水下采油樹關鍵部件的材料設計選型

張鵬舉，袁錦紅，馮建同，孫維

1.美鉆能源科技（上海）有限公司，上海200943

2.中海石油深海開發有限公司，廣東深圳518000

水下采油樹關鍵部件的材料設計選型

張鵬舉1，袁錦紅1，馮建同1，孫維2

1.美鉆能源科技（上海）有限公司，上海200943

2.中海石油深海開發有限公司，廣東深圳518000

我國海洋油氣開采所需的水下采油樹長期依賴于進口，成本高昂。文章針對水下采油樹所處的深水、高溫、高壓、高腐蝕等應用工況，對水下采油樹關鍵部件的基體材料、防腐材料及密封材料的相關性能進行了分析與選型，并將研究成果應用于中國南海流花11-1油田和番禺35-2/1氣田采油樹的國產化制造中。自主研發和設計選型的水下采油樹關鍵部件材料，不僅達到了國際行業標準的性能指標，而且成本只有國外的1/3。

水下采油樹；材料；設計選型；腐蝕

0 引言

我國南海具有豐富的油氣資源，其地質儲量達230億～300億t，其中75%位于深海區域。但由于水下油氣田開采的核心裝備（水下采油樹）的制造技術只有美國掌握，我國被迫長期依賴美國進口，不僅費用高昂，還給我國的能源安全、海洋安全甚至海防安全帶來潛在威脅。水下采油樹設備作為深海油氣開發中的關鍵海底完井設備，其國產化自主研發制造已迫在眉睫。為此，中海石油深海開發有限公司與美鉆能源科技（上海）有限公司合作，展開水下采油樹設備的國產化設計制造研究，攻克了水下采油樹設備關鍵部件的材料設計選型技術難題，將成果應用于中國南海流花11-1油田（工作水深350 m，已應用5套）和番禺35-2/1氣田（設計水深1 500 m，已完成關鍵部件材料的制造），填補了國內空白。

1 水下采油樹設備關鍵部件材料設計簡述

1.1 水下采油樹設備總體結構

水下采油樹按結構形式可分為立式和臥式，傳統的多采用立式結構，考慮到深水條件下維修的方便性，流花11-1項目和番禺35-2/1項目水下采油樹采用臥式結構，其主要結構形式見圖1、圖2。

圖1 水下采油樹外部結構

圖2 水下采油樹心部結構

1.2 水下采油樹材料設計的總體要求

水下采油樹設備是一種在具有強腐蝕性的海底環境下運行的采油（氣）設備，其接觸的工作介質也具有高溫、高壓及高腐蝕的特性。惡劣的工況及環境條件對材料的冶金、機械加工、熱處理、焊接、防腐及密封等性能提出很高的要求，因此其材料的設計必須參照相關標準規范嚴格執行。

（1）水下采油樹屬于海洋油氣開采水下生產系統的關鍵完井設備，因此其材料設計制造須嚴格遵守ISO 10423（API Spec 6A）及ISO 13628-4（AP1 Spec 17D）標準規定。

（2）水下采油樹系統實質上是一種耐高溫、高壓零部件的組合，因此材料設計須按國際慣例遵守ASME BPVC SECTIONⅡ標準的相關規定。

（3）水下采油樹主要零部件接觸的工作介質通常是強腐蝕性的原油，因此其材料選擇須遵守NACE 0175/ISO 15156標準（石油天然氣工業——油氣開采中用于含H2S環境的材料）的相關規定。

2 關鍵部件材料選型的技術分析

2.1 關鍵部件基體材料的設計選型

（1）水下采油樹設備是由一系列具有耐原油（氣）高溫、高壓、高腐蝕的生產和控制通道構筑的，即由樹本體、油管掛、液控閘閥閥體、雙孔連接器、管道連接器及生產跨接管道等主要關鍵部件組成的。針對海底的低溫環境、生產介質的溫度落差、外部環境載荷及內部高壓的承載工況，水下采油樹關鍵部件材料除要求具有高強度外，還要求具有良好的晶粒組織、低溫韌性及抗熱疲勞性能，也就是說其關鍵零部件基體材料應具有良好的綜合機械性能。

（2）在綜合考慮上述要求的基礎上，對比了水下設備常用的幾種低合金鋼材料（包括4130、4140、4340及F22），在設計上我們選用了低合金高強鋼材料F22（ASTM A182）作為關鍵部件基本材料。表1是F22的化學成分。

表1 F22材質的化學成分（質量分數）/%

（3）F22鋼屬于含鉻、鉬的低合金耐熱鋼，其材料成分接近于國產牌號12Cr2MoV鋼。對比其他幾種低合金鋼，F22具有含C量低，Cr、Mo含量相對較高的特點，其機械力學性能見表2。

表2 F22材料機械力學性能

（4）設計要求基體毛胚采用電渣重熔工藝或真空電弧重煉工藝的鍛造件，這樣可以確保材料晶粒組織細密而均勻，有害雜質含量低。采用電渣重熔的且具有較低的C、S、P含量的F22鋼鍛件材料，可保證其良好的抗SSC開裂及氫致裂紋的能力，同時回火脆性傾向也降低，符合NACE 0175/ISO 15156標準要求。

（5）F22鋼較低C、S、P含量使其具有良好的焊接性能，完全滿足在其基體材料內部的生產介質浸潤面上堆焊Inconel625鎳基耐蝕合金的需要。

（6）F22材質中均含有相當量的鉻、鉬、釩，這些元素不僅能顯著改善鋼材的淬透性，同時還能在高溫熱處理時防止奧氏體晶粒長大，使得水下采油樹厚壁零部件（如樹本體）的調質性能大為改善，進而確保材料不僅具有優良的切削加工性能，還保證材料從外表面到中心部兼具優良的低溫韌性及高低溫疲勞強度，以抵抗低溫海水與高溫生產介質產生的溫度落差熱疲勞。

2.2 水下采油樹材料防腐設計選型

（1）為抵抗生產原油（氣）及海水的強烈腐蝕，考慮到相關標準要求，水下采油樹設備在材料設計上采用下列防腐方案措施：

第一，生產流體浸潤面及密封面耐蝕層材料選用Inconel625（或堆焊層）。

第二，液控閘閥的閥座、閥桿及閥板、環空及中心孔的金屬密封材料選用Inconel718。

第三，環空跨接管及化學藥劑注入管道材料選用雙相不銹鋼。

第四，采油樹需水下安裝的零部件配合面及緊固件表面采用超薄復合聚四氟乙烯涂層材料進行表面噴涂。

（2）耐腐蝕合金Inconel 625及Inconel 718的應用分析。根據水下采油樹設備防腐要求，所有受到生產介質浸潤的流道面材質應達到API標準的HH-NL材質等級要求。Inconel718及Inconel625屬于Inconel鎳基高強度耐蝕合金，在高溫環境下具有卓越的抗H2S腐蝕特性，完全滿足NACE 0175/ISO 15156規范的酸性氣體環境下使用的最高標準等級材質要求。

Inconel625材質符合ASTM UNS NO6625規范，其晶體結構為面心立方結構，具有良好的塑性及熱成形性，焊接工藝性良好，因為Ni與Fe可達成無限互熔，因而鎳基合金適合于在低合金鋼表面進行堆焊，為節省材料成本（鎳基合金價格昂貴），在水下采油樹設備制造時，往往在生產介質浸潤的流道面及密封環槽面采取堆焊鎳基合金Inconel625的方法以建立防腐層。

（3）雙相不銹鋼材料應用分析。根據設計要求，番禺項目水下采油樹設備的環空跨接管道及化學藥劑注入管道材料應符合API標準的FF-NL材質等級要求。雙相不銹鋼是一種具有穩定平衡的鐵素體和奧氏體雙相組織的不銹鋼，它既保留了鐵素體不銹鋼導熱系數大、線膨脹系數小、耐點蝕及應力腐蝕的特點，又具有奧氏體不銹鋼韌性好、脆性轉變溫度較低、抗晶間腐蝕、力學性能和焊接性能好的優點。這種特性大大增強了其抗海水腐蝕及在開采原油（氣）時的抗H2S應力腐蝕的能力，因此適用于作水下采油樹設備的環空跨接管道及化學藥劑注入管道的材料。

（4）XYLAN（超薄復合聚四氟乙烯噴涂）涂層材料的防腐應用分析。根據相關標準規范要求，除了與生產介質相接觸的流道面外，水下采油樹所有受到海水浸蝕的零部件，要求采用表面處理及陰極保護雙重防腐措施，而常規海洋油漆涂層的厚度相對較大（0.10 mm以上），對配合公差會產生影響；另外油漆層在磕碰時易脫落，對于需在水下安裝且容易產生碰撞的采油樹零部件，這種涂層的應用存在一定的局限性。超薄復合聚四氟乙烯表面處理技術是一種將主要成分為聚四氟乙烯的超細顆粒通過熱噴涂工藝均勻打到金屬表面，形成一層具有附著力強（按ASTM D3359的涂層附著力試驗標準達到4B-5B級）、超薄致密（涂層厚度為0.03 mm左右）、高潤滑性、高防腐性、耐高溫等特點的薄膜，對高精度配合件的尺寸公差影響小，適用于金屬件與金屬件/非金屬件之間存在表面接觸、擠壓、相對運動等工況。該工藝已廣泛用于水下設備并被證明與陰極保護有很好的兼容性。

2.3 水下采油樹密封材料的設計選型

（1）水下設備的密封要求。水下采油樹密封件材料的選擇不僅要考慮到材料的耐高溫、高壓及耐腐蝕性能，還要考慮到密封件在深海水下便于安裝這一要求。

（2）番禺項目水下采油樹的主要密封形式有：

第一，水下采油樹設備壓力通道的連接大都采用金屬墊環與環槽錐面相配合的方式，通過壓力預緊實現金屬的高壓（15 000 psi，即103.4 MPa）密封。

第二，對于水下采油樹油管掛及樹帽與樹本體之間的環空徑向間隙、中心孔堵頭與油管掛及樹帽的徑向間隙，采用以易成形且彈性好的金屬密封件為主、非金屬密封為輔的組合密封方案。

第三，采油樹液控閘閥開關的密封通過采用金屬閥板與閥座高光潔度表面在彈簧力及壓力作用下形成的緊密貼合，實現摩擦副動密封。

（3）金屬密封件的材料性能分析。水下采油樹金屬密封墊采用鎳基合金Inconoy 825（UNS N08825標準），與其配合的墊環槽采用鎳基合金Inconel 625堆焊層，這兩種合金不僅具有優良的耐蝕性能（達到NACE 0175/ISO 15156規范的酸性氣體環境下使用的材質要求），同時還具有卓越的抗高溫氧化及熱疲勞性能，滿足高溫、高壓、高腐蝕生產原油（氣）介質的密封要求。Inconel718材質符合ASTM UNS NO7718規范，具有良好的加工成形性及耐腐性，同時具有良好的彈性，常被選作水下采油樹的閥門零部件（閥桿、閥板及閥座）及外形復雜的金屬密封材料（如U形、K形金屬密封圈）。對于采油樹液控閘閥，其密封副材料的選用主要應考慮其強度、韌性、耐磨性及加工成形精度等因素。為此，閥門的閥板、閥桿及閥座在設計上采用在Inconel718基體上熱噴涂硬質合金層（以增加其密封面的耐磨性）的材料。

（4）非金屬密封材料性能分析。水下采油樹的非金屬密封往往采用金屬包邊結構，增加的金屬端蓋主要起導向作用。根據水下采油樹的工況條件及應用要求，對非金屬密封材料，選用了兩種具有高抗腐蝕性、高低溫適應性強的高分子橡膠彈性材料，其一為氟醚橡膠，另一種為氫化丁晴橡膠（H-NBR）。

面對原油（氣）的高溫及高腐蝕性，氟橡膠以其他橡膠不可比擬的耐高溫、耐油和耐多種化學物質腐蝕的特性，成為非金屬彈性密封材料家族中的寵兒，但水下采油樹長期浸泡在低溫海水環境中，對其密封材料的抗低溫性能也有苛刻的要求（設計要求能在-18℃的低溫環境中長期保持密封），而常規全氟橡膠的抗低溫性能是無法滿足這種要求的，為此，水下采油樹的生產通道中心孔的非金屬密封材料選用了氟醚橡膠。研究表明：相對于全氟橡膠，氟醚橡膠在分子結構上引入了醚鍵，降低了分子結晶度，使大分子柔順性變好，因而低溫性能得到顯著改善，同時還保持了氟橡膠的抗高溫性能。

氫化丁晴橡膠是對丁晴橡膠進行特殊加氫處理而得到的一種高飽和的彈性體，這種高度飽和的分子結構在保留了丁晴橡膠的高強度及高抗撕裂性能的基礎上，改善了原丁晴橡膠的耐熱性、耐低溫性、耐化學腐蝕性能，提高了抗壓縮永久變形的能力。與氟橡膠相比，盡管在耐油及耐熱性能方面稍有不足，但加工性能及綜合機械性能卻優于氟橡膠，且相對氟橡膠價格低廉。綜合各種因素，對于水下采油樹油管掛及樹帽環空非金屬密封，設計中選用了氫化丁晴橡膠材料。

3 關鍵部件材料選型的應用效果

根據以上分析，在中國南海流花11-1油田和番禺35-2/35-1氣田采油樹國產化研發試制時，其水下關鍵部件（包括樹本體、油管掛、液控閘閥閥體、雙孔連接器、管道連接器等）的基體材料選用了F22（ASTM A182）材料，采用文中介紹的防腐材料和工藝進行防腐，金屬密封件及非金屬密封件材料進行密封。材料的各項機械性能試驗數據及設計模擬分析結果表明，所選材料完全滿足設計要求。研制的流花11-1油田的5套水下采油樹成功安裝于海底后已安全運行兩年多；研制的番禺35-2/35-1氣田水下采油樹關鍵部件也均已成功通過603次的高低溫（-46～121℃）、高壓（103.4 MPa）、浸漬、耐火燒、承載和振動試驗（PR2試驗）；番禺35-2/35-1氣田水下采油樹的密封件也均已成功通過160 h的浸漬試驗和鹽霧試驗，試驗證明密封性能良好。

[1]ISO 13628-4-2010，石油和天然氣工業——海底開采系統的設計和操作——第4部分：海底井口裝置和采油樹設備[S].

[2]ISO 10423-2009，石油和天然氣工業——鉆井和采油設備——井口裝置和采油樹設備[S].

[3]ISO 15156-2009，石油和天然氣工業——油、氣生產中含硫化氫（H2S）環境下使用的材料[S].

[4]韓曉燕，陳旭.聚四氟乙烯防腐蝕涂層的研究進展[J].塑料，2007，36（2）：53-56.

[5]王作齡.丁晴橡膠與氫化丁晴橡膠[J].世界橡膠工業，2005，32（9）：7-11.

[6]李振環.全氟醚橡膠的性能及應用[J].液體機械，2006，32（12）：52-54.

MaterialDesignand Type-selectionofKeyParts ofSubsea Christmas Tree

Zhang Pengju1，YuanJ inhong1，Feng J iantong1，Sunwei2
1.MSP/DRILEX INC，Shanghai200943，China
2.China NationalOffshore OilCorporation，Shenzhen518000，China

Costly subsea christmas trees applied in domestic subsea oilfields have been relied on import for a long time，therefore the research on design and type-selection of base material，anticorrosion material and sealing material of key parts of subsea cristmas tree is carried out according to application conditions of deep water，high temperature，high pressure and strong corrosion.The research results are applied in domestic fabrication of subsea cristmas trees for Liuhua 11-1 Oilfield and Fanyue 35-2/1 Gas Field.The performance of developed materials of key parts of subsea cristmas tree meets the international industry standard，and the costs are about 1/3 of those of relative foreignmaterials.

subsea christmas tree；material；designand type-selection；corrosion

國家科技重大專項“大型油氣田及煤層氣開發”（2011ZX05056）

10.3969/j.issn.1001-2206.2015.03.007

張鵬舉（1968-），男，湖北武漢人，高級工程師，1992年畢業于海軍工程大學潛艇設計與制造專業，現主要從事海洋石油天然氣水下生產設備的研發、設計、制造與管理工作。

2014-09-24；

2015-03-30