使用镍基合金管是解决高H2S/CO2油气田腐蚀问题安全且相对经济的方法。根据杨 明《H2S/CO2条件下油井管选材研究》,镍基合金油井管主要应用于地质结构复杂、 高温高压高腐蚀性的特大型海相天然气田等富含CO2、H2S等强腐蚀环境的高酸性油 气资源。因其服役条件恶劣、制造工序复杂、生产难度大、产品质量要求苛刻等,被 誉为技术含量最高的钢铁产品之一。


  相比普通不锈钢,镍基合金抗环境腐蚀性存在显著优势。在地质结构复杂、高温高 压高腐蚀性的特大型海相天然气田等富含CO2、H2S等强腐蚀环境中,普通的传统管 材难以满足耐腐蚀、耐应力需求。根据R.B.Rebak《Stress corrosion cracking (SCC) of nickel-based alloys》,随着腐蚀环境逐渐恶劣,当H2S分压、氯化物浓度上升至 1 bar、1000ppm时,传统奥/马氏体不锈钢、PH不锈钢已不能满足使用需求;当H2S分压、氯化物浓度上升至10 bar、1万ppm时,强马氏体不锈钢已不能满足使用的需 求;而当H2S分压、氯化物浓度上升至接近100 bar、10万ppm时超奥氏体不锈钢也 不再满足抗腐蚀需求,此时仅镍基合金满足使用需求。


  此外,镍基合金在腐蚀环境中的腐蚀速率显著低于其他合金,根据V. A. Maslyuk 2015年发表的《Production and Industrial Testing of Valves for Oil Well Pumps from these Materials》,以10%的酸性腐蚀液为例,传统不锈钢、司太立(钴基合金)、 VK8硬质合金腐蚀速率均边际上升,腐蚀程度随时间指数型增长;镍基合金的腐蚀速 率显著低于其他合金,且稳定保持低位。上述优异性能为镍基合金在高腐蚀性油气 田环境下的有效工作,形成显著优势


  虽然抗腐蚀能力强,但镍基合金油井管生产难度明显大于常规油井管,根据杨军《镍 基合金耐蚀井管可加工性评述》,镍基合金含有许多高熔点金属元素,原子结构稳 定,抗拉强度约为 896MPa,切削力为普通钢材的 2-4 倍,即使温度达到1050-1150 ℃,抗 拉 强 度 仍 然 很 高 (100-200MPa) 。镍基合金有4项物理性能参数均 达到难加工材料的要求,其可加工性仅为45钢(普通碳素结构钢)的5%-15%。


  热挤压等工艺是生产镍基合金油井管的必备工艺。根据肖国章《高酸性气田用镍基 耐蚀合金油套管的生产工艺》,镍基合金油井管生产难度明显大于常规耐蚀油井管, 在化学成分、生产工艺、外观质量、力学性能及无损探伤等方面较为复杂和苛刻。镍 基耐蚀合金油套管的生产及加工关键工艺:合金冶炼—(锻造)—热挤压—中间热 处理(固溶处理)—冷轧—螺纹加工等。制造工序较复杂,生产难度较大且质量要 求严格。由于镍基耐蚀合金高温塑性极差,热成型温度范围窄,变形抗力较大,所以 无法采用传统的穿孔轧制工艺制造,必须通过高温下的高速率大应变的挤压工艺完 成,将金属加热到在再结晶温度以上进行挤压,使管坯从模孔中挤出,从而得到与 模孔断面形状相符的管材。



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