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2019/06/08 来源:喀什信息港

导读

能源用钢 安全美国能源信息署在其《2011年度能源展望》中称,从2008年~2035年,世界能源需求将增长53%。其中石油消费将增长

能源用钢 安全

美国能源信息署在其《2011年度能源展望》中称,从2008年~2035年,世界能源需求将增长53%。其中石油消费将增长30%(年均1.0%),天然气消费将增长53%(年均1.6%),煤炭消费将增长47%(年均1.4%)。同时,可再生能源的消费量将以每年2.8%的速度增长,所占份额将达到15%。然而,即使到2035年,矿物燃料在能源总消费量中的份额仍高达80%。虽然到2035年石油的份额将降至29%,但就消费而言石油仍是重要的燃料。因此,对石油及天然气的生产、输送和使用设施所应用的钢材进行研究具有重要意义。能源开发和生产主要用钢如附表所示。

钢材在能源开发、生产、输送和利用方面发挥着十分重要的作用。对能源用钢的要求之一是较低的建造成本和运营成本,降低成本的手段之一就是采用高强度钢材,实现设备大型化、运转条件高温高压化。采用高强度钢材还可以减少钢材用量,实现设备轻量化,减少施工量。

另一方面,由于石油、天然气是高能量密度物质,因此要求所用材料具有高度安全性和可靠性。为此,不仅要求在材料设计上保证足够的安全性,而且还必须保证在自然灾害和腐蚀等外部不利环境中也具有充分的安全性。

石油钻井平台用钢:强度与耐蚀并重

用钢情况。海洋石油、天然气开发的钻井平台可分为底座式平台和移动式平台两类,底座式平台又分为自升式平台和潜水式平台。自升式钻井平台使用的钢材包括石油钻管、套管、立管等等。石油钻管用于钻井从海底开采石油或天然气,套管防止油井坍塌,立管用于钻井液循环。钻井平台还使用高强度钢板。

用于海洋石油和天然气开采系统的钢材是油气井用的油管、套管和输送油气的管线钢管以及平台本体用的高强度钢材。在北海等寒冷海域的石油和天然气开采、生产系统使用的钢材要求具有严格的低温韧性。

石油砂和页岩气是石油和天然气的非传统资源。在石油砂的开采中,一般使用蒸汽喷射用钢管,以提高地层中重质油的流动性,还可使用采油用的钢管。在页岩气的开采中使用与开采常规天然气相同的油气管和套管。

性能要求。在石油和天然气生产中套管需要使用大量的钢管,为油气井本体、钻井配管、油气输送管线和其他应用提供支撑。在石油和天然气开发中,含腐蚀性气体和高温高压条件的深井越来越多,促使钻井技术不断发展(如水平井钻井技术),这就对油气井用管的性能和质量提出了更高的要求,主要有以下3点要求:一是高强度,二是高耐腐蚀性,三是优良的螺纹接头性能。

随着油气井深度的增加,必须使用高强度钢材来支撑配管和套管的自身重量。含腐蚀性气体的深井处于高温高压环境,由于含有大量的CO2和H2S,腐蚀十分严重,碳素钢会受到碳酸气的腐蚀和应力腐蚀,必须使用耐腐蚀材料。油气井的腐蚀性取决于石油、天然气中H2S、CO2和氯化物的含量。一般来说,天然气井的腐蚀比油井严重。由于腐蚀常发生在有水分的地方,水分量大的天然气井更易发生腐蚀。另外,井的深度越大,地下的温度越高,越容易发生腐蚀。

CO2是导致钢材腐蚀减薄的原因,H2S和氯化物是诱发钢材产生裂纹的因素。一般情况下,温度越高,越容易发生腐蚀。油气井中含有CO2时,碳素钢会发生严重腐蚀。防止腐蚀的方法是使用抑制剂,或者使用不锈钢和高镍合金材料。

在H2S存在的油气井环境中,腐蚀可导致氢进入钢中,使高强度钢油气专用管(OCTG)产生裂纹,这就是硫化氢应力腐蚀裂纹(SSCC)。采用添加Cr、Mo的合金钢可防止硫化氢应力腐蚀裂纹。在H2S和CO2共存的油气井环境中,为防止碳酸气腐蚀和硫化氢应力腐蚀裂纹,应采用不锈钢和高耐蚀合金。

海洋工程结构用钢:适应极端气候

对海洋构筑物用钢的主要特性要求是具有良好的强度、焊接性和低温韧性。海洋构筑物的大型化使得构筑物本身受到的外力作用也变大,因此需要高强度材料,目前已经采用了抗拉强度为780MPa级的高强度钢。

在极低温条件下,钢材会失去韧性,发生脆性断裂,因此要用夏比冲击试验和落锤试验测定其脆性断裂性能,用测得的服役条件下的脆性转变温度、塑性断口百分数和吸收能等指标评估钢材的脆性断裂特性。某些场合还评估裂纹前端张开位移(CTOD)等断裂力学指标。

在极地冰海区的恶劣气候条件下,气温可达到-60℃。由于海面结冰,使用的采油设备是移动式沉箱平台(MACR)、沉箱式人工岛平台CIDS(混凝土岛钻探系统)、单体钢制采遵义癫痫病专业医院油沉箱和浮式采油装置。MACR和CIDS平台使用的厚钢板是船级社规范规定的钢材,并要求-60℃低温韧性。在焊接性方面,要求可进行大线能量高效焊接,并且焊接区具有与母材相同的低温韧性。

油气运输管线钢:高性能确保安全性

石油和天然气的产地与消费地往往相距很远,因此需要长距离运输。输送方法有利用原油油轮、LNG(液化天然气)船进行海上运输和管线输送。油轮和LNG船使用的是高质量钢材,以保证运输的安全性,其中焊接部位的脑瘫治疗注意事项质量可靠性尤为重要。由于原油中含有的H2S等杂质会对油轮造成腐蚀,油轮的原油储仓和管路应具有耐腐蚀性。管线运输使用的是钢管。

油气输送管线正向高工作压力和大口径方向发展,以降低建设和运行成本。为实现操作高压化、减少钢材用量和降低焊接成本,要求管线高强度化。近年来X80级高强度管线钢应用量逐年增加。现在X90、X100、X120级高强度管线钢已经纳入ISO3183和API5L(美国石油协会)标准中。

由于管线内输送的是石油、天然气等易燃性物质,对安全性有高度要求。因材料原因造成的管线损毁事故并不多,仅占事故总数的6%,而且全部发生在1970年以前建设的管线上。管线损毁事故常见的原因来自建筑施工,其次是内部和外部腐蚀及自然灾害。因此,对于管线的安全性来说,仅有对材料、施工、设备的控制和管理是不够的,还必须考虑到其他工程对管线带来的损坏和自然灾害对管线安全性的影响。

为提高管线安全性而对管线用材提出的各种性能要求,同样适用于油井配管、海洋油气设施、发电设备等。避免脆性断裂是管线设计的基本要求,断裂事故的发生取决于管线钢的抗拉强度、屈服强度、伸长率等基本性能和管线的使用条件。与钻井设备和海洋平台一样,管线也在寒冷地区铺设,因而其低温韧性至关重要,尤其是脆性-韧性转变温度。

为保证管线即使受到某种外力作用发生损伤也不会发展成大规模事故,要求管线钢具有良好的抗传播性剪切断裂特性。夏比冲击试验和落锤试验的冲击吸收功越大,钢中的裂纹越不易扩展。为防止在地震、洪水发生的时候使地基移动时钢管发生屈曲,导致油气泄漏或其他事故,管线良好的变形特性十分重要。虽然主要通过设计来解决这个问题,但管线钢的性能对管线的屈曲性能也有很大影响。而对于海底管线来说,由于受到很大的外压,这种管线钢需要具有抗压溃性。

疲劳断裂是一种发生在周期性荷载下的断裂类型,为保证管线钢的寿命,可通过评估疲劳寿命避免疲劳断裂。

输油气管线和其他管材还暴露于腐蚀性环境中。对流体输送管来说,防止CO2腐蚀是一个重要的问题。同时,在开采出的油气流体中常含有H2S,而在H2S与水共存环境中钢材易产生各种裂纹,所以要防止H2S腐蚀。

发电厂用钢:耐高温高压

火力发电设备使用的是具有优质高温强度和抗氧化性的高Cr合金钢管和钢板,以提高发电效率。各种管道使用大量的钢管,在烟囱和烟道等部位,除高Cr合金钢板外还使用耐硫酸腐蚀钢板、不锈钢复合板、不锈钢板。冷凝器使用Ti合金涂镀钢板和Ti涂镀钢板。腿脚灵高血脂关各种罐槽等其他附属设施使用大量的厚钢板。

在水电行业中,发电机组周围的各种高压水管、外壳、围板等使用高强度厚钢板,进水口和出水口闸门使用不锈钢板和涂镀板。

在核电领域,核岛密闭容器、核反应堆压力容器使用的是厚钢板。容器内的配管和涡轮机的配管使用的是不锈钢钢管和碳素钢钢管。冷凝器使用的是Ti合金涂镀钢板和Ti涂镀钢板,烟囱使用的是不锈钢复合板。在普通应用中,大量的碳素钢管(包括低合金钢管)用于低温蒸汽配管和一般配管。

随着锅炉和热交换器向大型化和高温高压化方向发展,对所使用的钢管类材料提出了更高的质量和性能方面的要求。为提高火力发电效率,发电锅炉蒸汽向高温高压化推进。为适应这种需求开发出锅炉钢管新产品。火力发电用钢应具有优良的高温强度,特别是蠕变强度,以及耐高温腐蚀性。对应不同的使用温度和使用环境,发电用钢可选用Cr-Mo钢、Cr钢、不锈钢和其他钢种。

附表能源开发和生产用钢

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