水下生產設施用Inconel 625技術要求的構建

石磊，姜瑛，張飛，王長濤，何寧強，張永生

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

隨著我國油氣資源的開發逐步走向深水和邊際油氣田，水下生產系統將是今后海洋油氣開發生產的關鍵[1]。水下的特殊環境，如介質、高壓、風浪、水流和海水腐蝕以及20年甚至更長時間的免維護等條件決定了水下生產設施材料的高技術需要。Inconel 625鎳基合金因具有優良的耐高溫性能和耐蝕性，能滿足高含硫石油和天然氣的耐腐蝕要求[2]。水下生產設施的選材與防腐設計時，通常先在API 17D[3](5.1.1.4節表1)中選擇適當的材料類別，也應符合API 6A[4]對材料的相關要求。總體而言，對于金屬材料包括碳鋼和低合金鋼、不銹鋼(奧氏體，馬氏體，沉淀強化鋼等)、鎳基合金、鈹銅合金等的選擇需考慮特定使用環境[5]。參考以往水下油氣開發工程項目的經驗，一般在水下設施與流體潤濕部位堆焊鎳基合金來抵抗碳鋼和低合金鋼的內腐蝕，而對于一些尺寸比較小(通常≤2 in)的鍛件或者管道，如果采用在碳鋼材料表面進行堆焊的方式，焊接操作比較困難，且價格方面沒有明顯優勢，這時可以選用Inconel 625純材。為此，探討分析水下生產設施用耐腐蝕合金Inconel 625的化學成分、機械性能及堆焊后的焊縫檢驗、硬度測試等技術要求。

1 Inconel 625管道技術要求

1.1 化學成分要求

Inconel 625純材的原材料選用ASTM B564[6]N06625鍛件或ASTM B444[7]N06625 Gr.1鋼管，材料化學成分參考表1。應以爐號為基礎。在化學分析時允許存在殘留/微量元素，但殘留/微量元素不可對合金的熔煉或力學性能產生有害影響。

表1 化學成分要求

1.2 力學性能要求

1)拉伸試驗。要求用一個拉伸試棒進行試驗，其力學性能應滿足表2的要求。

表2 機械性能要求

2)硬度要求。每件產品熱處理后應進行硬度試驗，最小硬度值為179 HBW，最大硬度值為320 HBW。夏比V形缺口沖擊試驗，要求每組3個沖擊試樣，沖擊值應當滿足表3的要求。

表3 沖擊值要求

沖擊試驗必須在上述指定溫度或者低于上述指定溫度下進行，10 mm×10 mm沖擊試樣只允許有1個試驗結果可以小于最小平均值。API 6A要求的PSL 4等級只允許使用10 mm×10 mm沖擊試樣。沖擊試驗可采用橫向或縱向，如果做縱向沖擊試驗，應由材料供應商在材料測試報告上注明。

1.3 生產過程要求

1)成型要求。Inconel 625鍛件和管材根據ASTM B564要求進行成型，經過成型后，管件需要進行退火處理。

2)力學性能測試。①測試頻率，管件產品需要同爐同熱處理爐，同尺寸規格等級取1件延長件或破壞件；②化學分析,所有管件化學成分需要滿足，每冶煉爐進行一次化學分析；③拉伸試驗，見1.2節相關要求。

3)無損檢測。①表面檢測，所有管件需要依據ASTM B366/B366M[8]進行表面檢測；②滲透檢測，所有管件最終機加工后，需要根據ASTM E165/E165M[9]進行滲透探傷；③超聲檢測，所有管件經過最終熱處理后，需要根據ASTM A388/A388M[10]進行超聲探傷。

4)材料識別檢測。管件應抽取10%進行PMI檢測，所有管件需要進行最終的尺寸檢測，管件產品需要提供由權威第三方機構簽發的EN10204 3.2證書。

2 Inconel 625堆焊技術要求

水下生產設施中的通常采用將耐腐蝕性合金鋼材料Inconel 625直接與碳鋼管材料結合，形成耐蝕冶金復合管。

2.1 碳鋼母材技術要求

碳鋼管道應滿足API 5L[11]X65和API 5LD[12]的相關技術要求，碳鋼鍛件應滿足DNVGL-RP-0034[13]和ASTM A694/A694M[14]F65的技術要求。

2.2 堆焊技術要求

Inconel 625堆焊應滿足以下技術要求：①堆焊應滿足API 17D和API 6A的相關要求；②Inconel 625堆焊層的最小厚度為3 mm；③Inconel 625至少應堆焊2層；④堆焊層在機加工后應滿足管道內徑和公差的要求；⑤熔合線到CRA表面2 mm處的鐵含量應小于5%；⑥焊接工藝規范(WPS)應由客戶批準。

2.3 焊縫檢驗要求

堆焊焊縫應進行腐蝕試驗，并作為焊接工藝認證記錄的一部分。腐蝕試驗方法為ASTM G48[15]方法A和ASTM G28[16]方法A。ASTM G48方法A要求在50°C下放置24 h，最大允許失重4.0 g/m2。ASTM G28方法A要求測試時間120 h，CRA層和焊縫的驗收標準應為腐蝕速率小于0.9 mm/年。應按照ASME IX[17](第四章QW 404.5)的要求進行化學成分分析，分析結果應符合表1的規定，但Fe含量應小于8.5%。

2.4 硬度測試要求

應按照API 6A中的規定對堆焊試樣進行硬度測試，熱影響區的最大硬度為235HV10，碳鋼母材的硬度應不受影響。堆焊層的硬度測試應按照最新版的ASTM E18[18]進行，堆焊層的硬度應符合ANSI/NACE MR0175的要求，且不得超過310HV10。所有堆焊層都應按照ASTM E165進行著色滲透檢驗，不允許表面不連續。

3 應用分析

3.1 PLET工藝方案介紹

我國南海某深水氣田開發項目，新建了一臺海底管線終端設備(PLET)，設計水深為1 200 m，設計壓力為29.4 MPaG(at-1 450 m)，設計溫度為-29～80 ℃，管道儀表布置原理見圖1。

圖1 管道儀表布置原理示意

PLET的主管尺寸為8 in，主管上設置有2臺ROV操作的水下球閥，三通左側的閥門處于常開狀態，三通右側的閥門處于常閉狀態。主管左端通過錨固件與海底管道焊接，右端設置水下連接器和長期壓力帽，可以與水下接收/發射清管球裝置(PLR)連接，從而實現對PLET及預期連接海底管道的清管、測徑和試壓。8 in支管通過水下三通與主管連接，支管的另一端通過水下連接器與水下管匯連接，將流體輸送到水下管匯。根據工藝要求，在PLET上還設置了1根2-1/16 in的放空管道(也可用于臨時解堵)，該放空管道通過管座與8 in主管連接。

3.2 PLET材料選擇方案

本項目采用水下生產系統進行開發，物流介質為油氣水三相，水下生產系統中氣相CO2含量約為2.66 mol%。根據生產預測，含水量很小，水下生產設施及跨接管道內流體擾動程度嚴重，不利于緩蝕劑成膜，緩蝕劑添加效率按照80%考慮。按照20年設計年限，根據腐蝕預測結果，同時考慮水下設施維修難度大，費用高，推薦水下生產系統管道材料采用碳鋼內襯Inconel 625的方案。

根據上述分析，該PLET的8 in主管和支管材料選擇為API 5L X65+3 mm Inconel 625，三通材料選擇為ASTM A694F65+3 mm Inconel 625。主管和支管上的水下閥門和水下連接器的材料等級均為API 17D要求的HH級，與流體接處的地方均需要內襯厚度為3 mm的Inconel 625。水下閥門的堆焊見圖2，閥體、閥蓋、球體和袖管等部件與流體接觸的地方均需要堆焊厚度為3 mm的Inconel 625。放空管道的尺寸為2-1/16 in，由于尺寸較小，堆焊沒有價格優勢，因此材料選擇Inconel 625純材的管道。放空管道與主管連接的管座采用Inconel 625純材鍛件。

圖2 水下閥門堆焊示意

3.3 Inconel 625管座焊接方案分析

Inconel 625管座與8 in冶金復合管主管的焊接和檢驗是難點。為了保證焊接質量，預設如圖3所示的2種焊接方案，進行試驗對比分析。

圖3 管座焊接方案

方案1是根據管座的尺寸，先在8 in冶金復合主管上鉆孔，然后在開孔處和管道外表面進行堆焊，最后再與管座進行對接焊。

方案2也是根據管座的尺寸，先在8 in冶金復合主管上鉆孔，然后在開孔處的管道外表面打坡口，在坡口和管道露出的碳鋼表面進行堆焊，最后進行管座的對接焊。

兩種焊接方案的焊材均采用ERNiCrMo-3，焊接方式均為氬弧焊，在管座對接焊的第一層和最后一層進行PT檢驗，并在中間焊接層增加了2次PT檢驗，焊后將RT作為輔助檢驗，無損檢驗結果均合格，焊縫理化檢驗結果見表4。

表4 焊縫檢驗結果

焊接完成后還需要按照相關規范的要求，通過水壓試驗來對焊縫質量進行驗證。

由表4可見，方案1和方案2的試驗結果均滿足規范要求，因此從技術方面評估，兩個方案均可行。具體選擇哪個方案，應根據制造現場的條件進行選擇。由于管座焊接后無法進行RT檢驗，水下生產設施長期在海底服役，且一般要求20年甚至更長時間免維護的要求，因此還是存在一定的風險。建議類似工況選用非標的鍛件三通來實現大尺寸管道與小尺寸管道的連接，便于通過RT對焊縫質量進行檢驗，從技術上減少后期的腐蝕和泄露風險。

4 結論

1)Inconel 625純材的原材料可選用ASTM B564 N06625鍛件或ASTM B444 N06625 Gr.1鋼管。

2)Inconel 625管件需要根據ASTM B366/B366M進行表面檢測，根據ASTM E165/E165M進行滲透探傷，根據ASTM A388/A388M進行超聲探傷，并抽取10%進行PMI檢測。管件產品需要提供由權威第三方機構簽發的EN10204 3.2證書。

3)Inconel 625堆焊應滿足API 17D和API 6A的相關要求，堆焊層的最小厚度為3 mm，至少應堆焊2層，且應保證熔合線到CRA表面2 mm處的鐵含量(Fe)應小于5%。

4)堆焊焊縫應根據進行ASTM G48方法A和ASTM G28方法A進行腐蝕試驗，且應按照API 6A中的規定對堆焊試樣進行硬度測試，熱影響區的最大硬度為235HV10。