耐蝕鋼和耐蝕合金在油氣行業(yè)的應(yīng)用前景
盡管我們努力推廣可再生資源，但是，未來(lái)幾十年石油和天然氣仍將是能源的主力軍。由于傳統(tǒng)的可用資源大多已經(jīng)枯竭，不得不開(kāi)發(fā)更難于開(kāi)采油氣田，為了滿(mǎn)足油氣需求的快速增長(zhǎng)，必須在現(xiàn)有的油氣田使用更先進(jìn)的收集方式。油氣易開(kāi)采的時(shí)代已經(jīng)結(jié)束。
過(guò)去幾十年，海上石油開(kāi)采平臺(tái)的油氣產(chǎn)量在總產(chǎn)量中所占的份額大幅增加，超深水開(kāi)采的快速發(fā)展有望在今后保持增長(zhǎng)勢(shì)頭。油氣開(kāi)采的難度不斷加大，因?yàn)楣ぷ鳝h(huán)境日趨苛刻，例如，溫度、壓力更高，高 CO 2 的酸性環(huán)境（硫化氫含量高）。在這些苛刻條件下，為了保證油氣的正常生產(chǎn)，更重要的是安全生產(chǎn)，必須要有先進(jìn)的技術(shù)、良好的設(shè)備和高性能材料。
這正是耐蝕合金的用武之地，因?yàn)樗鼈兏軡M(mǎn)足越來(lái)越嚴(yán)格的開(kāi)采和生產(chǎn)要求。因此，油氣上游產(chǎn)業(yè)對(duì)合金鋼、不銹鋼和鎳合金的需求大幅增長(zhǎng)，而且這一趨勢(shì)還將繼續(xù)下去。用于油氣行業(yè)的耐蝕合金的種類(lèi)及選擇最具代表性的耐蝕合金是不銹鋼和鎳合金。除典型的耐蝕合金外，特殊合金鋼在油氣行業(yè)的使用也很廣泛。合金鋼和不銹鋼占總用量的 95%，鎳合金雖然只占 5%，但卻占總價(jià)值的 25%。耐蝕合金的需求和選擇取決于生產(chǎn) / 儲(chǔ)存環(huán)境（按重要性分類(lèi)）：
·腐蝕性（硫化氫、二氧化碳、氯化物）
·溫度
·壓力
腐蝕工程師計(jì)算出預(yù)期的年腐蝕速率，然后再乘以設(shè)計(jì)壽命。當(dāng)預(yù)期的腐蝕量超過(guò)一定的值，可以選用耐蝕合金，也可以選用碳鋼，不過(guò)要增加壁厚。除了使用整體的耐蝕合金材料外，還可以在碳鋼或合金鋼表面進(jìn)行耐蝕合金復(fù)合或堆焊。另一種防腐措施是化學(xué)抑制劑或陰極保護(hù)。
在以安全為第一要素的同時(shí)，材料選擇還決定于計(jì)算的壽命周期成本。雖然耐蝕合金的初期投入較大，但相對(duì)于整個(gè)壽命周期而言可能是較經(jīng)濟(jì)的選擇，這樣可以降低更換次數(shù)，減少維護(hù)，而且不需要化學(xué)抑制劑。油氣項(xiàng)目用鋼的選擇順序?yàn)椋间?rarr;合金鋼→ 13Cr馬氏體不銹鋼→ 300 系不銹鋼→雙相鋼（22Cr）→超級(jí)雙相不銹鋼（25Cr）→ 28Cr（合金 28）→ Ni 合金→鈦合金。在條件允許的情況下盡量使用碳鋼和合金鋼，因?yàn)樗鼈兊某杀咀畹汀?/p>
不過(guò)，隨著工作環(huán)境的惡化，必須逐步選擇更高牌號(hào)的材料，耐蝕合金是不可替代的。下面更具體介紹了油氣行業(yè)用途最廣的鋼種：
·合金鋼：4145H，4130，4140，4330，8630，F(xiàn)22
·馬氏體不銹鋼：13Cr，Super13Cr，410，420，F(xiàn)6NM
·奧氏體不銹鋼：316，304，321，317L，Nitronic 50/60，904L254SMO（6Mo）
·雙相不銹鋼：2205，2507，LDX2101
·PH 鋼：17-4，15-5，13-8
·鎳合金：825，625，718，925，合金 28
·無(wú)磁鋼：特殊鉻錳奧氏體鋼
耐蝕合金的各種產(chǎn)品類(lèi)型都需要，包括3D鍛件、軋制環(huán)、鍛造和軋制棒材、無(wú)縫管和焊管，復(fù)合管、厚板及板帶。耐蝕合金在油氣行業(yè)的應(yīng)用特殊合金鋼和耐蝕合金用途廣泛，特別是海上生產(chǎn)。它們可以用作鉆柱、管道、套管、井下完井設(shè)備、井口裝置、防噴裝置、水下采油樹(shù)、管匯、冒口系統(tǒng)、出油管、跨接線、臍管、閥門(mén)、泵、水上加工設(shè)備等。以下為一些應(yīng)用實(shí)例：
定向和水平鉆孔部件，采用特殊非磁性鋼在精密旋轉(zhuǎn)鍛壓機(jī)上鍛造，再進(jìn)行機(jī)加工。底孔組件包括鉆環(huán)、MWD和 LWD 工具、井下動(dòng)力鉆具和鉆頭。
無(wú)縫管用于管道和套管（OCTG）。根據(jù)流體成分可以選擇 13Cr、超級(jí)雙相不銹鋼或鎳合金。需要經(jīng)過(guò)冷加工處理提高強(qiáng)度。
復(fù)合焊管成本低，可以替代耐蝕合金管、出油管、輸送管道和鋼懸鏈立管。復(fù)合管采用碳鋼母管和耐蝕合金（如316L、825、625）襯管。復(fù)合方法有冶金或機(jī)械復(fù)合兩種技術(shù)。
軟管可以替代剛性出油管和立管。骨架采用冷軋卷板。常用鋼種有 316L、經(jīng)濟(jì)型雙相、雙相和超級(jí)雙相不銹鋼。
大型鍛件，例如防噴裝置和水下采油樹(shù)。通常由合金鋼（F22，8630，4130）制成，為了防止腐蝕，濕區(qū)部分要采用鎳合金堆焊。小型鍛件，如閥體，也多采用雙相不銹鋼。
大口徑薄壁焊管用于 LNG 管道（主要是 304L 和 316L）。LNG 低溫輸送管線 采 用 Invar（ 合 金 36） 或 9% 鎳 鋼。Invar 也可用于 LNG 運(yùn)輸船的薄膜。
宏觀趨勢(shì)和推動(dòng)力耐蝕合金在全球油氣行業(yè)的應(yīng)用受到兩股完全不同的力量的推動(dòng)：美國(guó)的陸地頁(yè)巖油氣和全球海上油氣田（特別是深水），這兩個(gè)領(lǐng)域差異很大，但發(fā)展速度都很快。過(guò)去 5 年，鉆井和完井技術(shù)的巨大進(jìn)步使美國(guó)陸地頁(yè)巖氣的生產(chǎn)經(jīng)歷了爆炸性增長(zhǎng)。水平鉆井和水力壓裂技術(shù)的發(fā)展釋放了以前無(wú)法獲取的資源，改變了美國(guó)陸地資源市場(chǎng)，在不到 10 年的時(shí)間內(nèi)美國(guó)水平鉆井架所占比例從 10% 提高到 60% 以上。面對(duì)底孔設(shè)備承受的變形加上頁(yè)巖氣的腐蝕性和高壓頁(yè)巖油，鉆機(jī)必須采用優(yōu)質(zhì)材料。
在多種因素的助推下，耐蝕合金在海上，特別是深海的用量已經(jīng)超過(guò)了需求基線。2013 ～ 2017 年海上項(xiàng)目投資將達(dá)到 1.2 萬(wàn)億，比前 5 年增加 57%。深海項(xiàng)目的投資將超過(guò) 8000 億美元，比前 5 年增加 60%。深海項(xiàng)目投資主要來(lái)自?xún)蓚€(gè)方面，一是美國(guó)墨西哥灣、非洲和巴西的深海和超深海開(kāi)采；二是天然氣開(kāi)采，特別是亞洲陸地和浮動(dòng)設(shè)備的 LNG 生產(chǎn)。對(duì)于新的深海和超深海開(kāi)發(fā)項(xiàng)目，生產(chǎn)企業(yè)所面臨的儲(chǔ)層壓力和溫度更高，同時(shí)他們也在了解現(xiàn)有深海和超深海尖端開(kāi)發(fā)項(xiàng)目的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)。由于加強(qiáng)了對(duì)現(xiàn)有設(shè)備的安全性和運(yùn)行數(shù)據(jù)的關(guān)注，主要石油企業(yè)和大型國(guó)家石油公司要求旗下的生產(chǎn)企業(yè)為海下設(shè)備選用更高牌號(hào)的材料。
由于井口壓力達(dá)到了 1.5 萬(wàn) psi，甚至更高，井流溫度達(dá)到 350℃，腐蝕導(dǎo)致的污染，包括二氧化碳和硫化氫，所有不銹鋼和鎳合金等高品質(zhì)材料的需求量還將繼續(xù)增長(zhǎng)。
盡管頁(yè)巖氣快速發(fā)展已經(jīng)大幅降低了美國(guó)的天然氣價(jià)格，但是亞洲市場(chǎng)（包括中國(guó)、日本、韓國(guó)和印度）對(duì)能源需求的快速增長(zhǎng)，以及對(duì)核能的擔(dān)憂使那里的 LNG 價(jià)格上漲。LNG 需求增長(zhǎng)促使大批資金投入新建和擴(kuò)建 LNG 項(xiàng)目，2013 ～ 2017 年 LNG 的新增產(chǎn)能將達(dá)到2 億 t/ 年。其中大多數(shù)天然氣來(lái)自海上平臺(tái)，液化在陸地或浮動(dòng)裝置上完成。
雖然目前大多數(shù) LNG 項(xiàng)目都是在較淺水域（500m 之內(nèi)），但是多數(shù)海上 LNG采用水下技術(shù)，包括未處理井流的長(zhǎng)距離錨桿。很多時(shí)候氣體中含有很多雜質(zhì)，使與井流接觸的鋼材處于強(qiáng)腐蝕環(huán)境。另外澳大利亞等地區(qū)的環(huán)保條例非常嚴(yán)格，設(shè)備必須達(dá)到長(zhǎng)壽命，終身免維護(hù)。這就要求生產(chǎn)企業(yè)選用高品質(zhì)材料，包括海底設(shè)備和管道采用鎳合金復(fù)合材料或整體不銹鋼管。
在海上和頁(yè)巖氣開(kāi)采的雙重推動(dòng)下，油氣行業(yè)將加大不銹鋼和特殊鋼用量，迎接技術(shù)挑戰(zhàn)，開(kāi)采已探明的資源。對(duì)于那些愿意按照油氣行業(yè)的嚴(yán)格標(biāo)準(zhǔn)投入時(shí)間和資源的生產(chǎn)企業(yè)，擴(kuò)大銷(xiāo)量的機(jī)會(huì)比比皆是。