日本油气开发用高Cr高耐蚀无缝管研究现状

第 3 6卷第 5期 2 0 1 4年 9月 上海金属 S HANGHAI MET AL S Vo 1 3 6 No 5 S e p t e mb e r 2 01 4 5 9 日本油气 开发用高 C r 高耐蚀无缝管研究现状 邢娜何立波黄宝黄维 鞍钢股份有限公司技术中心 辽宁鞍山 1 1 4 0 0 9 摘要 油气环境日益恶化 苛刻的服役条件要求 m e 1 1 有优异的抗 H s和 C O 2 腐蚀性 能 日本新 日铁住金和 J F E公 司针对不 同井况环境 以 1 3 C r油套管为基础 不断扩充 高 C r 不 锈钢无缝 管产品 系列 开发 了 1 1 C r 1 2 C r 1 5 C r 1 7 C r 等具有不 同产 品特点的 高 C r高耐蚀无缝 管 增加 了高附加值产品 关键词 离 c r 高耐蚀油气田 无缝管 DEVELoPM ENT S TATUS oF HI GH Cr S EAM LES S TUBE W I TH HI GH CoRRoS I oN RES I S TANCE FoR oI L AND GAS FI ELDS Xi n g Na He Li b o A n s t e e l T e c h n o l o g y C e n t e r Hua ng Ba o Hu a n g W e i A n s h a n L i a g n i n g 1 1 4 0 0 9 C h i n a A b s t r a c t O i l a n d g a s e n v ir o n m e n t w a s d e t e r io r a t i n g it w a s n e c e s s a r y t o d e v e lo p s e a m le s s t u b e wi t h e x c e l l e n t c o r r o s i o n r e s i s t a n c e t o H2 S a n d C O2 NS S C a n d J F E w e r e e x p a n d i n g c o n t i n u a l l y t h e h i g h C r s e a m l e s s t u b e p r o d u c t s e r i e s o n t h e b a s i s o f 1 3 C r t u b i n g a n d c a s i n g s u c h a s 1 1 C r 1 2 C r 1 5 Cr 1 7Cr s e a ml e s s t ub e wi t h d i f f e r e n t p r o d u c t f e a t u r e s a n d i n c r e a s e d t h e h i g h v a l u e a d d e d p r o d u c t s K e y Wo r d s H i g h C r H ig h C o r r o s i o n R e s i s t a n c e O i l a n d G a s F i e l d S e a m l e s s T u b e 日益苛刻的服役条件要求油气用管材具有优 异 的抗 H S和 C O 腐蚀性 E t 本是世界 油井 管 的三大生产中心之一 世界五大钢管公司中的新 日铁住金和 J F E为生产高质量油井管做 了大量 的 研发工作 开发 出具有世界领先水平 的强度高 耐 蚀性好的无缝管品种 1 日本高 C r 高耐蚀无缝管开发背景 1 3 C r 油套 管广泛用 于含 C O 环境 J F E是 世界最好的 1 3 C r 油套管生产企业 1 3 C r 钢管产 品同时也是新 E t 铁住金 的代表性产品 为了在高 性能和经济性之间取得平衡 新 日铁住金 和 J F E 以 1 3 C r 油套管为基础 研究和开发了各具特点 的 高 c r 高耐蚀无缝管 新 日铁住 金和 J F E的油气 开发用高 c r 高耐蚀油套管品种见表 1 1 J 表 1 新 日铁住金和 J F E油气开发用高 C r 高耐蚀油井管品种 T a b l e 1 P r o d u c t s o f h i g h C r t u b e a n d p i p e w i t h h i g h c o rro s i o n r e s i s t a n c e u s e d f o r o i l a n d g a s i n S u mi t o mo a n d J F E r c o 2 为耐 C O 2腐蚀应用l临界温度 P H 2 s 为抗 H 2 S腐蚀临界 分压 作者 简介 邢娜 女 工程师 主要从事无缝 管新产 品新 工艺信息 调研 E ma i l x i n g n a 6 2 6 1 2 6 c o rn 上海金属 第3 6卷 2 新 日铁住金高 c r 高耐蚀无缝油套管开发现状 1 3 C r 油套管是 新 日铁住金具有 代表性 的油 套管 S M1 3 C r M 只适用于含有 c O 的腐蚀环 境 S M1 3 C r S兼具 耐 C O H S腐蚀性 此外 开发 了 低成本马氏体一 铁素体不锈钢油井管 S M1 7 C r S 2 1 超级 1 3 C r 马氏体不锈钢油套管 超级 1 3 C r S M1 3 C r M S M1 3 C r S均适用于 C O 分压大于0 0 2 M P a的腐蚀油井环境 S M1 3 C r M 为 改进型 1 3 C r 马氏体不锈钢油套管 其强度和 高温耐蚀性优 于 A P I L 8 0 1 3 C r S M1 3 C r M 的耐 C O 腐蚀应用 临界温度为 1 5 0 H S临界分压 仅为 0 0 0 0 3 M P a 抗硫化物应力腐蚀开裂性差 限用于仅含 C O 的腐蚀环境 S M1 3 C r S为 超级 1 3 C r 马氏体不锈钢油套管 其 耐 C O 腐蚀应用 临界温度为 1 8 0 H 2 S临界分压为 0 0 0 3 MP a 具有一定 的抗硫 化物 应力 腐蚀 开裂 性 填补 了 A P I L 8 0 1 3 C r 和双相不锈钢油套管之间的性能空 白 高温下 S M1 3 C r M 和 S M1 3 C r S的耐 C O 腐 蚀 性均高于 A P I L 8 0 1 3 C r 表 2是新 日铁住金 1 3 C r 马氏体不锈钢油套管的化学成分和力学性能 表 2 1 3 C r 马氏体不锈钢油套管的化学成分和力学性能 质量分数 Ta b l e 2 Ch e mi c a l c o mpo s i t i o n a n d me c h a n i c a l p r o p e r t i e s o f 1 3 Cr ma rte ns i t i c s t a i n l e s s s t e e l t u b e a n d c a s i n g m a s s f r a c t i o n 注 A P I L S 0 1 3 C r 的 P S C u含量分别小于等于 0 0 2 0 0 0 1 0 0 2 5 2 2 马氏体一 铁素体不锈钢油井管 S M1 7 C r S 到 8 6 1 M P a 超过了 1 3 C r的强度水平 5 5 1 7 5 8 为了适应 日益增加的超深油气井需要 新 日 M P a 超级 1 3 C r 不锈钢油井管的 C O 腐蚀速率 铁住金开发了高温耐蚀性和强度较 1 3 C r油井管 为 1 mm a 并发生了应力腐蚀开裂现象 而超级 更出色 而合金元素含量低于双相不锈钢 且不需 1 7 C r 不锈钢油井管具有充足的耐蚀性 C O 腐蚀 要进行冷加工的 超级 1 7 C r 马 氏体一 铁素体不锈 速率低 仅为 0 0 2 m m a 没有发生应力腐蚀开裂 钢油井管 表 3为 S M1 7 C r S马氏体一 铁素体不锈 现象 超级 1 7 C r 油井管适用于巴西和墨西哥湾 钢油套管 的化学成分和力学性能 当 c r 含量 为 的深 海 东 南 亚 印 度 洋 和 西 澳 大 利 亚 的 超 1 7 时 组织由硬质相马氏体和软质相铁 素体组 深井 J 成 S M1 7 C r S油井管无需通过冷加工 强度便达 表 3 马氏体一 铁索体不锈钢油套管 S M1 7 C r S的化学成分 质量分数 Ta b l e 3 Ch e mi c a l c o mp o s i t i o n a n d me c h a n i c a l p r o p e rti e s o f S M 1 7CRS ma rte n s i t i c f e r r i t i c s t a i n l e s s s t e e l t u b e a n d c a s i n g ma s s f r a c t i o n 3 J F E高c r 高耐蚀无缝油套管开发现状 J F E公司是世界上最好 的 1 3 C r 油套管生产 企业 针对不同井况环境 不断扩充高 c r 不锈 钢 无缝油套管产品系列 增加 了高附加值产 品 为 了适应高温并含 C O 的苛刻腐蚀环境 J F E公 司 开发了 J F E H P 1 1 3 C r 针对高温并同时含 C O 和 少量 H s的苛刻环境 开发了 J F E H P 2 1 3 C r J F E U H P 1 5 C r 和 J F E U H P 一 1 7 C r 马氏体不锈钢油 套管 强度和耐 C O 腐 蚀性逐步得到提 高 并兼 具 良好 的抗 S S C性 而且成本低于双相 不锈钢 另外出于用户经济性 的考虑 J F E开发 了低成本 综合性能佳油套管 J F E 一 1 1 C r 第5期 邢娜等 日本油气开发用高 C r 高耐蚀无缝管研究现状 6 1 3 1 超 级 1 3 C r 和 U HP 1 5 C r 马 氏体 不 锈 钢 油 套管 为了适应 高温并 同时含 C O 和少量 H S的 苛刻环境 J F E公 司采用减少 c含量增加 N i 含量 的设计思路 开发 了超级 1 3 C r 油套管 包括 J F E H P 1 1 3 C r 和 J F E H P 2 1 3 C r J F E HP 1 1 3 C r的耐 C O 2 腐蚀性高于 A P I L 8 0 1 3 C r 无缝管 其耐 C O 腐蚀 应 用 临 界 温 度 达 到 1 6 0 o c 但 J F E HP 1 1 3 C r的抗硫性不足 会因点蚀而产生硫化物应力 腐蚀开 裂 并 通 过 氢 脆 传播 J F E 以 J F E HP 1 1 3 C r 为基础 将 M o的添加量 由 1 增加 到 2 提高了耐点蚀性并减少 了氢在钢 中的侵入量 开 发了不仅具有耐 C O 腐蚀性 其耐 C O 腐蚀应用 临界温度达到 1 6 0 还具有抗硫化物应力腐蚀 开裂性 的 J F E H P 2 1 3 C r 当 p H值 为 4 5时 其 H s临界分压 高达 0 0 1 MP a 为满足对 于更 高 强度和耐高温油套 管的使用需 求 J F E通过增加 c r N i Mo 和 c u等合金元 素的含量 开发了马氏 体不锈钢油套管 U HP 1 5 C r 其耐 C O 腐蚀应用临 界温度达 到 2 0 0 p H值为 4 5时 H 2 s临界分 压高达 0 0 1 MP a 表 4为超级 1 3 C r 和 1 5 C r 马氏 体不锈钢油套管的化学成分和力学性能 与双相不锈钢相 比 U H P 1 5 C r 屈服 强度高达 8 6 2 MP a 高温下 屈服强度的下降 比双相不锈钢 小 这是因为双相不锈钢钢管通过冷拔获得高强 度 在高温下位错开动 强度会下降 而 U H P 1 5 C r 是通过控制组织和析出物来确保强度 因此 即使 在高温环境 下强度 的下 降也 较小 U H P 1 5 C r 具 有制造成本低 的优势 其耐蚀性 比 A P I L 8 0 1 3 C r 高 但成本 比双相不锈钢低 J 表 4 超级 1 3 C r 和 1 5 C r 马氏体不锈钢油套管的化学成分 质量分数 Ta b l e 4 Ch e mi c a l c o mpo s i t i o n a n d me c ha n i c a l p r o p e r t i e s o f 1 3 Cr a n d 1 5 Cr ma r t e n s i t i c s t a i n l e s s s t e e l t u b e a n d c a s i n g m a s s f r a c t i o n 3 2 高耐蚀性低成本油套管 J F E U HP 一 1 7 C r 临界分 压超 过 0 O 1 MP a 表 5为油 套 管 J F E 高温 下 J F E H P 一 1 3 C r的 耐蚀 性 高 于 A P I U H P 1 7 C r 的化学成分和力学性能 与 J F E U H P 1 3 c r 但耐 C O 2 腐蚀应用临界温度仅为 1 6 5 左 1 5 C r 一 1 2 5不 同 J F E U H P 1 7 C r 1 2 5组织 由马氏体 右 J F E U H P 1 5 C r 耐 C O 腐蚀应 用临界温度仅 和铁素体两相组成 由于 J F E U H P 1 7 C r 通过沉 为2 0 0 抗 H s腐蚀的临界分压为0 0 1 M P a 淀析出和组织控制而非通过冷加工获得高强度 最近 J F E又开发了耐蚀性更高的油套管 J F E U H P 因此高温下强度 的下降比双相不锈钢和镍基合金 1 7 C r 其耐 C O 腐蚀应用临界温度达到 2 3 0 H S 油套管小 确保其在高温下仍具有高强度 表 5 J F E U HP 一 1 7 C r 不锈钢油套管的化学成分和力学性能 质量分数 T a b l e 5 C h e mi c a l c o mp o s i t i o n a n d me c h a n i c a l p r o p e rt i e s o f J F E UHP 1 7 C r s t a i n l e s s s t e e l t u b e a n d c a s i n g ma s s f r a c t i o n 3 3 低成本综合性能佳油套管 J F E 一 1 1 C r 一 1 1 0 为了向用户提供更 加经济性的选择 J F E公 司降低了 c r N i 含量 开发了 J F E 一 1 1 C r 一 1 1 0不锈 钢油套管 扩充了高 c r 不锈钢无缝油套管产品系 列 其化学成分和力学性能见 表 6 与 J F E 1 3 C r 相比 J F E 1 1 C r 一 1 1 0强度更高 耐 C O 2 腐蚀性更 6 2 上海金属 第 3 6卷 高 并且低温韧性更 加优 良 而且成 本低于 J F E 有一定 的耐 C O H S腐蚀性 J F E 一 1 1 C r 1 1 0的 H P 1 3 C r J F E 1 1 C r 1 1 0适 用于 温度 1 3 0 低温韧性优于 J F E 一 1 3 C r 和 J F E H P 1 1 3 C r 耐 C O 2 H 2 S 含量 0 0 0 1 MP a的含有 c O 油井环境 具 腐蚀性在 J F E 1 3 C r 和 J F E H P 1 3 C r 之间 表 6 J F E 1 1 C r 1 1 0不锈钢油套管的化学成分和力学性能 质量分数 T a b l e 6 C h e mi c a X c o mp o s i t i o n a n d me c h a n i c a l p r o p e r t i e s o f J F E 1 1 C r 1 1 0 s t a i n l e s s s t e e l t u b e a n d c a s i n g m a s s f r a c t i o n 4结语 随着钢铁生产逐步由发达国家向发展中国家 转移 为了提高市场竞争力 国际钢铁巨头对其产 品结构进行 了大幅度调整 主动放弃盈利能力差 的产品 集中发展高附加值产品 利用在技术上领 先 的优势 努力扩大高附加值产品的市场份额 以 期在新的国际分工 中占据有利地位 日本新 日铁 住金和 J F E公司针对不同井况环境 以 1 3 C r 油套 管为基础 不 断扩充 高 C r 不锈钢 无缝管产 品系 列 开发了 1 1 C r 1 5 C r 1 7 C r 等具有不 同产品特点 的高 c r 高耐蚀无缝管 增加 了高附加值产品 其 基本的合金设计思路如下 1 由于 C r 是防止 C O 腐蚀最有效 的元素 能迅速在金属表面形成致密而极薄的 C r O 钝化 膜 随着 c r 含量 的增加 抗 C O 腐蚀效果增 强 因此为减小在 C O 环境下的腐蚀速度 J F E和新 日铁住金添加了 c r 元 素 提高油气 开发用高 c r 高耐蚀无缝管在 C O 环境下的应用临界温度 2 针对 高温并 含有 C O 和 H s的腐蚀井 况 J F E和新 13 铁住金通过降低 c含量 抑制 C r 碳化物析出以确保有效 c r 量 提高耐 C O 腐蚀应 用临界温度 通过添加 Mo使在少量 H S环境下 的钝态氧化膜稳定 抑制氢向钢中的侵入 提高抗 S S C性 通过进一步增加 C r N i M o 和 c u 等合金 元素的含量 进一步提高耐 C O 腐蚀应用临界温 度和抗硫化物应力腐蚀性 参考文献 1 高少华 日本住友公司油气开发用钢管的研究现状及发展趋 势 J C h in a S t e e l 2 0 0 4 7 2 6 2 8 2 S u m i t o m o m e t a l s 新 13铁住 金产 品介 绍 0 L h t t p w w w s u mi t o mo t u b u l a r s c a m p r o d u c t s e r v i c e s o c t ma t e r i a l s d a t a s h e e t s ml 3 c r m 1 1 0 3 S u m i t o m o m e t a l s 新 日铁 住 金 产 品介 绍 O L h t t p w w w s u mi t o mo t u b u l a r s c o m p r o d u c t s e r v i c e s o c t g ma t e ri a l s d a t a s h e e t s ml 3 c r s 一 1 1 O 4 S u mi t o mo me t a l s 新 13铁住 金产 品介 绍 O L h t t p w w w s u mit o mo t u b u l a r s c o m p r o d u c t s e r v i c e s o c l g ma t e r i als a p p l i c a t i o n l i s t ma r t e n s i t i c f e r r i t i c s t a i n l e s s s t e e 1 5 S u m i t o m o me t a l s 13铁 住 金 产 品 介 绍 O L h t t p w w w s u mit o mo t u b u l a r s c o rn p r o d u c t s e rv