高含硫油氣井不斷被發現和開采,這類油氣井的腐蝕問題非常嚴重。普通的碳鋼、低合金鋼乃至13Cr、22Cr等小銹鋼已無法滿足開采需求,因此有大茸的高含Cr、Ni、Mo的Ni基合會鋼材料應用到油套管中。1975年,NACE公布了針對酸性油田環境抗硫化物應力開裂和應力腐蝕開裂合金材料的選材標準。ISO組織將該標準與EFCl6、17合并修訂,制定了NACE0175/ISO15156選材標準。}]前,該標準已成為油氣田選材的基本標準。NACE0175/ISO15156標準根據合金元素的含量將固溶鎳基合金分為4a、4b、4c、4d和4e五個類型。
NACE0175/ISO15156標準中還給出了經退火和冷加工的具有高強度固溶鎳基合金用作井下管件的環境和材料限制。目前應用于油套管的固溶鎳基合金的牌號及化學成分。
目前國際上具有鎳基合金油套管生產能力的廠家主要有美國特殊鋼鐵公司、日本住友金屬、德國V&M、瑞典Sandvik等。這些廠家都具有多年的開發和生產經驗,產品的品種和強度范圍都比較齊全。
鎳基合金油管產品相關技術具有以下主要特點:
(1)合金含量高,雜質有害元素要求高,因此冶煉技術難度大,必須通過純氧頂吹轉爐或電爐冶煉,配合如AOD、VOD、VAR、ESR、VIM及VAD等精煉工藝。
(2)合金種類多,各種元素對抗腐蝕性能影響的作用機理及相互影響機理復雜。在降低成本和提高抗腐蝕性能方面,需要結合每個油氣田實際工況環境,進行大量的合金優化,需要大量的研究工作。
(3)與現有常規不銹鋼相比,鎳基合金的高溫塑性較差,無法采用常規熱軋或熱穿孔方法實現,必須通過熱擠壓工藝進行熱加工。
(4)合金時效析出相成分和組織復雜,對抗腐蝕性的影響機理尚不完全清楚。合金的析出相受溫度影響顯著,控制熱加工及熱處理溫度與時問是保證質量的重要因素。
(5)該系列產品為單項奧氏體組織,室溫強度低,高強度油套管的鋼級必須通過熱擠壓后的冷加工強化實現,但是鎳基合金冷加工硬化程度高,冷加工工藝控制難度大。
美國特殊鋼鐵公司研究了高含硫以及還有Cl離子和二氧化碳存在條件下合金028(UNS N08028),825(UNSN08825),G-3(LINS N06985),050(UNSN06950)和C-276(LINS N10276)等Ni基合金的腐蝕問題,實驗條件參照了ISO15156/MRO175—200l標準(例如:150 000ppm Cl-(1ppm=10-6 1.03MPaH2S以及4.83MPa CO2,溫度149℃),耐蝕性能有如下排序:
固溶強化合金:C—276>050,625,G-3>825>028>25-6Mo。
從排序結果可以看出,M基耐蝕合金的耐蝕性能隨著合金中的Cr、Ni含量增加而提高。該公司指出,合金825和028作為油管材料在世界范圍內的含硫氣井中廣泛使用了多年,配合合金925和718時效強化合金,用于地表層以及井口裝置,已經有20年以上的服役經驗。