guó)發(fā)明了可在-46℃低溫下使用的2.5%Ni鋼，隨后相繼開(kāi)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(xué)成分和主要力學(xué)性能要求見(jiàn)表4、5。
表4鎳系低溫鋼的化學(xué)成分要求( wt% )
表5鎳系低溫鋼的力學(xué)性能要求
3.不銹鋼
我國(guó)不銹鋼的牌號(hào)標(biāo)準(zhǔn)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(hào)及化學(xué)成分見(jiàn)表6，與其他國(guó)家或組織不銹鋼牌號(hào)的對(duì)照見(jiàn)表7。
表6海洋石油裝備典型不銹鋼的典型牌號(hào)及化學(xué)成分
表 7 不同國(guó)家或組織不銹鋼的牌號(hào)對(duì)照表
- 馬氏體不銹鋼
基體為馬氏體組織，有磁性，通過(guò)熱處理可調(diào)整其力學(xué)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(diǎn)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(wú)磁性，主要通過(guò)冷加工使其強(qiáng)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(kuò)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(dāng)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(qiáng)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(shí)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(guò)程中析出金屬間化合物，實(shí)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(shí)效相的類型與存在與否和合金成分、熱處理?xiàng)l件等相關(guān)。此類鋼具有高強(qiáng)度、足夠的韌性和適宜的耐蝕性，主要用作高強(qiáng)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(qiáng)度、硬度和耐腐蝕性能。經(jīng)固溶和時(shí)效后屈服強(qiáng)度大于724MPa，能滿足API規(guī)范-60℃低溫沖擊要求，耐蝕性能達(dá)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(shù)、閥門(mén)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(yùn)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(shí)又要求高強(qiáng)度的零部件，如水下采油樹(shù)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(qiáng)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(yuǎn)大于在鐵中的溶解度，因此可通過(guò)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(qiáng)化特征，可分為固溶強(qiáng)化型合金和時(shí)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(guó)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(hào)、化學(xué)成分和應(yīng)用舉例見(jiàn)表8，不同國(guó)家耐蝕合金牌號(hào)對(duì)照見(jiàn)表9。
表8幾種典型耐蝕合金的牌號(hào)及化學(xué)成分
表9不同國(guó)家或組織典型耐蝕合金牌號(hào)對(duì)照
在海洋石油裝備材料中，當(dāng)不銹鋼材料的耐腐蝕性能無(wú)法滿足工況要求時(shí)，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(jí)井口裝置和采油樹(shù)零部件。材料牌號(hào)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(biāo)準(zhǔn)推薦表選擇、實(shí)驗(yàn)室評(píng)價(jià)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)。
5.有色金屬材料
在海洋石油開(kāi)發(fā)中，為獲得更加輕量化、壽命更長(zhǎng)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(diǎn)是密度低，比強(qiáng)度高，耐蝕性強(qiáng)。同時(shí)還具有耐海水沖刷，無(wú)磁性，無(wú)冷脆性，高透聲系數(shù)，較好成形、鑄造、焊接性能等，使它對(duì)各類海洋工程有廣泛的適用性。目前，美國(guó)、俄羅斯和中國(guó)等先后開(kāi)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(hào)及相應(yīng)的性能。
表10美國(guó)、俄羅斯與中國(guó)海洋工程用鈦合金牌號(hào)、名義成分及性能
鈦及其合金是升級(jí)海洋資源開(kāi)發(fā)裝備，提升海洋資料開(kāi)發(fā)能力的理想結(jié)構(gòu)材料。在海洋石油開(kāi)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(guó)北海油氣挪威分部的半潛式平臺(tái)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(gè)系統(tǒng)重量達(dá)50%，從而降低提升力63%，系統(tǒng)成本降低40%，服務(wù)年限達(dá)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(dá)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(zhǎng)。
圖4鈦合金隔水管
- 鋁合金
鋁及鋁合金具有密度小，耐腐蝕，無(wú)磁性，良好的成型性和焊接性等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用鋁合金可提高海洋石油裝備的性價(jià)比。純鋁硬度及強(qiáng)度一般較低，不適宜制作受力的機(jī)械零構(gòu)件。鋁及其合金在海洋油氣開(kāi)發(fā)中的應(yīng)用較為廣泛，主要有:鋁合金鉆桿、鋁合金平臺(tái)、鋁合金直升機(jī)停機(jī)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(kāi)始使用鋁合金鉆桿。鋁合金鉆桿由于其重量輕、強(qiáng)度重量比高(強(qiáng)度重量比是普通鋼的1.5～2倍)、抗腐蝕性強(qiáng)、延展性好、與井壁的摩阻小和無(wú)磁性等優(yōu)點(diǎn)，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(guó)、法國(guó)、德國(guó)和日本等國(guó)也開(kāi)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(kāi)波湖，世界上第一個(gè)使用在高腐蝕地區(qū)的鋁合金石油鉆井平臺(tái)出現(xiàn)。2004年，巴西卡姆波斯巴欣公司建造了首臺(tái)全鋁石油平臺(tái)。20世紀(jì)90年代鋁焊接技術(shù)的進(jìn)步，出現(xiàn)了全鋁結(jié)構(gòu)停機(jī)坪，大大減輕了重量，同時(shí)降低了成本。2008年，新加坡開(kāi)發(fā)了直徑22.2m的全鋁直升機(jī)停機(jī)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?cái)嗔秧g性和裂紋擴(kuò)展傳播特征，Moss球罐即使產(chǎn)生了裂縫，裂縫擴(kuò)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。
圖5海上鋁合金生活單元
- 銅合金
銅及其合金具有優(yōu)良的力學(xué)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(xué)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(guò)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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)的沉淀強(qiáng)化效應(yīng)，經(jīng)淬火和時(shí)效，鈹青銅具有高的強(qiáng)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(kāi)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(tái)，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(tái)海水管道、鉆頭組件、閥門(mén)組件等。海水管道和油氣平臺(tái)包覆層一般均選用Cu-Ni合金，以C70600(美國(guó)牌號(hào)，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(xué)性能，同時(shí)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(hù)系統(tǒng)也常用于油氣裝備的腐蝕與防護(hù)，經(jīng)濟(jì)效益明顯。常用的犧牲陽(yáng)極體系包括鎂基犧牲陽(yáng)極、鋅基犧牲陽(yáng)極和鋁基犧牲陽(yáng)極。
6.海洋石油裝備用非金屬材料
- 無(wú)機(jī)非金屬材料
無(wú)機(jī)非金屬材料在海洋油氣開(kāi)發(fā)中主要被用于離岸混凝土平臺(tái)。混凝土平臺(tái)具有制造周期短、安裝及維護(hù)費(fèi)用低、抗海浪沖擊及冰凍擠壓能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在海洋平臺(tái)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(chǔ)油平臺(tái)，自此拉開(kāi)了混凝土平臺(tái)建設(shè)的序幕。截止2012年，全球共建成離岸混凝土平臺(tái)52座。離岸混凝土平臺(tái)要求混凝土材料具有高的強(qiáng)度、良好的耐久性和可構(gòu)造性，因此海工混凝土對(duì)水泥、硅灰、骨料、化學(xué)外加劑、海砂等材料都有更為嚴(yán)格的要求。高強(qiáng)度輕質(zhì)混凝土技術(shù)是目前發(fā)達(dá)國(guó)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(duì)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(qiáng)度輕質(zhì)混凝土材料用于平臺(tái)建造，可降低前期造價(jià)和后期維護(hù)費(fèi)用約30%。
圖6離岸混凝土平臺(tái)
- 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(qiáng)度和比模量高、阻尼性能好、耐疲勞、耐化學(xué)腐蝕、耐磨性好、熱膨脹系數(shù)低等優(yōu)點(diǎn)，成為海洋油氣開(kāi)發(fā)的重要選擇之一。復(fù)合材料在海洋油氣開(kāi)發(fā)中的應(yīng)用包括海洋平臺(tái)系泊纜繩、隔水管、抽油桿、柔性管及管道等。
對(duì)于深海石油平臺(tái)，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(qiáng)復(fù)合材料制成的平臺(tái)系泊纜繩可用于3000m的深海油田；用碳纖和玻纖混雜增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂制成的隔水管具有非常高的比強(qiáng)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(jì)90年代，美國(guó)開(kāi)始研制復(fù)合材料抽油桿，抽油桿通常增強(qiáng)相為T(mén)hornelTMT－30012K碳纖維，基體相為環(huán)氧樹(shù)脂，具有以下優(yōu)點(diǎn)：質(zhì)量輕，高比強(qiáng)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(pán)繞和運(yùn)輸，操作方便；耐疲勞，大大延長(zhǎng)了使用壽命。在管道方面，玻璃鋼管、復(fù)合增強(qiáng)管(ＲTP)以及雙金屬?gòu)?fù)合管等均可用于海洋油氣開(kāi)發(fā)中。玻璃鋼管是通過(guò)玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂，質(zhì)量輕且耐腐蝕，已應(yīng)用于海洋石油平臺(tái)的管道設(shè)施。復(fù)合增強(qiáng)管由內(nèi)層(聚乙烯、聚丙烯)、增強(qiáng)層(聚酯纖維、芳綸纖維或高強(qiáng)鋼絲)及外部耐磨層(聚乙烯)組成，韌性好，強(qiáng)度高，可用于海洋油氣的集輸。雙金屬?gòu)?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(guò)機(jī)械或冶金方法復(fù)合而成?；茇?fù)責(zé)承壓以及提供剛性支撐，內(nèi)管承擔(dān)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(kāi)發(fā)中廣泛應(yīng)用的復(fù)合材料管，其是由骨架層、內(nèi)護(hù)套、耐磨層、鎧裝層及外層護(hù)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(guó)內(nèi)外差距及應(yīng)用需求，提出如下幾點(diǎn)發(fā)展建議。
1.對(duì)于平臺(tái)用鋼板、型鋼和鋼管，應(yīng)提高國(guó)內(nèi)生產(chǎn) 質(zhì)量水平，生產(chǎn)商應(yīng)該嚴(yán)格按照規(guī)格書(shū)和相關(guān)規(guī)范的要求提供合格產(chǎn)品，嚴(yán)格按照相關(guān)質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)和驗(yàn)貨標(biāo) 準(zhǔn)加強(qiáng)生產(chǎn)過(guò)程、驗(yàn)貨過(guò)程和施工過(guò)程的質(zhì)量控制。
2.進(jìn)一步提升我國(guó)海洋平臺(tái)用鋼的國(guó)產(chǎn)化率，加強(qiáng)目前仍需進(jìn)口的鋼材品種開(kāi)發(fā)，包括滿足-60℃低溫韌性要求的F級(jí)高強(qiáng)度鋼，屈服強(qiáng)度達(dá)到620 MPa、690MPa級(jí)別的超高強(qiáng)度鋼，適用于極地作業(yè)的海工平臺(tái)FH級(jí)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(guó)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(biāo)準(zhǔn)體系。因此，我國(guó)在海洋裝備用合金鋼和耐蝕合金方面應(yīng)加大開(kāi)發(fā)力度，細(xì)化產(chǎn)品序列，建立我國(guó)海洋裝備用合金鋼和 耐蝕合金的應(yīng)用體系。建議由國(guó)內(nèi)材料生產(chǎn)企業(yè)進(jìn)行攻關(guān)并結(jié)合我國(guó)南海海域的特點(diǎn)進(jìn)行有針對(duì)性地開(kāi)發(fā)，形成國(guó)產(chǎn)化產(chǎn)品的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)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(kāi)發(fā)是 未來(lái)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?gòu)?fù)合管。對(duì)于柔性管，考慮到目前國(guó)外生產(chǎn)商壟斷了世界上絕大部分的市場(chǎng)份額，柔 性管的生產(chǎn)具有大量的知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)，建議加強(qiáng)對(duì)柔性管設(shè)計(jì)、生產(chǎn)裝備的研究，提高柔性管的自主開(kāi)發(fā)和制造能力。
6.鈦合金具有高比強(qiáng)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(guó)海洋石油天然氣領(lǐng)域的應(yīng)用卻非常少。因此，加強(qiáng)海洋石油天然氣領(lǐng)域的 鈦合金產(chǎn)品開(kāi)發(fā)與應(yīng)用具有重要的意義，尤其應(yīng)重點(diǎn)開(kāi)發(fā)鈦合金作為內(nèi)層的雙金屬?gòu)?fù)合管、鈦合金立管和鈦合金錐形應(yīng)力節(jié)點(diǎn)等產(chǎn)品。
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