海洋工程用超级不锈钢和耐蚀合金

与陆地油气开采相比，海洋环境洋流剧烈、海温和压力随深度变化大、海底岩层结构与陆地井迥异。海洋油气中H2S、CO2和Cl-等的含量普遍较高，海底微生物种类复杂，化学腐蚀和微生物腐蚀能力都很强。因此，海洋油气开采平台用特殊钢材料如不锈钢、耐蚀合金等普遍要求高耐蚀、高强高韧和高耐磨等性能特点。国外先进的海洋油气资源钻采、加工、输运等环节均应用了大量的超级不锈钢和耐蚀合金材料。所谓的“超级”不锈钢材料，与传统不锈钢材料相比，一般是指高Ni/Cr/Mo、高纯净度、采用N 金化或变形工艺强韧化的一类高性能不锈钢材料，如超级奥氏体、超级铁素体、超级双相不锈钢以及镍基或铁镍基耐蚀合金等。依照国外积累的用材经验，我们简要剖析以下：

一、材料分类及主要性能

与海洋平台用微合金化结构钢材料不同，海洋平台用特殊钢材料普遍都是高合金体系的Ni-Cr 或Cr-Ni-Mo 基不锈钢、超级不锈钢或耐蚀合金材料，一般都具有高点蚀当量、高纯净度以及N 合金化等特点。使用这些高合金材料制备的海洋平台典型件如储运、工艺管道、脱盐、换热器、油井管、钻探和桩腿等，为满足其特殊的服役工况条件，普遍具备高强度、高耐蚀性或兼而有之。通常而言，耐蚀性和强度是海洋平台用特殊钢材料的两个关键性能指标。目前国外海洋平台用先进特殊钢钢种主要包括超级奥氏体不锈钢、超级铁素体不锈钢、高强度奥氏体无磁不锈钢、镍基和铁镍基耐蚀合金等，这几类特殊钢材料因其合金成分体系设计不同而性能各有所长。

（1） 高Mo 含量的Cr-Ni-Mo超级奥氏体不锈钢。对于超级奥氏体不锈钢而言，普遍具有较高的Cr、Ni 含量、一定的Mo 含量（6%～7%），具有在较高温度优异的耐局部腐蚀和均匀腐蚀的能力，其点蚀当量PREN 值（Cr+3.3Mo+16N）一般都达到30以上，部分材料甚至高达50以上，这确保了此类材料优异的耐蚀性能；同时合理的N合金化使其兼具了较高的强度和塑韧性。

（2）镍基或铁镍基耐蚀合金。对于镍基或铁镍基耐蚀合金来说，其Cr、Ni、Mo 合金含量更高，在热带水域和离子介质复杂的条件下比超级奥氏体不锈钢具有更为突出的耐局部腐蚀、应力腐蚀性能。可广泛应用于油气媒介、油水分离或其他更为苛刻的化工工艺管道、泵阀和离心机等工矿条件。

（3）高氮奥氏体不锈钢。极高的N合金含量大幅度提升了材料的强度指标，使其具有室高温条件下显著优异的强度性能，由于采用了Mn-N代Ni成为奥氏体稳定元素，使其在性能优异的同时具有较低的生产成本。由于近年来其合金体系的不断优化，以及一定的Mo元素加入，使其也具备了优良的耐局部腐蚀性，Cr 含量的不断提升以及C元素的进一步降低，改善了材料的耐晶间腐蚀性能。

二、应用领域

高性能的海洋平台用特殊钢材料在国外早已商业化生产多年，典型的生产厂商包括瑞典山特维克（Sandvik）、德国蒂森克虏伯（ThyssenKrupp）、芬兰奥托昆普（Outokumpu）、日本冶金（Yakin）、美国阿里根尼（ATIAllegheny）、美国特种金属（SMC）、奥地利伯乐（Bohler）、美国卡朋特（Carpenter）等，其中代表性的海洋油气资源开发工程用高性能Cr-Ni-Mo-N 体系超级奥氏体不锈钢和耐蚀合金材料有：

(1)含N的Mo合金化高性能超级奥氏体不锈钢：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的高强无磁奥氏体不锈钢：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)耐蚀性能优异的Ni-Cr-Mo耐蚀合金： 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。

上述高性能奥氏体和超级奥氏体不锈钢及耐蚀合金产品已在海洋平台上方、水下输送管道及泵阀、井下钻探三大类应用领域获得广泛应用。目前已在诸如北海油田、波斯湾油田、墨西哥湾油田等数百个海洋油田的平台建设中的大量使用，具体应用领域如下：

(1)海洋平台上方

海水管道：254SMO、Incoloy825；凸轮装置：254SMO、654SMO、AL-6XN；板式换热器：654SMO、AL-6XN、NAS354N、Nicrofer3127hMo、Carpenter20Cb-3；海水脱盐系统：254SMO、Nicrofer3127hMo、Nicrofer33；壳体：654SMO、AL-6XN；管式换热器：654SMO、AL-6XN、NAS354N、Nicrofer3127hMo、Carpenter20Cb-3；离心分离机：654SMO、AL-6XN；重力分离机：904L、AL-6XN。

(2)水下输送管道及泵阀

油气输送复合管道、阀门总成和管线悬挂器、跳线和跨接线、缆带浮力组件、提升管和流动管：Inconel-625、254SMO、AL-6XN、Sanicro28、Incoloy825；歧管：254SMO、AL-6XN、NAS800HT。

(3)井下钻探

MWD无磁腔室、无磁钻铤、稳定器、旋转导向钻探单元：P550、15-15HS、Datalloy-2、Inconel-718。

(4)其他单元

平台支撑结构件：NAS254N、AL-6XN；防火防爆墙：316L、P530；墙壁包裹层：316L、P530；电缆盘：316L、P530；楼梯、通道和电梯：316L、P530；天然气系统：316L、P530。