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无缝17%Cr不锈油井用管UHP®-17CR
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(API一13Cr) 已不能适应深井环境也增加。眼看着改良型不锈钢(Mod一13Cr) 也不能用。因此，又开发，并开始应用15%Cr马氏体不锈钢管(UHP®一15CR) 。
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的(YS∶758MPa~)、125ksi级(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®一15CR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®一15CR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级≥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) 在CO2腐蚀的使用临界温度＞200℃(CO2分压，10 MPa) ；
(5) 耐SCC性∶pH4~4.5(H2S分压0.01 MPa) 无SCC。
本开发课题在UHP®一15CR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(略)所示，这时在Cr当量、Ni当量增加时与SUS329J3L、J4L(分别为22Cr、25Cr) 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1的UHP®一15CR来说，在新开发材料UHP®一17CR，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Cr、Mo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W和Cr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0.03C一17Cr一4Ni一2Mo一1Cu一1W。
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®一17CR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(略) 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级) 的结果，以高温强度作图如图3 (略)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®一17CR有利。UHP®一17CR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®一17CR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(略) 。在一60℃其值超过270J，本开发材UHP®一17CR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性
图5 (略) 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API一13Cr、Mod一13Cr、UHP®一15CR一起与本开发钢UHP®一17CR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。
图6 是比较20%N aC l水溶液，CO2分压0.1MPa，25℃时的孔蚀电位和耐孔蚀指数和Mod一13Cr，UHP®一15CR与本开发钢UHP®一17CR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®一15CR的125ksi级比较和UHP®一17CR的125ksi级的结果示于图7(略)。在H2S分压0.01MPa下，其利用的范围可到pH4.0范围。
耐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®一17CR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。作为值得信赖的合作伙伴和高品质金属合金的半成品供应商，艾荔艾拥有完善的服务体系和专业的团队。在同客户交易的过程中，我们力求根据不同的应用需求将我们的产品做到精益求精。针对当前和未来的市场需求，艾荔艾致力于为客户提供最佳的金属材料解决方案。
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