使用鎳基合金管是解決高H2S/CO2油氣田腐蝕問題安全且相對經濟的方法。根據楊 明《H2S/CO2條件下油井管選材研究》,鎳基(ji)合金油井管主要應用于地質結構復雜、 高溫高壓高腐蝕性的特大型海相天然氣田等富含CO2、H2S等強腐蝕環境的高酸性油 氣資源。因其服役條件惡劣、制造工序復雜、生產難度大、產品質量要求苛刻等,被 譽為技術含量最高的鋼鐵產品之一。
相比普通不銹鋼,鎳基合金抗環境腐蝕性存在顯著優勢。在地質結構復雜、高溫高 壓高腐蝕性的特大型海相天然氣田等富含CO2、H2S等強腐蝕環境中,普通的傳統管 材難以滿足耐腐蝕、耐應力需求。根據R.B.Rebak《Stress corrosion cracking (SCC) of nickel-based alloys》,隨著腐蝕環境逐漸惡劣,當H2S分壓、氯化物濃度上升至 1 bar、1000ppm時,傳統奧/馬氏體不銹鋼、PH不銹鋼已不能滿足使用需求;當H2S分壓、氯化物濃度上升至10 bar、1萬ppm時,強馬氏體不銹鋼已不能滿足使用的需 求;而當H2S分壓、氯化物濃度上升至接近100 bar、10萬ppm時超奧氏體不銹鋼也 不再滿足抗腐蝕需求,此時僅鎳基合金滿足使用需求。
此(ci)外,鎳(nie)基合(he)金(jin)(jin)在(zai)腐(fu)(fu)(fu)蝕(shi)(shi)環(huan)境中的(de)腐(fu)(fu)(fu)蝕(shi)(shi)速率顯(xian)著低于其他(ta)合(he)金(jin)(jin),根據V. A. Maslyuk 2015年發表的(de)《Production and Industrial Testing of Valves for Oil Well Pumps from these Materials》,以(yi)10%的(de)酸性(xing)腐(fu)(fu)(fu)蝕(shi)(shi)液為例,傳(chuan)統不銹鋼、司(si)太立(鈷基合(he)金(jin)(jin))、 VK8硬質(zhi)合(he)金(jin)(jin)腐(fu)(fu)(fu)蝕(shi)(shi)速率均邊際上(shang)升,腐(fu)(fu)(fu)蝕(shi)(shi)程度隨(sui)時間指數型增長;鎳(nie)基合(he)金(jin)(jin)的(de)腐(fu)(fu)(fu)蝕(shi)(shi)速 率顯(xian)著低于其他(ta)合(he)金(jin)(jin),且(qie)穩定保持低位。上(shang)述優(you)異性(xing)能為鎳(nie)基合(he)金(jin)(jin)在(zai)高腐(fu)(fu)(fu)蝕(shi)(shi)性(xing)油氣 田(tian)環(huan)境下的(de)有效工作,形(xing)成顯(xian)著優(you)勢
雖然抗(kang)腐蝕(shi)能力強(qiang)(qiang),但(dan)鎳(nie)基(ji)(ji)合金(jin)油井管生產(chan)難度(du)(du)明顯大于常規油井管,根(gen)據楊軍《鎳(nie) 基(ji)(ji)合金(jin)耐蝕(shi)井管可加工(gong)性(xing)評述》,鎳(nie)基(ji)(ji)合金(jin)含(han)有(you)許(xu)多(duo)高(gao)熔點金(jin)屬元素,原子結(jie)構穩 定,抗(kang)拉強(qiang)(qiang)度(du)(du)約(yue)為(wei)(wei) 896MPa,切削力為(wei)(wei)普(pu)通鋼材的(de) 2-4 倍,即使(shi)溫(wen)度(du)(du)達(da)到(dao)1050-1150 ℃,抗(kang) 拉 強(qiang)(qiang) 度(du)(du) 仍 然 很 高(gao) (100-200MPa) 。鎳(nie)基(ji)(ji)合金(jin)有(you)4項物理性(xing)能參數均 達(da)到(dao)難加工(gong)材料的(de)要求,其可加工(gong)性(xing)僅為(wei)(wei)45鋼(普(pu)通碳(tan)素結(jie)構鋼)的(de)5%-15%。
熱(re)(re)(re)(re)擠壓(ya)等(deng)工(gong)(gong)(gong)藝(yi)是(shi)生(sheng)(sheng)(sheng)產(chan)(chan)鎳(nie)基(ji)(ji)合(he)金(jin)油(you)井管(guan)的(de)(de)必備(bei)工(gong)(gong)(gong)藝(yi)。根據肖國章《高(gao)酸性(xing)氣田用鎳(nie)基(ji)(ji) 耐蝕(shi)(shi)合(he)金(jin)油(you)套(tao)管(guan)的(de)(de)生(sheng)(sheng)(sheng)產(chan)(chan)工(gong)(gong)(gong)藝(yi)》,鎳(nie)基(ji)(ji)合(he)金(jin)油(you)井管(guan)生(sheng)(sheng)(sheng)產(chan)(chan)難(nan)度明顯大于常(chang)規(gui)耐蝕(shi)(shi)油(you)井管(guan), 在化學(xue)(xue)成分、生(sheng)(sheng)(sheng)產(chan)(chan)工(gong)(gong)(gong)藝(yi)、外觀質(zhi)量、力(li)學(xue)(xue)性(xing)能及無損探傷等(deng)方面(mian)較為復(fu)雜(za)和苛刻(ke)。鎳(nie) 基(ji)(ji)耐蝕(shi)(shi)合(he)金(jin)油(you)套(tao)管(guan)的(de)(de)生(sheng)(sheng)(sheng)產(chan)(chan)及加(jia)工(gong)(gong)(gong)關鍵(jian)工(gong)(gong)(gong)藝(yi):合(he)金(jin)冶煉—(鍛(duan)造(zao))—熱(re)(re)(re)(re)擠壓(ya)—中(zhong)間熱(re)(re)(re)(re) 處理(固溶處理)—冷軋(ya)—螺紋加(jia)工(gong)(gong)(gong)等(deng)。制造(zao)工(gong)(gong)(gong)序較復(fu)雜(za),生(sheng)(sheng)(sheng)產(chan)(chan)難(nan)度較大且質(zhi)量要 求嚴格(ge)。由于鎳(nie)基(ji)(ji)耐蝕(shi)(shi)合(he)金(jin)高(gao)溫(wen)塑性(xing)極差,熱(re)(re)(re)(re)成型(xing)溫(wen)度范圍窄(zhai),變形(xing)抗力(li)較大,所以 無法采用傳統的(de)(de)穿孔(kong)(kong)軋(ya)制工(gong)(gong)(gong)藝(yi)制造(zao),必須通過(guo)高(gao)溫(wen)下的(de)(de)高(gao)速率大應變的(de)(de)擠壓(ya)工(gong)(gong)(gong)藝(yi)完 成,將金(jin)屬加(jia)熱(re)(re)(re)(re)到在再結晶溫(wen)度以上進行擠壓(ya),使(shi)管(guan)坯從模孔(kong)(kong)中(zhong)擠出,從而(er)得到與 模孔(kong)(kong)斷面(mian)形(xing)狀相(xiang)符的(de)(de)管(guan)材。

