海洋工程用金属材料课件

海洋工程用金属材料海洋工程用金属材料11．前言2，海洋油气开发装备产业的发展状况3，海洋油气开发装备用金属材料1．前言21．前言1．前言321世纪是海洋的世纪2001年全球海洋产业的总产值已达1.3万亿美元，预计到2010年将进一步上升到3万亿美元以上。海洋经济：海洋渔业、海洋运输、海洋旅游、海洋食品、海洋勘探、海洋油气、海洋矿物（海底锰结核）、海洋新能源（潮汐发电、波浪发电、可燃冰等）、海洋生物工程（提取海洋生物制品治疗癌症和糖尿病等疾病、提取无污染杀虫剂和化妆品等新原料）等等21世纪是海洋的世纪4海洋油气产业、海洋旅游产业、现代海洋渔业、海洋交通运输业已成为目前海洋经济的四大支柱产业。海洋油气产业是全球最大的海洋产业。海洋油气产业、海洋旅游产业、现代海洋渔业、海洋交通运输业已成5全球的海洋石油储量约占整个地球石油总储量的45%。世界各国可利用的钻井平台总数中有41%役龄已超过20年，需要在5年左右的时间内更新。近海区域油气资源因开采而不断减少，需要向深海发展。全球的海洋石油储量约占整个地球石油总储量的45%。6

海洋平台是在海洋上进行作业的场所。海洋石油钻探与生产所需的平台，主要分钻井平台和生产平台两大类。在钻井平台上设钻井设备，在生产平台上设采油设备。平台与海底片口有立管相通。平台是进行海上钻井与采油作业的一种海洋工程结构。海洋平台一般都高出海面，能够避免波浪的冲击。型式有三边形、四边形或多边形。上下两层甲板或单层甲板面供安装、储存钻井或采油设备用。

7海洋工程用金属材料课件8按运动方式，可分为固定式与移动式两大类

群柱式桩基式腿柱式海洋平台固定式移动式桩式重力式浮式坐底式顺应式船式半潜式坐底式自升式独立腿式沉垫式牵索塔式张力腿式海洋平台的分类按运动方式，可分为固定式与移动式两大类群柱式海洋9半潜式钻井平台

半潜式钻井平台，又称立柱稳定式钻井平台。它是大部分浮体沉没于水中的一种小水线面的移动式钻井平台，它从坐底式钻井平台演变而来，由平台本体、立柱和下体或浮箱组成。此外，在下体与下体、立柱与立柱、立柱与平台本体之间还有一些支撑与斜撑连接，在下体问的连接支撑一般都设在下体的上方，这样，当平台移位时，可使它位于水线之上，以减小阻力；平台上设有钻井机械设备、器材和生活舱室等，供钻井工作用。平台本体高出水面一定高度，以免波浪的冲击。下体或浮箱提供主要浮力，沉没于水下以减小波浪的扰动力。平台本体与下体之间连接的立柱，具有小水线面的剖面，主柱与主柱之间相隔适当距离，以保证平台的稳性，所以又有立柱稳定式之称。

半潜式钻井平台

半潜式钻井平台，又称立柱稳定10海洋工程用金属材料课件11钻井船

钻井船是设有钻井设备，能在水面上钻井和移位的船，也属于移动式(船式)钻井装置。较早的钻井船是用驳船、矿砂船、油船、供应船等改装的，现在已有专为钻井设计的专用船。目前，已有半潜、坐底、自升、双体、多体等类型。钻井船在钻井装置中机动性最好，但钻井性能却比较差。钻井船与半潜式钻井平台一样，钻井时浮在水面。井架一般都设在船的中部，以减小船体摇荡对钻井工作的影响，且多数具有自航能力。钻井船在波浪中的垂荡要比半潜式平台大，有时要被迫停钻，。增加停工时间，所以更需采用垂荡补偿器来缓和垂荡运动。钻井船适于深水作业，但需要适当的动力定位设施。钻井船适用于波高小、风速低的海区。它可以在600m水深的海底上进行探查，掌握海底油、气层的位置、特性、规模、贮量，提供生产能力等

钻井船

钻井船是设有钻井设备，能在水面上钻井和移位的12海洋工程用金属材料课件13

生产平台通常又叫浮油平台，是专门从事海上油、气等生产性的开采、处理、贮藏、监控、测量等作业的平台。有的是单个平台，也可由几个不同用途的平台扭引桥相连，组成石油生产基地。按建筑材料可分为钢筋混凝土平台和钢质平台；按结构型式可分为固定式平台和移动式平台。固定式平台又可分为桩基式与重力式两种；移动式平台又可分为自升式与张力腿式、牵索塔式等。

生产平台

生产平台通常又叫浮油平台，是专门从事海上油、气等生产14

1、重力式采油平台它一般都足钢筋混凝土结构，作为采油、贮存和处理用的大型多用途平台，它由底部的大贮油罐、单根或多根立柱、平台甲板和组装模块等部分组成，规模较大的，可开采几十口井，贮油十几万吨，平台的总重量可高达数十万吨。各类平台，根据作业要求，配备相应的采油，处理及生活等设施。1、重力式采油平台15海洋工程用金属材料课件16

2、导管架式平台桩基式平台用钢桩固定于海底。钢桩穿过导管打入海底，并由若干根导管组合成导管架。导管架先在陆地预制好后，拖运到海上安装就位，然后顺着导管打桩，桩是打一节接一节的，最后在桩与导管之间的环形空隙里灌入水泥浆，使桩与导管连成一体固定于海底。这种施工方式，使步上工作量减少。平台设于导管架的顶部，高于作业区的波高，具体高度须视当地的海况而定，一般大约高出4-5m，这样可避免波浪的冲击。桩基式平台的整体结构刚性大，适用于各种土质，是目前最主要的固定式平台。但其尺度、重量随水深增加而急骤增加，所以在深水中的经济性较差。2、导管架式平台17海洋工程用金属材料课件18

3、张力腿式平台

张力腿式平台是利用绷紧状态下的锚索链产生的拉力与平台的剩余浮力相平衡的钻井平台或生产平台。一般来说，半潜式平台的锚泊定位系统，都是利用锚索的悬垂曲线的位能变化来吸收平台在波浪中动能的变化。悬垂曲线链的特征之一是链的下端必须与水底相切，以保证锚柄不会从水底抬起，这样就可保证锚的抓力。张力腿式平台也是采用锚泊定位的，但与一般半潜式平台不同，其所用锚索是绷紧成直线的，不是且悬垂曲线的，钢索的下端与水底不是相切的，而是几乎垂直的。用的锚是桩锚（即打入水底的桩作为锚用），或重力式锚（重块）等，不是一般容易起主的转爪锚。张力腿式平台的重力小于浮力，所相差的力可依靠锚索向下的拉力来补偿，且此拉力应大于波浪产生的力，使锚索上经常有向下的拉力，起着绷紧平台的作用。3、张力腿式平台19海洋工程用金属材料课件20

4、牵索塔式平台

牵索塔式平台是一瘦长的桁架结构，其下端依靠重力基座坐落于海底或是依靠支柱加以支撑，其上端支承作业甲板。桁架的四周用钢索、重块、锚链和锚所组成的锚泊系统加以牵紧，使它能保持直立状态。由于这种平台是由锚泊系统牵紧的，它在小风浪时仅发生微幅摆动；风浪大时，由于桁架结构摆动幅度大，会把重块拉得离开海底，从而要吸收掉风浪的一部分能量，因此平台仍可维持在许可范围内摆动。这种平台结构简单，构件尺寸小，故所受到的风、浪、流的作用力也小。这种平台能适用于300～600m水深的海域。但若水深超过600米，则由于要提高桁架的抗弯能力，建造时所耗用的材料会大大增加，经济上不一定合算。

4、牵索塔式平台21海洋工程用金属材料课件22我国是仅次于美国的全球第二大石油消费国。2020年我国石油消费需求量为4.0～4.5亿吨，国内可供量为1.8～2.0亿吨。石油的对外依存度将从目前的接近50%，进一步上升到55%，远远超过国际公认的30%警戒线我国是仅次于美国的全球第二大石油消费国。23目前国内石油产总量的70%集中在普遍进入开发后期。我国所管辖的海域蕴藏着丰富的油气资源，初步估算可达388亿吨油气储量，其中我国南海油气资源被称为“第二个中东”。水深不超过200米的近海大陆架，如渤海湾、珠江口和南海北部湾等海域的原油当量产量已达4000万吨左右。

目前国内石油产总量的70%集中在普遍进入开发后期。24我国南海北部的海域地质、地球物理与地球化学调查也揭示了存在天然气水合物的可能性，这种通常埋藏在深水区域浅表层的天然气水合物，极有可能成为接替常规石油和天然气的新能源。我国南海北部的海域地质、地球物理与地球化学调查也揭示了存在天252．海洋油气开发装备产业的发展状况2.1海洋油气开发装备产业的范围界定与战略2.2世界海洋油气开发装备产业的发展概况2.3我国海洋油气开发装备产业的现状与差距2．海洋油气开发装备产业的发展状况2.1海洋油气开发装备产262.1海洋油气开发装备产业的范围界定与战略

主要包括海洋石油和天然气的钻井平台、采油平台、钻井成套设备、钻井采油设备、油气分离处理设备、油气集输设备等核心工程设备，以及钻井辅助采油设备、海洋船舶工程通用系统等配套工程设备。海洋油气开发装备产业是涉及国家能源稳定和国家经济安全的战略性产业

2.1海洋油气开发装备产业的范围界定与战略

主要包括海洋石油272.2世界海洋油气开发装备产业的发展概况世界100多个沿海国家都在海洋油气产业上加大投资和开发力度。目前已有60多个国家进行深水油气的勘探和开发，形成严峻的区域竞争格局。产业的核心产品研制主要掌握在北美、西欧及东亚地区的少数发达国家手中。2.2世界海洋油气开发装备产业的发展概况世界100多个沿海国28北美地区的美国在世界海洋油气资源开发技术方面仍保持主导地位美国的关键技术设备，国内成套率和全球市场份额居世界各国之首。世界海洋石油技术装备市场份额的50%以上为美国的跨国公司所占据，休斯敦已成为全世界海洋石油技术开发中心。拉美地区的巴西是发展中国家中海洋石油设备国产化程度最高的国家，其海底完井装置数量为全球之最。北美地区的美国在世界海洋油气资源开发技术方面仍保持主导地位29欧洲的英国和法国是除美国之外海洋石油工业技术发展较为成熟的国家英国的动力定位技术法国的高压石油软管制造技术挪威的水泥重力平台设计制造技术意大利的海上铺管、管线涂敷，全液压无线绞车新型钻井技术和装备瑞典的动力定位铺管技术荷兰的大吨位海上浮吊装备和海底工程地质调查技术德国的海上液压工业装备技术、大功率变频电力拖动技术欧洲的英国和法国是除美国之外海洋石油工业技术发展较为成熟的国30亚洲的日本、韩国在海洋工程制造领域快速发展日本依靠造船、冶金、电子技术的全球优势，在油气开发平台、海洋工程结构、石油管材及平台配套设备方面取得了重大突破。韩国的海洋平台建造技术以价格低廉、交货迅速、质量上乘的优势在夺标方面往往超过美国、英国、法国、日本等，目前世界上已建成的超深水半潜式和浮船式钻井平台大部分来自韩国。亚洲的日本、韩国在海洋工程制造领域快速发展日本依靠造船、冶312.3我国海洋油气开发装备产业的现状与差距我国海洋油气开发装备产业经历了几十年的发展历程，取得了显著的成绩。从1970年至今，共设计建造了移动式钻井平台12座、固定式（导管架）采油平台65座、浮式生产储油船（FPSO）11条、半潜式钻井平4座等。已能制造成套1500～7000m等系列钻机及配套设备、4500m修井机、平台采油树、13.75in×69mpa防喷器等用于海上平台钻井和采油装备。2.3我国海洋油气开发装备产业的现状与差距我国海洋油气开发装32与市场需求和国外水平相比，还存在着很大差距，特别是深海油气开发装备。

我国开发的导管架平台应用仅限于100米水深以内，而国际上已研究开发作业水深3000米以上的第六代半潜式钻井平台。海洋油气钻井设备的最大钻井深度虽能达到7000米，但国际上海洋油气的最大钻井深度可达9000～12000米。国内厂商基本上停留在船体制造上，设备大多数由国外建造配套。海洋油气开发装备的落后，已经成为制约我国海洋经济发展的主要瓶颈之一。与市场需求和国外水平相比，还存在着很大差距，特别是深海油气开333海洋油气开发装备用金属材料3.1海洋油气钻采平台等大型海洋结构物用金属材料3.2海洋油气钻采设备用金属材料3.3海洋油气输送和贮藏设备用金属材料3海洋油气开发装备用金属材料3.1海洋油气钻采平台等大型34海洋油气开发装备海洋油气钻采平台等大型海洋结构物、海洋油气钻采设备、海洋油气输送贮藏设备和其它辅助配套工程装备。其中海洋油气钻采平台通常分为可变换位置的移动式结构和固定于海底的固定式结构物。移动式结构具有代表性的是自升式钻探平台和半潜式钻探平台，主要用于勘探钻井及试开采。在试开采后确认有商业价值，便安装固定式采油平台。固定式采油平台主要有导管式平台、重力式平台、牵索塔式平台、张力腿式平台及单立柱式平台等随着海上油田离岸距离的增大，一种新型的油气开采平台FPSO（海洋浮式生产储油系统）在上世纪80年代兴起后，现已得到广泛应用。海洋油气开发装备海洋油气钻采平台等大型海洋结构物、海洋油气钻35海洋浮式生产储油系统（FPSO）海洋浮式生产储油系统（FPSO）作为高技术、高附加值的新型海上石油开采关键设备，已成为世界海上油田开发的主流方式，它自20世界80年代兴起，现已得到广泛应用，截止2008年3月底，全球运营的FPSO有212台。该系统由一艘浮式生产储油轮和一艘穿梭油轮组成，以浮式生产储油轮为基础，对开采的石油进行储存，随后通过穿梭油轮外输，它是集生产和生活系统为一体的海洋石油生产基地。FPSO与海洋平台相比具有初期投资少、建造周期短、迁移方便、可重复使用及不需铺设长距离输油管线等优点，最大作业水深2000米。海洋浮式生产储油系统（FPSO）36浮式生产储油装置(FPSO)

FloatingProductionStorageandOffloading浮式生产储油装置(FPSO)

FloatingProduc37海洋工程用金属材料课件38海洋工程用金属材料课件393.1海洋油气钻采平台等大型海洋结构物用金属材料3.1.1海洋油气钻采平台等大型海洋结构物工况特点和对金属材料的要求3.1.2海洋油气钻采平台等大型海洋结构物用金属材料3.1海洋油气钻采平台等大型海洋结构物用金属材料3.1.1海403.1.1海洋油气钻采平台等大型海洋结构物工况特点和对金属材料的要求海洋油气钻采平台等大型海洋结构物，处在风、浪、流、海水腐蚀、甚至严寒的恶劣环境下工作，特别在深海域，还受到海洋密度分层产生的内波影响及水波流场和结构物相互作用的势流动力学影响，因此往往具有特殊的结构形式，并且在材料上提出了比船舶用钢更高的要求。3.1.1海洋油气钻采平台等大型海洋结构物工况特点和对金属材41硫含量和Z向性能的要求

（我国船舶检验局规定）

Z向性能（板厚方向的断面收缩率Ψz）

硫含量和Z向性能的要求

（我国船舶检验局规定）Z向性能（板42强度和韧性要求要求屈服强度高，特别是移动式平台，要求采用400～690MPa级高屈服强度的钢材。对韧性的要求高。在寒冷地区，需要有足够的低温韧性。强度和韧性要求要求屈服强度高，特别是移动式平台，要求采用4043耐腐蚀性能要求海洋结构物在海洋环境下将受到潮流、盐分、水温、微生物等腐蚀影响，并且在海水中的不同部位（海洋大气带、飞溅带、潮差带、全浸带和海土带）受到的腐蚀情况不同。耐腐蚀性能要求海洋结构物在海洋环境下将受到潮流、盐分、44海洋大气带的腐蚀为海洋大气腐蚀海洋大气中有大量含盐微粒的水气，加上雨、雾、风速、相对湿度等气象因素，海洋大气腐蚀要比其它类别的大气腐蚀严重。耐海洋大气腐蚀的有效合金元素Cu、P、Si、Al、Mo、Cr等，其中效果最显著的元素为Cu、P，不与海水直接接触的海洋结构物部分可采用耐海洋大气腐蚀钢。海洋大气带的腐蚀为海洋大气腐蚀海洋大气中有大量含盐微45飞溅带一般是指平均潮位受到波浪作用的上限部分受到海水交替的干湿变化，溶解的氧量也比较多。由于日光的照射使温度升高，再加上海面的污损生物、浮油等的附着以及台风、流水等促进腐蚀因素，所以腐蚀极为剧烈，是海水腐蚀环境中腐蚀最严重的部位，其腐蚀速度可达到全浸带的好几倍。提高钢在飞溅带的耐腐蚀能力的有效合金元素P、Cu、Mo、Ni、Cr、Si、W、Ti等，效果最显著的元素为P、Cu、Mo。飞溅带一般是指平均潮位受到波浪作用的上限部分受到海水交替的46潮差带和飞溅带同样也是腐蚀严重的部位但由于潮差带的供氧情况比下部的全浸带好，在潮差带和全浸带之间形成的氧的浓差电池，使潮差带作为该电池的阴极而受到保护，使腐蚀的速度和程度降低，提高钢在潮差带的耐腐蚀能力，可选用与飞溅带相同的有效合金元素。潮差带和飞溅带同样也是腐蚀严重的部位但由于潮差带的供氧47全浸带指潮差带与海底之间海水浸没的部分全浸带由于上述氧浓差电池作用和海水流动造成金属上氧的不均匀分布形成的氧浓差电池及海洋生物的作用，加上不同的金属接触所产生的电化学腐蚀，所以除了金属的均匀腐蚀，还会产生局部腐蚀或点蚀。减轻材料在全浸带腐蚀的有效元素Cr、P、Al、Mo、Si等，特别是Cr。在深海，由于含氧量少，海水温度随水深而降低，海洋生物附着减少，同时海水流速也减慢，所以腐蚀速度反较慢，合金元素效果也变得不明显。全浸带指潮差带与海底之间海水浸没的部分全浸带由于上述氧浓差48海土带中氧极少，所以腐蚀也最轻。对部分埋在海底，部分裸露在海水中的钢结构，由于氧的氧浓差电池作用，加快了埋在海土中的部分钢的腐蚀。在海土中，特别是在浅海海土中，由于从陆地上流入的污染土中存在大量促进腐蚀的微生物，腐蚀较为剧烈。海土带中氧极少，所以腐蚀也最轻。对部分埋在海底，部分裸露在49冷加工性要求

一般船体结构用钢，即使是大型船舶用钢，仅用30～50mm厚的钢板，但海底石油采掘设备等大型海洋结构物则需要用60～70mm，甚至更厚的钢板，而且主要是进行冷加工，因此需要钢板有更好的冷加工性能。冷加工性要求一般船体结构用钢，即使是大型船舶用钢，仅用50焊接性能要求

大型海洋结构物大多是管件，圆形构架状的组合，形状变化大，往往需要将数据组合的管子在应力集中处进行焊接，并且大多在露天或海上作业条件很差的情况下焊接，所以要求材料有比舰船用钢更好的焊接性能和更便于焊接操作的条件。焊接性能要求大型海洋结构物大多是管件，圆形构架状的组合513.1.2海洋油气钻采平台等大型海洋结构物用金属材料海洋油气钻采平台等大型海洋结构物主要采用钢质材料建造，大量使用的钢材是焊接高强度结构用钢和焊接低合金高强度耐海水腐蚀用钢，它们除了按各种船级社规范进行要求外，常常还要求耐层状撕裂性能和焊接接头的COD性能，比规范要求更为严格。3.1.2海洋油气钻采平台等大型海洋结构物用金属材料海523.1.2.1海洋油气钻采平台用焊接高强度结构钢对平台的本体结构物必须充分考虑结构是否会因水压产生弯曲变形，并且在施工时使用冷热加工及焊接接头必须满足疲劳强度，通常采用抗拉强度为500MPa级的正火型高强钢，钢板厚度通常不大于130mm，不建议用调质型高强钢。3.1.2.1海洋油气钻采平台用焊接高强度结构钢对平台53海洋油气钻采平台经常采用的焊接高强度结构用钢屈服点为320MPa的AH32-EH32钢、屈服点为360MPa的AH36-EH36钢、屈服点为390～690MPa级钢，如美国的ASTMA537C1.2,A543,A633Gr.E,A678Gr.D,A710Gr.C,A737Gr.C，英国的BS436055E和55F，挪威的NVF420和460，日本的KA43、47、51、56、63、63N、70、70N、KD43、47、51、56、63、63N、70、70N，KE43、47、51、56、63、63N、70、70N，KF43、47、51、56、63、63N、70、70N等。海洋油气钻采平台经常采用的焊接高强度结构用钢屈服点为3543.1.2.2海洋油气钻采平台用焊接低合金高强度耐海水腐蚀用钢

海洋环境对钢的腐蚀情况非常复杂，目前还没有一个低合金钢号能全面达到海洋环境的要求。目前国外工业生产的低合金耐海水腐蚀用钢按成份系列可分为:Ni-Cu-P系、Cr-Nb系、Cr-Cu系、Cr-Al系、Cr-Cu-Si系、Cr-Cu-Al系、Cr-Cu-Mo系、Cr-Cu-P系、Cr-Al-Mo系等，以下介绍典型的钢号。3.1.2.2海洋油气钻采平台用焊接低合金高强度耐海水腐蚀55美国的Mariner钢

Ni-Cu-P系的半镇静钢，其屈服强度和抗拉强度分别为：355MPa和490MPa以上，特点是在飞溅带的耐海水腐蚀性能好，为普通碳素钢的2～3倍，即使在没有混凝土包履等防护措施的情况下，也能长期的使用，而且很少发生点蚀。但此钢中含P量较高（0.08～0.15%P），不适宜厚度大于20mm钢板的焊接，不能用于焊接的海洋结构物，主要用作护堤、筑堤等用的钢桩。美国的Mariner钢Ni-Cu-P系的半镇静钢，其56日本的Mariloy钢

该钢针对美国“Mariner”钢P含量高、焊接性能差及全浸带耐腐蚀性能差的问题而研制的耐海水腐蚀钢，包括2个强度级别（σs≥400MPa和σb≥490MPa），三种不同海水部位（飞溅带、全浸带、飞溅带和全浸带）的6个钢号，它们是钢中含P量≤0.03%的Cr-Cu系低合金耐海水腐蚀钢，其中Mariloy钢P50的σs≥325MPa，σs≥490MPa，在飞溅带的耐腐蚀性能是普通碳素钢的2倍左右，用于系船浮标、钢桩等，适用厚度6～25mm。日本的Mariloy钢该钢针对美国“Mariner”57法国的APSCr-Al钢

该钢包括APS20A、APS20M、APS25三个钢号,它们均含有4%Cr，APS20A含有0.90%Al，APS20M含有0.90%Al和0.15%Mo，APS25含有0.60%Al和0.15%Mo及0.80%Ni。正火后20mm以下钢材的强度为：APS20A、APS20M的σs≥310MPa，σs≥490MPa；APS25的σs≥590MPa，σs≥835MPa；它们的耐海水腐蚀性能大大优于碳钢，在海水中全浸46个月的对比腐蚀试验表明，为碳钢的2.18～3.23倍，它们在焊接时不需要预热或焊后热处理，但以650℃消除应力为宜；缺点是该钢有晶粒长大倾向，因此要防止过热，并且除氩弧焊外，不能做到含Al均匀的焊缝；APSCr-Al钢用于制造船舶管道、海水制水设备、防波堤的护板、闸门、渡船、救生艇、盐器设备等.法国的APSCr-Al钢该钢包括APS20A、A58我国从1965年起开始研制耐海水腐蚀钢

试验钢号近200种，其中10Cr2MoAlRE、08PVRE、09MnCuPTi、10MnPNbRE、10NiCuAs、10CrMoAl等已通过鉴定，但除了少数用户因个别工程需要订货外，尚未推广开来，应用少，产量也少，多用在钢板桩、海水冷凝器、输海水管线、管桩、船坞闸门等方面，尚未涉及大型的固定式和移动式海洋结构物。我国从1965年起开始研制耐海水腐蚀钢试验钢号近20593.2海洋油气钻采设备用金属材料3.2.1海洋油气钻采设备工况特点和对金属材料的要求3.2.2海洋油气钻采设备用金属材料3.2海洋油气钻采设备用金属材料3.2.1海洋油气钻采设备603.2.1海洋油气钻采设备工况特点和对金属材料的要求

随着油气资源的枯竭，对原来曾抛弃的具有腐蚀环境的油气井重新进行开采，特别是上世纪70年代初开始的石油危机以来，随着海洋油气的全面开发，各类工况的油气井越来越多，含有腐蚀性气体的油气井日益增加，钻采的深海化，寒冷化和钻采技术的进步，使钻采设备的工况变得更加复杂。3.2.1海洋油气钻采设备工况特点和对金属材料的要求61腐蚀问题CO2腐蚀和硫化物腐蚀（H2S应力腐蚀）；酸处理腐蚀，为了提高油气生产率、回收率，采用注入强酸（如1.5%HF+13.5%HCl+缓蚀剂）技术，增加地层溶解带来的腐蚀；工作液腐蚀，随着开发井的高压化，往往采用在套管和油气流动管道之间流入高比重、高浓度金属卤化物工作液的技术，带来管道表面的应力腐蚀。腐蚀问题CO2腐蚀和硫化物腐蚀（H2S应力腐蚀）；酸处62温度问题

深井带来的高温环境：由于油气的高深度带来钻采温度的升高；低温海水带来的石蜡析出问题：深海油气生产中由于受深海低温海水的影响，管内油气温度下降引起管内内壁折出石蜡，使流速下降而降低生产率。温度问题深井带来的高温环境：由于油气的高深度带来钻采温63对环境污染问题油井管螺纹接头经常采用石墨、重金属、黄油构成的润滑剂和接头磨损后油气泄漏带来的海洋环境污染问题。对海洋油气钻采设备用金属材料有高耐蚀性、高强度、对输送流体有保温性、必要的螺纹接头性及限制使用对海洋环境造成污染的物质等要求。对环境污染问题油井管螺纹接头经常采用石墨、重金属、黄油构成的643.2.2海洋油气钻采设备用金属材料

油气钻采是无缝钢管最大的用户，消耗最多的油套管一般采用屈服强度400～800MPa的碳锰钢和低合金钢制造；对于有酸性气体(CO2，CO2+H2S)和氯离子腐蚀的油、气井，需要采用耐腐蚀的不锈钢甚至镍基合金做油套管和输送管。3.2.2海洋油气钻采设备用金属材料油气钻采是无缝钢管65海洋工程用金属材料课件66随着海洋油气的全面开发，含有腐蚀性气体的油气井逐步增多，为适应高深度化(高温高压)、深海化、寒冷化环境要求和水平挖掘等技术的进步，油井管也向高度化多样化发展，碳钢和低合金钢油井管已不能适应海洋油气开发的要求，对双相不锈钢油井管和高强度的不锈钢无缝管(13%Cr～15%Cr)的需求愈来愈多，但由于双相不锈钢管的价格高，使用量受到限制，在高强度马氏体不锈钢13Cr无缝管的基础上又发展了超级马氏体不锈钢无缝管。随着海洋油气的全面开发，含有腐蚀性气体的油气井逐步增多67海洋工程用金属材料课件68

超级马氏体不锈钢无缝管由于含碳量极低，Cr、Ni、Mo含量高，因此耐腐蚀性能和高温性能提高，更能适应大多数较恶劣海洋环境的油气井条件。超级马氏体不锈钢13Cr无缝管可分HP1-13CR、HP2-13CR、UHP-15CR三类，它们的化学成份范围如下表所示：

超级马氏体不锈钢无缝管由于含碳量极低，Cr、Ni、69海洋工程用金属材料课件703.2海洋油气钻采设备用金属材料3.2.1海洋油气钻采设备工况特点和对金属材料的要求3.2.2海洋油气钻采设备用金属材料3.2海洋油气钻采设备用金属材料3.2.1海洋油气钻采设备工713.3海洋油气输送和贮藏设备

用金属材料3.3.1海洋油气输送和贮藏设备工况特点和对金属材料的要求3.3.2海洋油气输送和贮藏设备用金属材料3.3海洋油气输送和贮藏设备

用金属材料3.3.1海洋油气723.3.1海洋油气输送和贮藏设备工况特点和对金属材料的要求海洋油气输送用钢管和海洋油气贮藏用压力容器是海洋油气输送和贮藏设备的二大关键部件，它们直接与海洋油气接触，通常承受较大的静、动载荷，并承受油气气流的冲刷和腐蚀，如酸性气体（CO2,CO2+H2S）和氯离子腐蚀；寒冷地区的管线，除高强度、高韧塑性、良好的耐油气腐蚀性能外，还需有足够的低温韧性；由于管线的最后拼装环焊一般均在野外进行，还必须考虑极地或寒冷季节低温环境对焊接质量的影响，要求有良好的焊接性。贮存和运输海洋油气需要的液化石油气（LPG），液化天然气（LNG）储缸或油轮，需要大量低温钢制作压力容器，低温钢性能的主要指标是低温韧性，包括低温冲击韧性和韧脆转变温度，以及制止裂纹脆性扩展的能力，用以保证贮存和运输的安全性。3.3.1海洋油气输送和贮藏设备工况特点和对金属材料的要求海733.3.2海洋油气输送和贮藏设备用金属材料海洋油气输送管线用钢海洋油气储运装备用金属材料3.3.2海洋油气输送和贮藏设备用金属材料海洋油气输送管线用74海洋油气输送管线用钢

许多国家都有油气输送管线用钢的专用标准，如我国的GB9711，美国的ASTMA134、A139、A221、A252、A381等，前苏联的ГOCT20297，日本的JISG3444，JIS3457，德国的DIN17172，国际标准ISO2604/VI等，但国际上各国都执行美国石油协会的API5L，API5LX，API5LU标准。海洋油气输送管线用钢许多国家都有油气输送管线用钢的专用75油气输送管线用钢包括无缝钢管和焊接钢管二大类。目前的长距离输送管线直径一般在760～1067mm之间，最大直径可达1625～2400mm，壁厚一般在8～19mm，也有厚达25.4mm的。按照API标准，国际上广泛采用的管线用钢为X42～X80的焊接高强度钢。已经开发了X100～X120级管线用钢。材质通常有非调质高强钢，双相不锈钢和超级双相不锈钢，超级马氏体不锈钢等。海洋工程用金属材料课件76X42以上级别，材质为非调质高强度钢的管线钢属低合金焊接高强度钢。X42、X46、X52为低碳锰钢。X56、X60、X65为低C-Mn-V-Nb-(Ti)钢。X70多为低C-Mn-V-Nb或低C-Mn-Mo-Nb-(Ti)钢。X80为低C-Mn-Mo-V-Nb钢X100为低C-Mn-Mi-Nb-Cu-(Mo)钢但由于各国原料条件、使用条件、生产条件的不同，也有其它合金系列的管线用低合金焊接高强度钢。对X60级以上的管线钢均用洁净钢的生产工艺生产；对X56级以上强度较高的管线钢，多采用控轧控冷工艺和TMCP工艺生产。X42以上级别，材质为非调质高强度钢的管线钢属低合金焊接高强77海洋油气储运装备用金属材料海洋油气储存方法可分为常温加压、常压冷藏及中压半冷藏等方式，储存的容器通常采用高强钢和低温钢制造。常温加压式储罐（球形容器）宜采用具有细小淬火～回火组织的调质型HT60～HT80高强度钢制造。常压冷藏式储罐（大容量的圆柱形容器）采用低温钢制造。中压半冷藏式储罐采用低温用调质钢和低温钢制造。海洋油气采用常压冷藏式及中压半冷藏式油轮运输和大型储罐储存更为经济。海洋油气储运装备用金属材料海洋油气储存方法可分为常温加压、常78对不同储运方式及液化温度的液化气采用不同的材料制造储罐和储轮：液化石油气（LPG）的主要成分为丙烷（液化温度：-42℃）、丙烯（液化温度：-47.7℃）、丁烷（液化温度：-0.5℃）等。常压冷藏式LPG储罐和储轮采用2.25%Ni钢或调质型铝镇静钢（Si-Mn系）等低温钢制造，美国牌号分别为ASTMA203和ASTMA537，常压加压式球形储罐采用调质型HT60～HT80高强钢制造对不同储运方式及液化温度的液化气采用不同的材料制造储罐和储轮79液化乙烯（液化温度：-104℃）储罐采用中压半冷藏储存方式，其储罐最初采用低温用调质型高强度钢制造，后来采用3.5%Ni钢，调质型的3.5%Ni钢为JIS3127SL3N440，最低使用温度为-110℃液化乙烯（液化温度：-104℃）储罐采用中压半冷藏储存80液化天然气（LNG）的主要成份为甲烷（液化温度：-162℃），并含有乙烷（液化温度：-89℃）、丙烷、CO2（在-78.5℃下为干冰）及硫化氢（液化温度：-59.5℃）等，因此需要能承受更低温度的低温材料制造储存容器。常压冷藏式储罐用得最多的低温材料是9%镍钢（可保证-196℃下的韧性）；铝合金A5083（易焊接的Al-Mg合金，最低使用温度可达-273℃）；奥氏体不锈钢（304、304L、316、316L、347，最低使用温度可达-273℃）；以及在薄膜型液轮中应用的36%镍钢（因瓦合金，是一种低膨胀合金，又称殷钢，一般使用厚度为0.7mm）。液化天然气（LNG）的主要成份为甲烷（液化温度：-162℃）81结语2009年2月11日，国务院总理温家宝主持召开国务院常务会议，审议并原则通过《船舶工业调整振兴规划》。会议强调，要加快自主创新，在新增中央投资中安排产业振兴和技术改造专项，支持新型自升式钻井平台等海洋工程装备和重点配套产品研究开发。要培育新的经济增长点，努力开拓国际市场，扩大海洋工程装备国际市场份额。结语2009年2月11日，国务院总理温家宝主持召开国务82NewMaterialsChallenges----AnAlternateEnergySourceFromTheSea

(Rath,NRL,NAVY,USA)Inthe21stCentury:Energy,Water,EnvironmentOilasafiniteresource:2000—1975,increaseof50%;2010atpeak;2050,decreasesNaturalgasreserve,consumption&importNewMaterialsChallenges----83EnvironmentalBenefitsofMethaneasaFuelMethaneGasHydrates(Clathrates)MixedHydrates(propertiesofIceandClathrateHydrates)JapanDeepTowedAcousticGeophysicsSystem(DTAGS)深海牵引MethaneFuelBiologyBatteryEnvironmentalBenefitsofMeth84Hydratesamples

Hydratesamples85DeepTowedAcousticGeophysicsSystem(DTAGS)DeepTowedAcousticGeophysics86

DeepSeaDrillingProgram(DSDP)

DeepSeaDrillingProgram87AlasksDrillAlasksDrill88DrillBoatDrillBoat89MethaneHydratesAbundantaffordableandenvironmentallysoundsourceofthe21stCentury21世纪丰富而环境友好的能源MethaneHydratesAbundantaffor90谢谢!谢谢!91海洋工程用金属材料海洋工程用金属材料921．前言2，海洋油气开发装备产业的发展状况3，海洋油气开发装备用金属材料1．前言931．前言1．前言9421世纪是海洋的世纪2001年全球海洋产业的总产值已达1.3万亿美元，预计到2010年将进一步上升到3万亿美元以上。海洋经济：海洋渔业、海洋运输、海洋旅游、海洋食品、海洋勘探、海洋油气、海洋矿物（海底锰结核）、海洋新能源（潮汐发电、波浪发电、可燃冰等）、海洋生物工程（提取海洋生物制品治疗癌症和糖尿病等疾病、提取无污染杀虫剂和化妆品等新原料）等等21世纪是海洋的世纪95海洋油气产业、海洋旅游产业、现代海洋渔业、海洋交通运输业已成为目前海洋经济的四大支柱产业。海洋油气产业是全球最大的海洋产业。海洋油气产业、海洋旅游产业、现代海洋渔业、海洋交通运输业已成96全球的海洋石油储量约占整个地球石油总储量的45%。世界各国可利用的钻井平台总数中有41%役龄已超过20年，需要在5年左右的时间内更新。近海区域油气资源因开采而不断减少，需要向深海发展。全球的海洋石油储量约占整个地球石油总储量的45%。97

海洋平台是在海洋上进行作业的场所。海洋石油钻探与生产所需的平台，主要分钻井平台和生产平台两大类。在钻井平台上设钻井设备，在生产平台上设采油设备。平台与海底片口有立管相通。平台是进行海上钻井与采油作业的一种海洋工程结构。海洋平台一般都高出海面，能够避免波浪的冲击。型式有三边形、四边形或多边形。上下两层甲板或单层甲板面供安装、储存钻井或采油设备用。

98海洋工程用金属材料课件99按运动方式，可分为固定式与移动式两大类

群柱式桩基式腿柱式海洋平台固定式移动式桩式重力式浮式坐底式顺应式船式半潜式坐底式自升式独立腿式沉垫式牵索塔式张力腿式海洋平台的分类按运动方式，可分为固定式与移动式两大类群柱式海洋100半潜式钻井平台

半潜式钻井平台，又称立柱稳定式钻井平台。它是大部分浮体沉没于水中的一种小水线面的移动式钻井平台，它从坐底式钻井平台演变而来，由平台本体、立柱和下体或浮箱组成。此外，在下体与下体、立柱与立柱、立柱与平台本体之间还有一些支撑与斜撑连接，在下体问的连接支撑一般都设在下体的上方，这样，当平台移位时，可使它位于水线之上，以减小阻力；平台上设有钻井机械设备、器材和生活舱室等，供钻井工作用。平台本体高出水面一定高度，以免波浪的冲击。下体或浮箱提供主要浮力，沉没于水下以减小波浪的扰动力。平台本体与下体之间连接的立柱，具有小水线面的剖面，主柱与主柱之间相隔适当距离，以保证平台的稳性，所以又有立柱稳定式之称。

半潜式钻井平台

半潜式钻井平台，又称立柱稳定101海洋工程用金属材料课件102钻井船

钻井船是设有钻井设备，能在水面上钻井和移位的船，也属于移动式(船式)钻井装置。较早的钻井船是用驳船、矿砂船、油船、供应船等改装的，现在已有专为钻井设计的专用船。目前，已有半潜、坐底、自升、双体、多体等类型。钻井船在钻井装置中机动性最好，但钻井性能却比较差。钻井船与半潜式钻井平台一样，钻井时浮在水面。井架一般都设在船的中部，以减小船体摇荡对钻井工作的影响，且多数具有自航能力。钻井船在波浪中的垂荡要比半潜式平台大，有时要被迫停钻，。增加停工时间，所以更需采用垂荡补偿器来缓和垂荡运动。钻井船适于深水作业，但需要适当的动力定位设施。钻井船适用于波高小、风速低的海区。它可以在600m水深的海底上进行探查，掌握海底油、气层的位置、特性、规模、贮量，提供生产能力等

钻井船

钻井船是设有钻井设备，能在水面上钻井和移位的103海洋工程用金属材料课件104

生产平台通常又叫浮油平台，是专门从事海上油、气等生产性的开采、处理、贮藏、监控、测量等作业的平台。有的是单个平台，也可由几个不同用途的平台扭引桥相连，组成石油生产基地。按建筑材料可分为钢筋混凝土平台和钢质平台；按结构型式可分为固定式平台和移动式平台。固定式平台又可分为桩基式与重力式两种；移动式平台又可分为自升式与张力腿式、牵索塔式等。

生产平台

生产平台通常又叫浮油平台，是专门从事海上油、气等生产105

1、重力式采油平台它一般都足钢筋混凝土结构，作为采油、贮存和处理用的大型多用途平台，它由底部的大贮油罐、单根或多根立柱、平台甲板和组装模块等部分组成，规模较大的，可开采几十口井，贮油十几万吨，平台的总重量可高达数十万吨。各类平台，根据作业要求，配备相应的采油，处理及生活等设施。1、重力式采油平台106海洋工程用金属材料课件107

2、导管架式平台桩基式平台用钢桩固定于海底。钢桩穿过导管打入海底，并由若干根导管组合成导管架。导管架先在陆地预制好后，拖运到海上安装就位，然后顺着导管打桩，桩是打一节接一节的，最后在桩与导管之间的环形空隙里灌入水泥浆，使桩与导管连成一体固定于海底。这种施工方式，使步上工作量减少。平台设于导管架的顶部，高于作业区的波高，具体高度须视当地的海况而定，一般大约高出4-5m，这样可避免波浪的冲击。桩基式平台的整体结构刚性大，适用于各种土质，是目前最主要的固定式平台。但其尺度、重量随水深增加而急骤增加，所以在深水中的经济性较差。2、导管架式平台108海洋工程用金属材料课件109

3、张力腿式平台

张力腿式平台是利用绷紧状态下的锚索链产生的拉力与平台的剩余浮力相平衡的钻井平台或生产平台。一般来说，半潜式平台的锚泊定位系统，都是利用锚索的悬垂曲线的位能变化来吸收平台在波浪中动能的变化。悬垂曲线链的特征之一是链的下端必须与水底相切，以保证锚柄不会从水底抬起，这样就可保证锚的抓力。张力腿式平台也是采用锚泊定位的，但与一般半潜式平台不同，其所用锚索是绷紧成直线的，不是且悬垂曲线的，钢索的下端与水底不是相切的，而是几乎垂直的。用的锚是桩锚（即打入水底的桩作为锚用），或重力式锚（重块）等，不是一般容易起主的转爪锚。张力腿式平台的重力小于浮力，所相差的力可依靠锚索向下的拉力来补偿，且此拉力应大于波浪产生的力，使锚索上经常有向下的拉力，起着绷紧平台的作用。3、张力腿式平台110海洋工程用金属材料课件111

4、牵索塔式平台

牵索塔式平台是一瘦长的桁架结构，其下端依靠重力基座坐落于海底或是依靠支柱加以支撑，其上端支承作业甲板。桁架的四周用钢索、重块、锚链和锚所组成的锚泊系统加以牵紧，使它能保持直立状态。由于这种平台是由锚泊系统牵紧的，它在小风浪时仅发生微幅摆动；风浪大时，由于桁架结构摆动幅度大，会把重块拉得离开海底，从而要吸收掉风浪的一部分能量，因此平台仍可维持在许可范围内摆动。这种平台结构简单，构件尺寸小，故所受到的风、浪、流的作用力也小。这种平台能适用于300～600m水深的海域。但若水深超过600米，则由于要提高桁架的抗弯能力，建造时所耗用的材料会大大增加，经济上不一定合算。

4、牵索塔式平台112海洋工程用金属材料课件113我国是仅次于美国的全球第二大石油消费国。2020年我国石油消费需求量为4.0～4.5亿吨，国内可供量为1.8～2.0亿吨。石油的对外依存度将从目前的接近50%，进一步上升到55%，远远超过国际公认的30%警戒线我国是仅次于美国的全球第二大石油消费国。114目前国内石油产总量的70%集中在普遍进入开发后期。我国所管辖的海域蕴藏着丰富的油气资源，初步估算可达388亿吨油气储量，其中我国南海油气资源被称为“第二个中东”。水深不超过200米的近海大陆架，如渤海湾、珠江口和南海北部湾等海域的原油当量产量已达4000万吨左右。

目前国内石油产总量的70%集中在普遍进入开发后期。115我国南海北部的海域地质、地球物理与地球化学调查也揭示了存在天然气水合物的可能性，这种通常埋藏在深水区域浅表层的天然气水合物，极有可能成为接替常规石油和天然气的新能源。我国南海北部的海域地质、地球物理与地球化学调查也揭示了存在天1162．海洋油气开发装备产业的发展状况2.1海洋油气开发装备产业的范围界定与战略2.2世界海洋油气开发装备产业的发展概况2.3我国海洋油气开发装备产业的现状与差距2．海洋油气开发装备产业的发展状况2.1海洋油气开发装备产1172.1海洋油气开发装备产业的范围界定与战略

主要包括海洋石油和天然气的钻井平台、采油平台、钻井成套设备、钻井采油设备、油气分离处理设备、油气集输设备等核心工程设备，以及钻井辅助采油设备、海洋船舶工程通用系统等配套工程设备。海洋油气开发装备产业是涉及国家能源稳定和国家经济安全的战略性产业

2.1海洋油气开发装备产业的范围界定与战略

主要包括海洋石油1182.2世界海洋油气开发装备产业的发展概况世界100多个沿海国家都在海洋油气产业上加大投资和开发力度。目前已有60多个国家进行深水油气的勘探和开发，形成严峻的区域竞争格局。产业的核心产品研制主要掌握在北美、西欧及东亚地区的少数发达国家手中。2.2世界海洋油气开发装备产业的发展概况世界100多个沿海国119北美地区的美国在世界海洋油气资源开发技术方面仍保持主导地位美国的关键技术设备，国内成套率和全球市场份额居世界各国之首。世界海洋石油技术装备市场份额的50%以上为美国的跨国公司所占据，休斯敦已成为全世界海洋石油技术开发中心。拉美地区的巴西是发展中国家中海洋石油设备国产化程度最高的国家，其海底完井装置数量为全球之最。北美地区的美国在世界海洋油气资源开发技术方面仍保持主导地位120欧洲的英国和法国是除美国之外海洋石油工业技术发展较为成熟的国家英国的动力定位技术法国的高压石油软管制造技术挪威的水泥重力平台设计制造技术意大利的海上铺管、管线涂敷，全液压无线绞车新型钻井技术和装备瑞典的动力定位铺管技术荷兰的大吨位海上浮吊装备和海底工程地质调查技术德国的海上液压工业装备技术、大功率变频电力拖动技术欧洲的英国和法国是除美国之外海洋石油工业技术发展较为成熟的国121亚洲的日本、韩国在海洋工程制造领域快速发展日本依靠造船、冶金、电子技术的全球优势，在油气开发平台、海洋工程结构、石油管材及平台配套设备方面取得了重大突破。韩国的海洋平台建造技术以价格低廉、交货迅速、质量上乘的优势在夺标方面往往超过美国、英国、法国、日本等，目前世界上已建成的超深水半潜式和浮船式钻井平台大部分来自韩国。亚洲的日本、韩国在海洋工程制造领域快速发展日本依靠造船、冶1222.3我国海洋油气开发装备产业的现状与差距我国海洋油气开发装备产业经历了几十年的发展历程，取得了显著的成绩。从1970年至今，共设计建造了移动式钻井平台12座、固定式（导管架）采油平台65座、浮式生产储油船（FPSO）11条、半潜式钻井平4座等。已能制造成套1500～7000m等系列钻机及配套设备、4500m修井机、平台采油树、13.75in×69mpa防喷器等用于海上平台钻井和采油装备。2.3我国海洋油气开发装备产业的现状与差距我国海洋油气开发装123与市场需求和国外水平相比，还存在着很大差距，特别是深海油气开发装备。

我国开发的导管架平台应用仅限于100米水深以内，而国际上已研究开发作业水深3000米以上的第六代半潜式钻井平台。海洋油气钻井设备的最大钻井深度虽能达到7000米，但国际上海洋油气的最大钻井深度可达9000～12000米。国内厂商基本上停留在船体制造上，设备大多数由国外建造配套。海洋油气开发装备的落后，已经成为制约我国海洋经济发展的主要瓶颈之一。与市场需求和国外水平相比，还存在着很大差距，特别是深海油气开1243海洋油气开发装备用金属材料3.1海洋油气钻采平台等大型海洋结构物用金属材料3.2海洋油气钻采设备用金属材料3.3海洋油气输送和贮藏设备用金属材料3海洋油气开发装备用金属材料3.1海洋油气钻采平台等大型125海洋油气开发装备海洋油气钻采平台等大型海洋结构物、海洋油气钻采设备、海洋油气输送贮藏设备和其它辅助配套工程装备。其中海洋油气钻采平台通常分为可变换位置的移动式结构和固定于海底的固定式结构物。移动式结构具有代表性的是自升式钻探平台和半潜式钻探平台，主要用于勘探钻井及试开采。在试开采后确认有商业价值，便安装固定式采油平台。固定式采油平台主要有导管式平台、重力式平台、牵索塔式平台、张力腿式平台及单立柱式平台等随着海上油田离岸距离的增大，一种新型的油气开采平台FPSO（海洋浮式生产储油系统）在上世纪80年代兴起后，现已得到广泛应用。海洋油气开发装备海洋油气钻采平台等大型海洋结构物、海洋油气钻126海洋浮式生产储油系统（FPSO）海洋浮式生产储油系统（FPSO）作为高技术、高附加值的新型海上石油开采关键设备，已成为世界海上油田开发的主流方式，它自20世界80年代兴起，现已得到广泛应用，截止2008年3月底，全球运营的FPSO有212台。该系统由一艘浮式生产储油轮和一艘穿梭油轮组成，以浮式生产储油轮为基础，对开采的石油进行储存，随后通过穿梭油轮外输，它是集生产和生活系统为一体的海洋石油生产基地。FPSO与海洋平台相比具有初期投资少、建造周期短、迁移方便、可重复使用及不需铺设长距离输油管线等优点，最大作业水深2000米。海洋浮式生产储油系统（FPSO）127浮式生产储油装置(FPSO)

FloatingProductionStorageandOffloading浮式生产储油装置(FPSO)

FloatingProduc128海洋工程用金属材料课件129海洋工程用金属材料课件1303.1海洋油气钻采平台等大型海洋结构物用金属材料3.1.1海洋油气钻采平台等大型海洋结构物工况特点和对金属材料的要求3.1.2海洋油气钻采平台等大型海洋结构物用金属材料3.1海洋油气钻采平台等大型海洋结构物用金属材料3.1.1海1313.1.1海洋油气钻采平台等大型海洋结构物工况特点和对金属材料的要求海洋油气钻采平台等大型海洋结构物，处在风、浪、流、海水腐蚀、甚至严寒的恶劣环境下工作，特别在深海域，还受到海洋密度分层产生的内波影响及水波流场和结构物相互作用的势流动力学影响，因此往往具有特殊的结构形式，并且在材料上提出了比船舶用钢更高的要求。3.1.1海洋油气钻采平台等大型海洋结构物工况特点和对金属材132硫含量和Z向性能的要求

（我国船舶检验局规定）

Z向性能（板厚方向的断面收缩率Ψz）

硫含量和Z向性能的要求

（我国船舶检验局规定）Z向性能（板133强度和韧性要求要求屈服强度高，特别是移动式平台，要求采用400～690MPa级高屈服强度的钢材。对韧性的要求高。在寒冷地区，需要有足够的低温韧性。强度和韧性要求要求屈服强度高，特别是移动式平台，要求采用40134耐腐蚀性能要求海洋结构物在海洋环境下将受到潮流、盐分、水温、微生物等腐蚀影响，并且在海水中的不同部位（海洋大气带、飞溅带、潮差带、全浸带和海土带）受到的腐蚀情况不同。耐腐蚀性能要求海洋结构物在海洋环境下将受到潮流、盐分、135海洋大气带的腐蚀为海洋大气腐蚀海洋大气中有大量含盐微粒的水气，加上雨、雾、风速、相对湿度等气象因素，海洋大气腐蚀要比其它类别的大气腐蚀严重。耐海洋大气腐蚀的有效合金元素Cu、P、Si、Al、Mo、Cr等，其中效果最显著的元素为Cu、P，不与海水直接接触的海洋结构物部分可采用耐海洋大气腐蚀钢。海洋大气带的腐蚀为海洋大气腐蚀海洋大气中有大量含盐微136飞溅带一般是指平均潮位受到波浪作用的上限部分受到海水交替的干湿变化，溶解的氧量也比较多。由于日光的照射使温度升高，再加上海面的污损生物、浮油等的附着以及台风、流水等促进腐蚀因素，所以腐蚀极为剧烈，是海水腐蚀环境中腐蚀最严重的部位，其腐蚀速度可达到全浸带的好几倍。提高钢在飞溅带的耐腐蚀能力的有效合金元素P、Cu、Mo、Ni、Cr、Si、W、Ti等，效果最显著的元素为P、Cu、Mo。飞溅带一般是指平均潮位受到波浪作用的上限部分受到海水交替的137潮差带和飞溅带同样也是腐蚀严重的部位但由于潮差带的供氧情况比下部的全浸带好，在潮差带和全浸带之间形成的氧的浓差电池，使潮差带作为该电池的阴极而受到保护，使腐蚀的速度和程度降低，提高钢在潮差带的耐腐蚀能力，可选用与飞溅带相同的有效合金元素。潮差带和飞溅带同样也是腐蚀严重的部位但由于潮差带的供氧138全浸带指潮差带与海底之间海水浸没的部分全浸带由于上述氧浓差电池作用和海水流动造成金属上氧的不均匀分布形成的氧浓差电池及海洋生物的作用，加上不同的金属接触所产生的电化学腐蚀，所以除了金属的均匀腐蚀，还会产生局部腐蚀或点蚀。减轻材料在全浸带腐蚀的有效元素Cr、P、Al、Mo、Si等，特别是Cr。在深海，由于含氧量少，海水温度随水深而降低，海洋生物附着减少，同时海水流速也减慢，所以腐蚀速度反较慢，合金元素效果也变得不明显。全浸带指潮差带与海底之间海水浸没的部分全浸带由于上述氧浓差139海土带中氧极少，所以腐蚀也最轻。对部分埋在海底，部分裸露在海水中的钢结构，由于氧的氧浓差电池作用，加快了埋在海土中的部分钢的腐蚀。在海土中，特别是在浅海海土中，由于从陆地上流入的污染土中存在大量促进腐蚀的微生物，腐蚀较为剧烈。海土带中氧极少，所以腐蚀也最轻。对部分埋在海底，部分裸露在140冷加工性要求

一般船体结构用钢，即使是大型船舶用钢，仅用30～50mm厚的钢板，但海底石油采掘设备等大型海洋结构物则需要用60～70mm，甚至更厚的钢板，而且主要是进行冷加工，因此需要钢板有更好的冷加工性能。冷加工性要求一般船体结构用钢，即使是大型船舶用钢，仅用141焊接性能要求

大型海洋结构物大多是管件，圆形构架状的组合，形状变化大，往往需要将数据组合的管子在应力集中处进行焊接，并且大多在露天或海上作业条件很差的情况下焊接，所以要求材料有比舰船用钢更好的焊接性能和更便于焊接操作的条件。焊接性能要求大型海洋结构物大多是管件，圆形构架状的组合1423.1.2海洋油气钻采平台等大型海洋结构物用金属材料海洋油气钻采平台等大型海洋结构物主要采用钢质材料建造，大量使用的钢材是焊接高强度结构用钢和焊接低合金高强度耐海水腐蚀用钢，它们除了按各种船级社规范进行要求外，常常还要求耐层状撕裂性能和焊接接头的COD性能，比规范要求更为严格。3.1.2海洋油气钻采平台等大型海洋结构物用金属材料海1433.1.2.1海洋油气钻采平台用焊接高强度结构钢对平台的本体结构物必须充分考虑结构是否会因水压产生弯曲变形，并且在施工时使用冷热加工及焊接接头必须满足疲劳强度，通常采用抗拉强度为500MPa级的正火型高强钢，钢板厚度通常不大于130mm，不建议用调质型高强钢。3.1.2.1海洋油气钻采平台用焊接高强度结构钢对平台144海洋油气钻采平台经常采用的焊接高强度结构用钢屈服点为320MPa的AH32-EH32钢、屈服点为360MPa的AH36-EH36钢、屈服点为390～690MPa级钢，如美国的ASTMA537C1.2,A543,A633Gr.E,A678Gr.D,A710Gr.C,A737Gr.C，英国的BS436055E和55F，挪威的NVF420和460，日本的KA43、47、51、56、63、63N、70、70N、KD43、47、51、56、63、63N、70、70N，KE43、47、51、56、63、63N、70、70N，KF43、47、51、56、63、63N、70、70N等。海洋油气钻采平台经常采用的焊接高强度结构用钢屈服点为31453.1.2.2海洋油气钻采平台用焊接低合金高强度耐海水腐蚀用钢

海洋环境对钢的腐蚀情况非常复杂，目前还没有一个低合金钢号能全面达到海洋环境的要求。目前国外工业生产的低合金耐海水腐蚀用钢按成份系列可分为:Ni-Cu-P系、Cr-Nb系、Cr-Cu系、Cr-Al系、Cr-Cu-Si系、Cr-Cu-Al系、Cr-Cu-Mo系、Cr-Cu-P系、Cr-Al-Mo系等，以下介绍典型的钢号。3.1.2.2海洋油气钻采平台用焊接低合金高强度耐海水腐蚀146美国的Mariner钢

Ni-Cu-P系的半镇静钢，其屈服强度和抗拉强度分别为：355MPa和490MPa以上，特点是在飞溅带的耐海水腐蚀性能好，为普通碳素钢的2～3倍，即使在没有混凝土包履等防护措施的情况下，也能长期的使用，而且很少发生点蚀。但此钢中含P量较高（0.08～0.15%P），不适宜厚度大于20mm钢板的焊接，不能用于焊接的海洋结构物，主要用作护堤、筑堤等用的钢桩。美国的Mariner钢Ni-Cu-P系的半镇静钢，其147日本的Mariloy钢

该钢针对美国“Mariner”钢P含量高、焊接性能差及全浸带耐腐蚀性能差的问题而研制的耐海水腐蚀钢，包括2个强度级别（σs≥400MPa和σb≥490MPa），三种不同海水部位（飞溅带、全浸带、飞溅带和全浸带）的6个钢号，它们是钢中含P量≤0.03%的Cr-Cu系低合金耐海水腐蚀钢，其中Mariloy钢P50的σs≥325MPa，σs≥490MPa，在飞溅带的耐腐蚀性能是普通碳素钢的2倍左右，用于系船浮标、钢桩等，适用厚度6～25mm。日本的Mariloy钢该钢针对美国“Mariner”148法国的APSCr-Al钢

该钢包括APS20A、APS20M、APS25三个钢号,它们均含有4%Cr，APS20A含有0.90%Al，APS20M含有0.90%Al和0.15%Mo，APS25含有0.60%Al和0.15%Mo及0.80%Ni。正火后20mm以下钢材的强度为：APS20A、APS20M的σs≥310MPa，σs≥490MPa；APS25的σs≥590MPa，σs≥835MPa；它们的耐海水腐蚀性能大大优于碳钢，在海水中全浸46个月的对比腐蚀试验表明，为碳钢的2.18～3.23倍，它们在焊接时不需要预热或焊后热处理，但以650℃消除应力为宜；缺点是该钢有晶粒长大倾向，因此要防止过热，并且除氩弧焊外，不能做到含Al均匀的焊缝；APSCr-Al钢用于制造船舶管道、海水制水设备、防波堤的护板、闸门、渡船、救生艇、盐器设备等.法国的APSCr-Al钢该钢包括APS20A、A149我国从1965年起开始研制耐海水腐蚀钢

试验钢号近200种，其中10Cr2MoAlRE、08PVRE、09MnCuPTi、10MnPNbRE、10NiCuAs、10CrMoAl等已通过鉴定，但除了少数用户因个别工程需要订货外，尚未推广开来，应用少，产量也少，多用在钢板桩、海水冷凝器、输海水管线、管桩、船坞闸门等方面，尚未涉及大型的固定式和移动式海洋结构物。我国从1965年起开始研制耐海水腐蚀钢试验钢号近201503.2海洋油气钻采设备用金属材料3.2.1海洋油气钻采设备工况特点和对金属材料的要求3.2.2海洋油气钻采设备用金属材料3.2海洋油气钻采设备用金属材料3.2.1海洋油气钻采设备1513.2.1海洋油气钻采设备工况特点和对金属材料的要求

随着油气资源的枯竭，对原来曾抛弃的具有腐蚀环境的油气井重新进行开采，特别是上世纪70年代初开始的石油危机以来，随着海洋油气的全面开发，各类工况的油气井越来越多，含有腐蚀性气体的油气井日益增加，钻采的深海化，寒冷化和钻采技术的进步，使钻采设备的工况变得更加复杂。3.2.1海洋油气钻采设备工况特点和对金属材料的要求152腐蚀问题CO2腐蚀和硫化物腐蚀（H2S应力腐蚀）；酸处理腐蚀，为了提高油气生产率、回收率，采用注入强酸（如1.5%HF+13.5%HCl+缓蚀剂）技术，增加地层溶解带来的腐蚀；工作液腐蚀，随着开发井的高压化，往往采用在套管和油气流动管道之间流入高比重、高浓度金属卤化物工作液的技术，带来管道表面的应力腐蚀。腐蚀问题CO2腐蚀和硫化物腐蚀（H2S应力腐蚀）；酸处153温度问题

深井带来的高温环境：由于油气的高深度带来钻采温度的升高；低温海水带来的石蜡析出问题：深海油气生产中由于受深海低温海水的影响，管内油气温度下降引起管内内壁折出石蜡，使流速下降而降低生产率。温度问题深井带来的高温环境：由于油气的高深度带来钻采温154对环境污染问题油井管螺纹接头经常采用石墨、重金属、黄油构成的润滑剂和接头磨损后油气泄漏带来的海洋环境污染问题。对海洋油气钻采设备用金属材料有高耐蚀性、高强度、对输送流体有保温性、必要的螺纹接头性及限制使用对海洋环境造成污染的物质等要求。对环境污染问题油井管螺纹接头经常采用石墨、重金属、黄油构成的1553.2.2海洋油气钻采设备用金属材料

油气钻采是无缝钢管最大的用户，消耗最多的油套管一般采用屈服强度400～800MPa的碳锰钢和低合金钢制造；对于有酸性气体(CO2，CO2+H2S)和氯离子腐蚀的油、气井，需要采用耐腐蚀的不锈钢甚至镍基合金做油套管和输送管。3.2.2海洋油气钻采设备用金属材料油气钻采是无缝钢管156海洋工程用金属材料课件157随着海洋油气的全面开发，含有腐蚀性气体的油气井逐步增多，为适应高深度化(高温高压)、深海化、寒冷化环境要求和水平挖掘等技术的进步，油井管也向高度化多样化发展，碳钢和低合金钢油井管已不能适应海洋油气开发的要求，对双相不锈钢油井管和高强度的不锈钢无缝管(13%Cr～15%Cr)的需求愈来愈多，但由于双相不锈钢管的价格高，使用量受到限制，在高强度马氏体不锈钢13Cr无缝管的基础上又发展了超级马氏体不锈钢无缝管。随着海洋油气的全面开发，含有腐蚀性气体的油气井逐步增多158海洋工程用金属材料课件159

超级马氏体不锈钢无缝管由于含碳量极低，Cr、Ni、Mo含量高，因此耐腐蚀性能和高温性能提高，更能适应大多数较恶劣海洋环境的油气井条件。超级马氏体不锈钢13Cr无缝管可分HP1-13CR、HP2-13CR、UHP-15CR三类，它们的化学成份范围如下表所示：

超级马氏体不锈钢无缝管由于含碳量极低，Cr、Ni、160海洋工程用金属材料课件1613.2海洋油气钻采设备用金属材料3.2.1海洋油气钻采设备工况特点和对金属材料的要求3.2.2海洋油气钻采设备用金属材料3.2海洋油气钻采设备用金属材料3.2.1海洋油气钻采设备工1623.3海洋油气输送和贮藏设备

用金属材料3.3.1海洋油气输送和贮藏设备工况特点和对金属材料的要求3.3.2海洋油气输送和贮藏设备用金属材料3.3海洋油气输送和贮藏设备

用金属材料3.3.1海洋油气1633.3.1海洋油气输送和贮藏设备工况特点和对金属材料的要求海洋油气输送用钢管和海洋油气贮藏用压力容器是海洋油气输送和贮藏设备的二大关键部件，它们直接与海洋油气接触，通常承受较大的静、动载荷，并承受油气气流的冲刷和腐蚀，如酸性气体（CO2,CO2+H2S）和氯离子腐蚀；寒冷地区的管线，除高强度、高韧塑性、良好的耐油气腐蚀性能外，还需有足够的低温韧性；由于管线的最后拼装环焊一般均在野外进行，还必须考虑极地或寒冷季节低温环境对焊接质量的影响，要求有良好的焊接性。贮存和运输海洋油气需要的液化石油气（LPG），液化天然气（LNG）储缸或油轮，需要大量低温钢制作压力容器，低温钢性能的主要指标是低温韧性，包括低温冲击韧性和韧脆转变温度，以及制止裂纹