水下生產(chǎn)設(shè)施用Inconel 625技術(shù)要求的構(gòu)建

石磊，姜瑛，張飛，王長濤，何寧強(qiáng)，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(fā)逐步走向深水和邊際油氣田，水下生產(chǎn)系統(tǒng)將是今后海洋油氣開發(fā)生產(chǎn)的關(guān)鍵[1]。水下的特殊環(huán)境，如介質(zhì)、高壓、風(fēng)浪、水流和海水腐蝕以及20年甚至更長時間的免維護(hù)等條件決定了水下生產(chǎn)設(shè)施材料的高技術(shù)需要。Inconel 625鎳基合金因具有優(yōu)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(chǎn)設(shè)施的選材與防腐設(shè)計時，通常先在API 17D[3](5.1.1.4節(jié)表1)中選擇適當(dāng)?shù)牟牧项悇e，也應(yīng)符合API 6A[4]對材料的相關(guān)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(qiáng)化鋼等)、鎳基合金、鈹銅合金等的選擇需考慮特定使用環(huán)境[5]。參考以往水下油氣開發(fā)工程項目的經(jīng)驗，一般在水下設(shè)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(nèi)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(jìn)行堆焊的方式，焊接操作比較困難，且價格方面沒有明顯優(yōu)勢，這時可以選用Inconel 625純材。為此，探討分析水下生產(chǎn)設(shè)施用耐腐蝕合金Inconel 625的化學(xué)成分、機(jī)械性能及堆焊后的焊縫檢驗、硬度測試等技術(shù)要求。

1 Inconel 625管道技術(shù)要求

1.1 化學(xué)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(xué)成分參考表1。應(yīng)以爐號為基礎(chǔ)。在化學(xué)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(xué)性能產(chǎn)生有害影響。

表1 化學(xué)成分要求

1.2 力學(xué)性能要求

1)拉伸試驗。要求用一個拉伸試棒進(jìn)行試驗，其力學(xué)性能應(yīng)滿足表2的要求。

表2 機(jī)械性能要求

2)硬度要求。每件產(chǎn)品熱處理后應(yīng)進(jìn)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(yīng)當(dāng)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(jìn)行，10 mm×10 mm沖擊試樣只允許有1個試驗結(jié)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(yīng)由材料供應(yīng)商在材料測試報告上注明。

1.3 生產(chǎn)過程要求

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

2)力學(xué)性能測試。①測試頻率，管件產(chǎn)品需要同爐同熱處理爐，同尺寸規(guī)格等級取1件延長件或破壞件；②化學(xué)分析,所有管件化學(xué)成分需要滿足，每冶煉爐進(jìn)行一次化學(xué)分析；③拉伸試驗，見1.2節(jié)相關(guān)要求。

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

4)材料識別檢測。管件應(yīng)抽取10%進(jìn)行PMI檢測，所有管件需要進(jìn)行最終的尺寸檢測，管件產(chǎn)品需要提供由權(quán)威第三方機(jī)構(gòu)簽發(fā)的EN10204 3.2證書。

2 Inconel 625堆焊技術(shù)要求

水下生產(chǎn)設(shè)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(jié)合，形成耐蝕冶金復(fù)合管。

2.1 碳鋼母材技術(shù)要求

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

2.2 堆焊技術(shù)要求

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

2.3 焊縫檢驗要求

堆焊焊縫應(yīng)進(jìn)行腐蝕試驗，并作為焊接工藝認(rèn)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(biāo)準(zhǔn)應(yīng)為腐蝕速率小于0.9 mm/年。應(yīng)按照ASME IX[17](第四章QW 404.5)的要求進(jìn)行化學(xué)成分分析，分析結(jié)果應(yīng)符合表1的規(guī)定，但Fe含量應(yīng)小于8.5%。

2.4 硬度測試要求

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

3 應(yīng)用分析

3.1 PLET工藝方案介紹

我國南海某深水氣田開發(fā)項目，新建了一臺海底管線終端設(shè)備(PLET)，設(shè)計水深為1 200 m，設(shè)計壓力為29.4 MPaG(at-1 450 m)，設(shè)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(shè)置有2臺ROV操作的水下球閥，三通左側(cè)的閥門處于常開狀態(tài)，三通右側(cè)的閥門處于常閉狀態(tài)。主管左端通過錨固件與海底管道焊接，右端設(shè)置水下連接器和長期壓力帽，可以與水下接收/發(fā)射清管球裝置(PLR)連接，從而實現(xiàn)對PLET及預(yù)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(jù)工藝要求，在PLET上還設(shè)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(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行開發(fā)，物流介質(zhì)為油氣水三相，水下生產(chǎn)系統(tǒng)中氣相CO2含量約為2.66 mol%。根據(jù)生產(chǎn)預(yù)測，含水量很小，水下生產(chǎn)設(shè)施及跨接管道內(nèi)流體擾動程度嚴(yán)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(shè)計年限，根據(jù)腐蝕預(yù)測結(jié)果，同時考慮水下設(shè)施維修難度大，費用高，推薦水下生產(chǎn)系統(tǒng)管道材料采用碳鋼內(nèi)襯Inconel 625的方案。

根據(jù)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(nèi)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(yōu)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(fù)合管主管的焊接和檢驗是難點。為了保證焊接質(zhì)量，預(yù)設(shè)如圖3所示的2種焊接方案，進(jìn)行試驗對比分析。

圖3 管座焊接方案

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

方案2也是根據(jù)管座的尺寸，先在8 in冶金復(fù)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(jìn)行堆焊，最后進(jìn)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(jìn)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(jié)果均合格，焊縫理化檢驗結(jié)果見表4。

表4 焊縫檢驗結(jié)果

焊接完成后還需要按照相關(guān)規(guī)范的要求，通過水壓試驗來對焊縫質(zhì)量進(jìn)行驗證。

由表4可見，方案1和方案2的試驗結(jié)果均滿足規(guī)范要求，因此從技術(shù)方面評估，兩個方案均可行。具體選擇哪個方案，應(yīng)根據(jù)制造現(xiàn)場的條件進(jìn)行選擇。由于管座焊接后無法進(jìn)行RT檢驗，水下生產(chǎn)設(shè)施長期在海底服役，且一般要求20年甚至更長時間免維護(hù)的要求，因此還是存在一定的風(fēng)險。建議類似工況選用非標(biāo)的鍛件三通來實現(xiàn)大尺寸管道與小尺寸管道的連接，便于通過RT對焊縫質(zhì)量進(jìn)行檢驗，從技術(shù)上減少后期的腐蝕和泄露風(fēng)險。

4 結(jié)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(jù)ASTM B366/B366M進(jìn)行表面檢測，根據(jù)ASTM E165/E165M進(jìn)行滲透探傷，根據(jù)ASTM A388/A388M進(jìn)行超聲探傷，并抽取10%進(jìn)行PMI檢測。管件產(chǎn)品需要提供由權(quán)威第三方機(jī)構(gòu)簽發(fā)的EN10204 3.2證書。

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

4)堆焊焊縫應(yīng)根據(jù)進(jìn)行ASTM G48方法A和ASTM G28方法A進(jìn)行腐蝕試驗，且應(yīng)按照API 6A中的規(guī)定對堆焊試樣進(jìn)行硬度測試，熱影響區(qū)的最大硬度為235HV10。