不锈钢在石油工业中的应用

石油勘探开发是一个多学科交叉、技术和资金高度密集的行业,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、超斜油气井以及含 H2S、CO2、Cl-等油气田的开发,具有防腐性能要求的不锈钢材的应用日益增加。以下主要就油井管、输送管、油气储藏罐以及下游炼化企业的应用逐一介 绍。
不锈钢在油气输送管及其设备的应用
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。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出造成贫Cr区,常发生在焊接热影响区内。加入N元素有助于在焊缝接头处生成奥氏体,并且在 焊后热影响区保持稳定。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的含量决定。对于2205不锈 钢,N含量不仅能提高材料对局部腐蚀的耐力,而且对焊后金相组织有益。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、表面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,焊接输入线能量以及热处理后冷却速度对焊后组织有很大的影响,可能会影响热影响区中铁 素体含量。而铁素体中碳固溶度极低时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量偏高,并能生成氮化物,最终降低抗腐蚀能力和韧性值;较高的输入线能量辅以低冷速,最终也降低抗腐蚀能力和韧性[3]。
近 年来双相不锈钢现已被广泛用于所有大石油公司的主要管道系统开发,也是海上采油采气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。 而普通碳素钢因内部腐蚀率较高,尽管可以采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°C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[4]。随着H2S在输送油气中的浓度增加,同时伴随着输气温度、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。当石油工业逐渐转向高温高压工程时,将会更多地采用超级双相不锈钢。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。
双相不锈钢价格较高,影响其产 品的推广。据报道,近年在管道输送中一种新型的马氏体不锈钢被研制出来[5]。川崎制铁开发了CO2环境下使用的0.01C-11Cr-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 比冲击值在100J(-40°C,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。由于含碳量减低后,铬碳化物减少,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油气输送管道用材。
不锈钢在炼化企业中的应用
近几年炼化行业中不锈钢的用量日益增多,但是随着石油加工业向现代化、大型化和高效化的发展,腐蚀越来越突出,需要越来越多的低C、超低C、高纯铁素体等高度不锈无缝钢管及不锈钢焊管。
在 石油加工中,常减压、蒸馏、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7590t,其中腐 蚀部分用钢617t。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,也多使用不锈耐蚀钢管。我国大、中、小型石油炼厂,估计 每年维修用不锈耐蚀用无缝钢管2000t左右[6],以304、304L、316、316L高Ni或高纯铁素体不锈无缝钢管为主,还有少量的 Incoloy800,其中外径Φ19~630mm占63%。
双相不锈钢与通常的18-8奥氏体不锈钢相比,屈服强度ss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H2S应力腐蚀和Cl-应力腐蚀的环境。国产 00Cr18Ni5Mo3Si2N双相不锈无缝钢管,用于炼油厂加氢装备、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围进一步扩大。
高纯铁素体不锈钢,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、炼油设备、氯化或腐蚀苛刻的环境中。Incoloy800系列属Fe-Ni-Cr合金, 较高的Cr含量使合金表面形成一层保护性良好的氯化膜,较高的Ni含量使表面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等装置上。
除了钢管,石油炼化设备制造和维修还使用321-316L等牌号的中厚板、石油化工容器用冷轧不锈钢薄板(通常为0.3-0.6mm、1219-1520mm、SUS316,表面状态为NO.2B/2D)。
压力容器用不锈钢
在 压力容器不锈钢的研制、生产和应用方面,铁素体-奥氏体双相不锈钢取得了较大的技术进展,其中00Cr18Ni5Mo3Si2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 00Cr18Ni5Mo3Si2热轧中板和冷轧薄板,该双相不锈钢已列入了JB4732-95标准和GB150-1997。
另外,一种在普 通奥氏体不锈钢基础上发展起来的高合金奥氏体不锈钢00Cr20Ni18Mo6CuN,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,在国内使用效果较为良好[7]。另一种高级奥氏体不锈钢 00Cr20Ni25Mo6.5CuN,其中Cr具有抗氧化性介质腐蚀能力,Mo、N、Cu具有提高抗点蚀、缝蚀和应力腐蚀的能力,兼有高强度、高耐蚀性 及高热稳定性能。国外已经将其广泛用于炼油工业的原油蒸馏设备、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, 既保留了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0Cr18Ni9、0Cr18Ni10Ti 、00Cr17Ni12Mo2、00Cr19Ni10、00Cr17Ni14Mo2)、铁素体不锈钢(如0Cr13Al)、马氏体型不锈钢(如 0Cr13),还有铁素体-奥氏体双相不锈钢(如00Cr18Ni5Mo3Si2),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。
不锈钢焊管在石油行业的应用
随着脱硫技术、真空脱气技术、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,也逐步用于石油套管、管线输送管、油管、化工管道等。
据 统计,全世界大约有17个国家的50家企业生产用于石油钻采的直缝焊管,其中美国有16家,年产80万吨[8]。世界上规格 的?660mm 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、锅炉热交换器等领域,其中石油化工行业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。在德国,以德马克-米尔公司产品为代表的焊管生产设备,可生产石油钻采等高级焊管。 国内近几年不锈钢焊管市场主要还在建筑装饰,石油工业用耐腐蚀不锈钢焊管尚为空白。http://www.forging1.com


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