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无缝17%Cr不锈油井用管UHP®-17CR

腊月:快赢彩票网    发布时间:2017-12-13 点击量:

1 绪言

    随世界能源需求增加和石油、天燃气的开发增加,与以往相比,正向着更多严酷的腐蚀环境进行挑战,期待无缝油井管材可以适应这样的使用环境。具体的说,能耐CO2腐蚀强材料含H2S的环境下耐SCC的高强度材料,已经常用13%Cr马氏体系钢(API13Cr) 已不能适应深井环境也增加。眼看着改良型不锈钢(Mod13Cr) 也不能用。因此,又开发,并开始应用15%Cr马氏体不锈钢管(UHP®15CR)

   但随逐年腐蚀环境越来越严酷,即在高温、高CO2分压、高氯化物离子浓度的环境下,这些材料越来越不能充分适用。所以,多提出22%Cr以上的双相不锈钢、Ni基合金方案,这些材料用常用的无缝轧制技术曼内斯曼穿孔法制作,困难多。另外,由于不含马氏体,要想有110ksi(YS∶758MPa~)125ksi(YS∶865MPa~)强度,不能退火回火(QT) ,则必须冷拉(在冷态使外径缩径、减薄厚度均质化) 增加强度,这样,材料的使用就受限制。

   作为这样的解决对策,开发比UHP®15CR能在更严酷环境使用的无缝油井钢管,研讨了能提高耐蚀性,不用冷拉的110ksi级、125ksi级高强度化。随着17%Cr为主要成分材料开发,成功实现了兼顾两者的材料,下面介绍之。

2 开发的概念

   需要采用比UHP®15CR更苛刻耐蚀环境下可以利用的钢材,在具有该特性的同时,为了不采用冷拉工艺,能实现高强度化,制造了组织以马氏体为主体的钢材,具体开发目录为下

(1)    YS∶110ksi≥758MPa

(2)    制造方法无冷拉能达YS(曼内斯曼穿孔法或QT法可以制造)

(3)    组织马氏体组织为主体组织;

(4)    CO2腐蚀的使用临界温度>200℃(CO2分压,10 MPa)

(5)    SCC∶pH4~4.5(H2S分压0.01 MPa) SCC

本开发课题在UHP®15CR成分最佳化基础上,实质上并未采用以往在延长线的成分

设计的方法。以前采用的提高耐蚀性的手段是既要确保制造性,又要提高Cr当量和Ni当量,努力改善纯化膜的历史。如图1()所示,这时在Cr当量、Ni当量增加时与SUS329J3LJ4L(分别为22Cr25Cr) 的双相不锈钢一样,缺少淬火,回火工艺就不能实现无冷拉的目标。因此,对图1UHP®15CR来说,在新开发材料UHP®17CR,把向右下的方向性就成为设计的主体,也就是为了提高铁素体稳定元素的CrMo增量,在稳定纯化膜的同时,减少奥氏体稳定元素Ni,使奥氏体组织不是主体组织。另外,对耐CO2腐蚀性及耐SCC性的降低,确立了用WCr补救的方案,即从以往的马氏体单相组织,改变成马氏体为主体,尽管如此,仍然把第2相的铁素体和奥氏体组织为基础,把合金元素量最佳化,成为0.03C17Cr4Ni2Mo1Cu1W

   该成分的设计比以往更有利于热加工性。以往的成分设计,由于同时增加了Cr当量和Ni当量,所以在无缝轧制时,热加工性存在恶化倾向。特别由于有微量铁素体的混入,在铁素体上会发生应力集中,必须抑制其成为裂纹的发源地。但是,在开发UHP®17CR时,改变了设计想法,把铁素体调成含有15%~60%铁素体组织,因此,在改善热加工性同时,使起因于铁素体微量混入的裂纹不再发生。

3 开发钢管的诸特性

3.1 成分和机械性质

   基于在实验室的成分设计,实际冶炼了如表1所示成分的钢,用曼内斯曼工艺制造了无缝钢管,不增加轧制负荷,也能抑制表面伤痕,造管后,用QT工艺制造材质如表2所示。无冷拉得到了110ksi级、125ksi级材料,图2() 表示其组织。可以确认白色是铁素体,黑色是马氏体,但不能确认是否有奥氏体组织。

   本材料原是在200℃以上的高温环境使用,所以连同25%Cr的双相不锈钢(冷拉,125ksi) 的结果,以高温强度作图如图3 ()所示,双相不锈钢在室温     200℃环境使用时,强度降低,约为100 MPa,在200℃以上环境中使用,UHP®17CR有利。UHP®17CR双相不锈钢具有高的常温强度是冷拉造成的。强度越高,应变越释放,可以说因为UHP®17CR是马氏体为主的组织,所以强度降低很少。

   夏氏冲击试验值示于图4() 。在一60℃其值超过270J,本开发材UHP®17CR无论高温强度如何都有优异的低温韧性。

3.2 耐蚀性及耐SCC

   5 () 表示在20%N aC l水溶液中,用CO2分压和温度整理的CO2腐蚀图,将以往的API13CrMod13CrUHP®15CR一起与本开发钢UHP®17CR钢进行了比较。另外,在油井管领域,将通常使用的≤0.127mm/年耐蚀性良好的作为判断基准,按这顺序,提高耐CO2腐蚀性,在CO2分压3 MPa作比较时,适用界限温度为130℃165℃200℃230℃,本开发钢有优异的高温耐蚀性。

   6 是比较20%N aC l水溶液,CO2分压0.1MPa25℃时的孔蚀电位和耐孔蚀指数和Mod13CrUHP®15CR与本开发钢UHP®17CR的比较图。按该顺序,耐孔蚀指数增加,并且随此孔蚀电位变成阳电位。

   对耐SCC性, 但随逐年腐蚀环境越来越严酷,即在高温、高CO2分压、高氯化物离子浓度的环境下,是深海油田、气田开发所期待的特性。在18%~20%N aC l高的环境下与UHP®15CR125ksi级比较和UHP®17CR125ksi级的结果示于图7()。在H2S分压0.01MPa下,其利用的范围可到pH4.0范围。

   CO2腐蚀性,含耐SCC性,可以满足作为目标高耐蚀基准。作为马氏体为主的不锈钢油井管材,显示优异的特性。 Cr当量和Ni当量,所以在无缝轧制时,热加工性存在恶化倾向。特别由于有微量铁素体的混入,在铁素体上会发生应力集中,必须抑制其成为裂纹的发源地。但是,在开发UHP®17CR时,改变了设计想法,把铁素体调成含有15%~60%铁素体组织,因此,在改善热加工性同时,使起因于铁素体微量混入的裂纹不再发生。


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