不锈钢在我国石油工业中的应用要求及展望

1、不锈钢在我国和工业中的应用、要求及展望 摘要：木文系统地介绍J不锈钢在钳工业中的应用，以及我国不锈钢生产企业目前存在的差距，其中包括不锈 钢在*林井管和钻具（包括不锈钢钻铤，厚壁钻杆）、*输送管道、*加工和*哀*储存设备中的应用和要求，供 不锈钢工业的发展做参考。 关键词：不锈钢，*,应用，要求 一、前言： 我国陆上、海洋现有各种类型*和*生产基地近30个。*埋藏深度一般在1000到7000米之间。原 枠年产量由解放初期的12=发展到现今的近1.5亿吨，天然*342多亿立方米。原*产量世界排名第五位, 成为世界产*大国之一。随着枠、中俄管线等管道工程的开始，中国*粋开发在未来的二十年内将会进

2、入一个新的髙潮。 开发是一个多学科交叉、技术和资金髙度密集的行业，需要消耗大量各种不同性能和用途的冶 金材料和冶金产品。随着超深、大斜度左向井、大位移水平*枠*井以及含H?S、CO?、C1-等*ffl的开发, 具有防腐性能要求的不锈钢管材的应用日益增加。以下主要就环井管、输送管、糾*储藏罐以及下游卅企 业的应用逐一介绍。 二、不锈钢在环井管和钻具中的应用 目前国内各*管生产厂提供的*井管比例已超过85%以上。这是我国冶金工业为促进卅工业发展作岀 的巨大贡献。 我国幅员辽阔，地质条件、地形、地貌、自然环境复杂多变，以及地下*藏多样性变化，给枠*开 发带来极大的困难和风险。随着和开发钻井设备不断更

3、新改进，钻井新工艺、新技术不断发展，技术水平 不断提髙，钻井速度加快、钻井深度增加（最深一口井深达7313米）。近些年来，陆上、海洋复杂地层、 复杂环境地区，大斜度左向井、大位移水平井、丛式井、开窗侧钻井逐年增多，这些不同类型*粋*井钻进 过程中，往往由于钻遇地层地质条件变化等原因，使井斜角度和方位也不断发生变化，以致井身的井斜角 度和井斜方位偏裔目的层方向。因此，随钻过程中，要不断对井斜角度和方位进行监测，以便及时对左向 井进行泄向、扭方位、造斜、增斜、稳斜修正，使井身沿预泄方位安全、顺利、快速、准确钻达目的层。 左向井作业常用的测斜仪有磁性罗盘测斜仪和陀螺测斜仪两种。当使用磁性罗 盘测斜仪

4、测井斜和方位 时，需在钻柱下部连接一定长度用弱磁性（即逆磁性），不易磁化的不锈钢制成的厚壁（壁厚一般在30到 103亳米之间）无磁钻铤和壁厚在1925.4mm之间的厚壁钻杆。其作用除与用普通珞钮合金钢制成的厚 壁钻铤（壁厚一般在30到103亳米之间）在钻井作业中共同对井底头施加一定的破碎岩层压力外，还要 起到衰减与无磁钻铤上、下相连接的铁磁性合金钢钻柱磁场，且自身又不因与铁磁性钻柱连接而产生感应 磁场，为单点或多点磁性罗盘测斜仪安放位苣提供一个不受周用任何磁场干扰情况下，准确测疑井斜方位 角的测疑环境。因此，要求无磁钻铤不但要具有和普通合金钢钻铤相同的物理性能和强度，同时还要有很 好的磁性能（

5、即很低的相对导磁率和磁均匀性 B ）o 无磁钻铤按制造用钢材，可分为蒙乃尔合金钢无磁钻铤、披铜合金钢无磁钻铤和而心立方晶格奥氏体 不锈钢无磁钻铤两大类。前两种合金钢无磁钻铤虽有很好的磁性能，但由于价格昂贵，使用中连接螺纹易 粘结损坏，因此在我国基本不使用。奥氏体不锈钢无磁钻铤虽价格较前两种介金钢无磁钻铤便宜，但磁性 能不如前两种稳左，在弱磁场（即地球磁场）中使用时，仍能保持一左时间较好的磁性能，但若长期在弱 磁场和多种交变应力作用下，将会产生一左的剩磁。如遇强磁场时，往往由于在强磁场作用下，亦将产生 一泄的剩磁两种情况下产生的剩磁都将使相对导磁率和磁均匀性偏离标准规定要求。又由于加工和使用 过

6、程中不稳左奥氏体组织在外部作用力（如敲击，碰撞，冷作硬化等作用下），将有可能向马氏体转变， 使局部部位由原来的弱磁性转变为铁磁性，导致无磁钻铤岀现髙磁性体，使磁均匀性发生变化。 另外由于制造加工工艺不当，产生敏化态不良微观组织，又因钻井作业过程中，无磁钻铤不但经常处 于泄向、扭方位、造斜、增斜、稳斜等复杂井段受拉、压、扭等多种动载应力作用以及含有H：S、CO：、CL 0：等多种腐蚀介质环境下工作，容易产生早期沿晶间腐蚀开裂。因此，API SPEC 7规范中对无磁钻铤的物 理性能、磁性能、晶间腐蚀性能规左了指标要求如下表1： 1、无磁钻铤物理性能 钻铤外 径范围 （英寸） 不锈钢 彼铜 ao.2

7、 Ob 5 O0.2 Oh 6 Psi (N/mm磁性能 在磁场强度为lxl05/47uA/m时，英相对导磁率pr12%的奥氏体不锈无磁钢钻铤要求按照ASTM A 262 E测左不锈钢晶间腐蚀敏感性的硫酸 ) Min %Min 3!/2-67/8 110000 (758) 120000 (827) 18% 110000 (758) 140000 (965) 12 7-11 100000 (689) 110, 000 (758) 20% 100000 (689) 135000 (931) 13 表1无磁钻铤物理性能 具体方法是先将规左尺寸的试样用铜埋没，然后浸泡在沸腾的腐蚀液中保持24小时，取出

8、后折弯180 度，观察最大弯曲部位是否产生晶间裂纹或裂缝，以此来判断英晶间腐蚀敏感倾向。 不锈钢种类虽然很多，但是他们的敏感性能、强度、磁性能、抗晶间腐蚀性能、冷加工性能、奥氏 体微观组织稳宦性等不能完全满足*开发使用要求。因此，结合我国矿产资源，充分发挥和利用我国 资源优势经过多年研究试验，于1993年研究试验成功具有我国独具特色的无磁钻铤专用奥氏体不锈钢， 现已大量投入生产使用。多年来，*在各种复杂条件下大量使用，从大量实物分析数据、检测结果来看， 国产无磁钻铤性能稳泄、耐磨、无弯曲变形，螺纹无粘接断裂，测量数据准确可靠，完全达到国外同类产 品实物水平。据统计，我国无磁钻铤年消耗约400-

9、450根（约600吨），其中国产无磁钻铤比例已达60% 以上，且价格较进口低20-40%0 但与国外同类先进产品相比，实物水平还有一泄的差距，主要有： （1）规格不全。我国自行生产无磁钻铤起步较晚，一些小规格（3/2h）以下无磁钻铤内孔深加工工 艺，加工质量以及大规格无磁钻铤锻造工艺尚待进一步改进和提高。 （2）无磁钻铤内外表而强化、螺纹冷滚压强化工艺还须进一步研究，使无磁钻铤抗应力腐蚀、抗 疲劳性能进一步提高。 （3）与无磁钻铤配套使用的无磁厚壁钻杆、整体无磁稳泄器、无磁转换接头以及其它一些特殊无 磁井下工具等有待进一步开发： （4）无磁厚壁钻杆、无磁稳定器喷焊和镶焊耐磨合金有待开发研究。

10、此外，一些高含H2S、CO2、CL-、02等腐蚀介质*环*井的开发，将需要各种规格的薄璧不锈钢枠 井管以及小规格厚壁钻杆。国外9Cr、13Cr、22Cr、25Cr、29Cr不锈钢和抗腐蚀性的特殊环井管材广泛用 于严重腐蚀地区*ffl目前而对我国严重腐蚀*粋田的开发，如何研制、开发既符合我国国情又能满足 枠*出使用性能要求、价格便宜的耐蚀不锈钢粋井管，仍是摆在我们面前急待解决的课题。 三、不锈钢在粋*输送管及英设备的应用 和井管和天然杯井用管材在髙温、高CO?分圧和高Cl-、H?S浓度条件下工作时，常被CO?腐蚀并产 生应力腐蚀裂纹。输送糅、天然*的管道也是如此，因此也要求具有与环井管材料一样的

11、耐腐蚀性能。以 前这种管道管使用注入缓蚀剂的合金管，后来发展到使用双相不锈钢等耐腐蚀钢管。近几年日本厂家又开 发出一种CCh环境下使用的llCr及在CO汁微量H2S环境下使用的12Cr管道用马氏体不锈钢管。 普通合金管注入防腐剂会提高成本，且在高温下效果也不稳定，由于泄履还会污染环境。双相不锈 钢具有良好的耐腐蚀性能，相对苴他材料而言，采用合适级别的双相不锈钢可以保证设备使用寿命长、维 修方便，虽然一次性材料成本较高，但是长期看来成本低廉。现市场上有多种系列双相不锈钢，每种钢级又由不同的生产厂而不同。按照苴耐点蚀、缝蚀的能力，可以将双相不锈钢分为低级双相不锈钢、标准双 相不锈钢、超级双相不锈钢

12、。双相不锈钢抗点蚀的能力是奥氏体不锈钢的两倍多，与之相比，双相不锈 钢具有更好的抗C1-应力腐蚀裂纹的能力。这种性能结合良好的韧性、合适的焊接性能及规格的多样化， 使之应用广泛，*杯工业是应用特别成功的一个领域。 奥氏体和铁素体双相不锈钢在一立程度上兼有奥氏体钢和铁素体钢的特征。奥氏体相降低了高铅铁 素体不锈钢的脆性，防止了晶粒长大倾向，提髙了韧性和可焊性；铁素体相的存在，提髙了奥氏体不锈钢 的室温强度、尤其是屈服强度和导热系数，降低线膨胀系数和焊接热倾向，同时大大提高钢的耐晶间腐蚀、 抗氯化物应力腐蚀和腐蚀疲劳等性能。提髙洛、铝含量，还可以改善耐点蚀性能，但是铁素体含量高时， 会保留髙洛铁素

13、体不锈钢的各种脆性倾向。比如，对于2205双相不锈钢，当铁素体含量小于25%时，钢 板强度和抗SCC能力将降低很多：大于60%70%时，钢板韧性和抗点蚀能力降低，氢至开裂可能性增 大。因此在双相钢中要严格控制奥氏体和铁素体的比例。 图1 2205不锈钢金相显微组织 、 C Cr Ni Mo N 母材 0.02 22 5.5 3 0.17 焊缝 0.02 23 9.5 3.2 06 双相不锈钢理想的组织是铁素体和奥氏体各占50%,实际生产过程中，综合考虑各种合金元素的作 用，通过调整各种元素的配比，来获得理想的组织和性能。在和工程克拉2和田管道项目建设中，就采用 了 2205双相不锈钢，母材中铁

14、素体相比例的范国为4060%,焊缝金属及热影响区中铁素体相比例的范 羽控制在3060%。所采用不锈钢的化学成分见表2,金相组织见图1。 表2 2205不锈钢主要化学成分 因2205不锈钢Pre值较髙，为35左右，所以英耐蚀性比不含Mo的SAF2304要高很多。目前的发 展趋势是进一步提髙含N量，不仅提髙强度，而且增加了不锈钢在氯离子浓度高的酸性介质中的耐腐蚀性 能。 不锈钢的腐蚀破坏多是局部腐蚀破坏，最常见的有晶间腐蚀、孔蚀和应力腐蚀。各种不同不锈钢的 各种腐蚀破坏的机理也不一样。晶间腐蚀是由于碳化物沿晶界析岀造成贫Cr区，常发生在焊后的热影响 区内。加入N元素有助于在焊缝接头处生成奥氏体，并

15、且在焊后热影响区保持稳左。根据耐点蚀当量 PRE=Cr%+3.3Mo%+16N%,点腐蚀和缝隙腐蚀的能力是由Cr、Mo和N的含量决左。对于2205不锈钢， N含量不仅能提髙材料对局部腐蚀的耐力，而且对焊后金相组织有有益彫响。经验证明：2205不锈钢的 CPT （点腐蚀临界温度）和CCT （缝隙腐蚀临界温度）与普通奥氏体不锈钢相比更高，具有极佳的耐点腐 蚀和缝隙腐蚀能力。奥氏体不锈钢的应力腐蚀开裂与氯离子浓度、残余应力大小、环境温度、焊接热处理 导致的敏化、中性环境溶解氧的浓度、材料使用环境的PH值、表而附着物和合金元素等相关。 双相不锈钢具有很好的可焊接性，但如果焊接处理不当，生成的金属中间相

16、沉淀不仅影响焊后性能, 也影响母材的耐腐蚀性能。因此焊接时，焊接线能量的输入以及热处理后冷却速度对焊后组织有很大的影 响，可能导致热影响区铁素体含量。而铁素体中碳固溶度极低能沿晶界生成碳化物，从而使焊接热影响区 具有晶间腐蚀敏感性，同时降低了塑性。实际操作时，较低的线能量辅以大的冷却速度会导致铁素体含疑 偏高，并能生成氮化物，最终降低抗腐蚀能力和韧性值；较髙的输入线能量辅以低冷速，最终也降低抗腐 蚀能力和韧性。 近年来双相不锈钢现已被广泛用于所有大粋公司的主要管道系统开发，也是海上*环*输送工程的主 要材料。标准双相不锈钢在甜、湿、酸服役环境下表现很好。低钢级碳素钢内部腐蚀率较高，尽管可以采

17、用外加防腐剂来防止外部腐蚀，却不能有效地防止内部腐蚀。不仅如此，在50弋以上的环境温度下，还 可能会导致应力腐蚀裂纹SCC）,所以双相不锈钢也就逐步取代了 300不锈钢。随着H：S在输送* 中的浓度增加，同时伴随着输*温度、压力及管道温度的增加，超级双相不锈钢开始用于管道系统、阀门、 热交换器、压力容器。当*工业逐渐转向高温髙压工程时，将会更多地采用超级双相不锈钢。一个一般的 管道处理系统，将会采用200-1000吨超级双相不锈钢。此外，超级双相不锈钢还可用于低压输送系统、海 底输送管道。 双相不锈钢价格较髙，影响其产品的推广。近年在管道输送中，一种新型的马氏体不锈钢被研制出 来国。川崎制铁开

18、发了 CO?环境下使用的0.01C-llCr-1.5Ni-0.5Cu-0.01N及在CO2+少量H2S环境下使用的 0.01C-12Cr-5Ni-2Mo-0.01N管道管。该两种钢种的强度都是X80级，夏比冲击值100J （-40C,焊接状 态）以上，具有无需预热和焊后不做热处理也不会产生裂纹的优异焊接性能。由于含碳星减低后，餡碳化 物减少，钢的耐腐蚀性能得以大大提高。此外，还具有足够的低温韧性。所以完全可以取代采用防腐剂的 钢管和价格昂贵的双相不锈钢作为*杆输送管道用材。 四、不锈钢在粋企业中的应用 杓行业中不锈钢的用量近几年在日益增多，但是随着杓加工业向现代化、大型化和高效化的发展， 腐蚀

19、越来越突岀，需要越来越多的低C、超低C、高纯铁素体等髙度不锈无缝钢管及不锈钢焊管。 在杯加工中，常减压、蒸慵、催化裂化、延迟焦化、脱硫加氢精制等新有管线都受到不同程度的腐 蚀。据了解，如果一套大型炼厂加工装备用钢7590（,其中腐蚀部分用钢617to除壳体内层用不锈钢板外， 其加热炉管、换热器管、冷凝器管、循环及输送管道，广泛使用不锈耐蚀钢管。我国大、中、小型*炼厂， 估计每年维修用不锈耐蚀用无缝钢管2000左右，以304、304L、316、316L髙Ni或髙纯铁素体不锈无 缝钢管为主，还有少量的Incoloy800,其中外径19-630mm占63%。 双相不锈钢与通常的18-8奥氏体不锈钢相

20、比，屈服强度6约为奥氏体钢的2倍，韧性优于铁素体不 锈钢，加工成形性好，焊接后不需要热处理，特别适用于抗H?S应力腐蚀和C1-应力腐蚀的环境。国产 00Crl8Ni5Mo3Si2N双相不锈无缝钢管，用于炼杯厂加氢装备、聚氯工烯生产装备，取得良好的效果，已 为用户认识。随着VOD精炼技术的进步，高N和高Ni双相钢的生产将会使双相不锈钢无缝钢管的应用范 囤进一步扩大。 髙纯铁素体不锈钢，用于抗各种氧化介质、适中的还原介质及卤化介质引起的点蚀、缝蚀、应力腐 蚀，优于316L,已广泛用于换热器、炼杯设备、氯化或腐蚀苛刻的环境中 Incoloy800系列属Fe-Ni-Cr 合金，较高的Cr含量使合金表而

21、形成一层保护性良好的氮化膜，较高的Ni含量使表而氯化膜具有良好的 粘附性，故具有很好的抗氧化、搞硫化能力。该系列已广泛用于乙烯裂化炉管、热交换器、加氢裂化、加 氢脱S等装宜上。 除了钢管，*设备制造和维修还使用321-316L等牌号的中厚板、斛化工容器用冷轧不锈钢薄板（通 常为 0.30.6mm、12191520mm、SUS316,表而状态为 NO.2B/2D）。 五、压力容器用不锈钢 在压力容器不锈钢的研制、生产和应用方而，铁素体-奥氏体双相不锈钢取得了较大的技术进展，英 中尤其以OOCrl8Ni5Mo3Si2钢板的工作较为完善，已在压力容器中得到了应用。该钢在耐应力腐蚀和耐孔 蚀等局部腐蚀

22、方面与18-8型不锈钢相比更显示出独特的优越性。太原钢铁公司已成功地生产了 OOCrl8Ni5Mo3Si2热轧中板和冷轧薄板，该双相不锈钢已列入了 JB4732-95标准和GB150-19977L 另外，一种在普通奥氏体不锈钢基础上发展起来的髙合金奥氏体不锈钢00Cr20Nil8Mo6CuN具有优 良的抗点蚀、间隙腐蚀、均匀腐蚀和应力腐蚀的能力，热成型和冷成型均有良好表现，可焊性能良好。在 国外它已经发展为一种成熟的耐蚀材料，在国内使用效果良好凶。另一种髙级奥氏体不锈钢 00Cr20Ni25Mo6.5CuN, Cr具有抗氧化性介质腐蚀能力，Mo N、6提高乐抗点蚀、缝蚀和应力腐蚀的能 力，兼有

23、髙强度、髙耐蚀性及髙热稳左性能。国外已经将其广泛用于炼粋工业的原杆蒸锚设备、海洋平台 系统等的容器及管道。 双相不锈钢兼有奥氏体和铁素体两相组织特征，既保留乐铁素体不锈钢导热系数大、线膨胀系数小、 耐点蚀、缝蚀及氯化物应力腐蚀性能的特点，又具备奥氏体钢韧性好、脆性转变温度较低、抗晶间腐蚀、 力学性能和焊接性能好的优点。SAF2205双相不锈钢占世界产量的80%,我国工程中应用也较多。 此外，近几年来我国爆炸不锈钢复合钢板已在压力容器中得到广泛应用。其中复合钢板中的复层钢 板有奥氏体型不锈钢（如 0Crl8Ni9、0Crl8Nil0Ti、00Crl7Nil2Mo2 00Crl9N订0、00Crl

24、7N订4Mo2）、铁 素体不锈钢（如0Crl3Al）.马氏体型不锈钢（如0Crl3）,还有铁素体-奥氏体双相不锈钢（如 00Crl8Ni5Mo3Si2）,基层钢板既有碳素钢（如Q235-A、20R）,也有低合金高强度钢板（如16MnR）、中温抗 氢钢板（如15CrMoR）,还有低合金锻件（如16MnIII等），由此可见我国爆炸不锈钢复合板的品种还较为齐 全。 六、不锈钢焊管在*行业的应用 随着脱硫技术、真空脱杠技术、热轧技术及检测技术的改进，直缝电阻焊不锈钢管代替无缝钢管， 在许多发达国家，也逐步用于环套管、管线输送管、*管、化工管道等。 据统汁，全世界大约有17个国家的50家企业生产用于*钻

25、采的直缝焊管，其中美国有16家，年产 80*卜儿世界上规格最大的0660mm直缝电阻焊管和生产速度最快的直缝电阻焊管生产线在日本。日本生 产焊管品种、规格最多，焊管表面涂层加工技术在国际上也处于领先地位。在日本，近二十年来不锈钢焊 管的年产量始终约为不锈钢总产量的5%左右，材质主要是Ni-Cr奥氏体不锈钢焊管和无Ni的Cr铁素体 不锈钢焊管。日本把不锈钢焊管分为四大类：即Cr不锈钢管、Ni-Cr-Mo不锈钢管、其它不锈钢管。主要 应用于耐腐蚀管道系统、锅炉热交换器等六大领域，英中粋化工领域的市场份额近两年占54%。在生产资 料市场中，以耐腐蚀管道系统为最主要的领域，约占年产量的95%以上。在徳国，以徳马克-米尔公司产 品为代表的焊