ISO、API、DNV、GB四大标准分析

国内外对于水下采油树各部件的材料和性能要求已经形成了一套系统的设计和使用规范，目前已经发展形成了ISO、API、DNV等标准，国内也制定了相应的国家标准。综合分析这些标准，可以获得水下采油树材料性能的一些信息。

（1）API Spec 6A井口装置和采油树设备规范^[9] 在API Spec 6A《井口装置和采油树设备规范》中，对陆地采油树所用的材料和焊接提出了一般要求。规定指出采油树所有金属和非金属承压件和控压件均应有书面材料规范。其中所有材料要求均适用于碳钢、低合金钢和马氏体不锈钢，其他合金系列只要满足设计要求均可以使用，但是不适合沉积硬化型的材料。金属材料应规定材料的化学成分（包括允差）、成型方法（热加工和冷加工等）、热处理制度（包括有允差的循环时间和温度）、无损检测要求、力学性能（包括抗拉强度、屈服强度、硬度、断裂韧性）要求、允许的熔炼方法和热处理设备与冷却介质。

规范根据水下采油树各不同部件所处的服役载荷条件与服役环境的不同，分类对各部件的材料选择进行规范。

1）第一类：心轴式油管和套管悬挂器。所有心轴式油管悬挂器和套管悬挂器应使用符合制造厂规定的适用特性要求的材料制造。其材料的屈服强度、伸长率、断面收缩率和硬度试验需要满足PSL1的要求；抗拉强度和冲击韧性需要满足PSL2的要求。同时对制造工艺（浇注作法、热加工作业、熔炼作业）、热处理（设备评定、温度和淬火工艺）、化学成分、材料评定试验（拉伸试验和冲击试验）均做了相关要求。

2）第二类：本体、盖、端部和出口连接。所有本体、盖、端部和出口连接材料的拉伸性能应符合表1规定的标准或非标准材料制造要求。标准材料需要满足表2规定的性能要求，非标准材料应符合制造厂的书面规范。所有非标准材料应超过75K的最小屈服强度，伸长率不小于15%，且断面收缩率不小于20%。材料的冲击韧性应满足表2的要求。当试样尺寸较小时，夏比V形缺口冲击韧性值应等于10mm×10mm试样的冲击韧性值乘以表3中列出的相应调整系数。规定PSL4的材料不能使用小尺寸。

表1 本体、盖、端部和出口连接材料的拉伸性能

注：a—制造商规定；NS—非标准材料。

表2 夏比V形缺口冲击性能要求（10mm×10mm）

表3 小尺寸冲击试样的修正系数（PSL1～3）

表4和表5列出了制造本体、盖、端部和出口连接材料所要求的碳钢、低合金钢和马氏体不锈钢的元素限制（质量分数）。上述两表不适合其他合金系。

表4 本体、盖、端部和出口连接材料的钢成分限制（%，质量分数）（PSL2～4）

①在规定的碳最大含量（0.35%）以下，碳含量每减少0.01%，允许的锰的最大碳含量增加0.06%，但规定的锰的最大含量（1.05%）不得超过1.35%。(www.xing528.com)

表5 磷和硫含量的限制（%，质量分数）（PSL2～4）

3）第三类：垫环。规范对垫环材料的拉伸强度与冲击强度没有规定要求，只是要求垫环材料的最大硬度应满足表6所列要求。

表6 钢垫圈材料的最大硬度应要求

承压件制造焊接件和承压件修理焊接件在生产焊接、补焊时的焊接工艺评定时，焊机和焊工条件、焊接过程都要符合ASME第IX卷焊接要求。对承压件制造焊接件，根据焊件需要满足的产品规范级别（PSL1-4）要求，由低到高进行了不同规定。需要满足高等级要求的承压件制造焊接件同时应满足低等级的所有要求。如特别对PSL1的承压件制造焊接件提供了推荐的焊缝坡口设计，焊材应符合美国钢结构焊接协会（AWS）或制造厂的规范，低氢型焊材应按焊材制造厂推荐的方法贮存和使用，以保持其原有的低氢特性，熔敷焊缝金属的力学性能应符合或超过规定母材金属的最低力学性能。对DD、EE、FF和HH等级的金属、焊缝和母材金属热影响区（HAZ）截面应做硬度试验，其结果应符合NACE的要求。冲击试验应按ASTMA370的要求采用夏比V形缺口方法。焊缝和母材金属热影响区的试验结果应符合母材金属的最低要求。规范分别对PSL2和PSL3材料的焊接要求做了规定，特别指出PSL4材料除堆焊外，不允许焊接。而且对承压件（本体、盖、端部和出口连接件）PSL1-PSL3材料的焊接返修做了相关规定，而PSL4不允许返修焊接。

（2）GB/T21412.4/ISO13628-4/API17D石油天然气工业水下生产系统的设计与操作第4部分：水下井口装置和采油树设备^[10，11] 规范中给出了设备设计应选择材料的最低要求（表7），这个表提供了各种恶劣使用条件及腐蚀程度的材料类别。材料最低要求包括与表7所列金属合金性能一致的非金属材料。在满足力学性能的条件下，不锈钢可代替碳钢和低合金钢，CRA也可用来代替不锈钢。

表7 材料要求

标准规定所有承压和控压件的材料性能、材料加工处理和材料成分要求应符合ISO 10423的规定。另外，除ISO 10423中规定的材料外，只要材料满足本规定设计要求并符合制造厂商的书面规范，也可以使用其他强度更高的材料。特别指出，ISO 10423所要求的夏比冲击值是最低要求，为了满足地方法规或用户要求，可以规定更高的夏比冲击值。

设备所用的材料应符合ISO 10423中规定的PSL2和PSL3的要求。PSL3G和PSL3的材料要求相同，且规定了材料需要考虑的腐蚀因素，包括滞留流体所引起的腐蚀和海洋环境所引起的腐蚀。而考虑海洋环境引起的腐蚀，材料选择至少应考虑外部流体、内部流体、焊接性能、缝隙腐蚀、异金属间的作用、阴极保护效应和涂层等方面因素。

承压和控压件的所有焊接应符合ISO 10423：1994第500章规定的PSL2和PSL3的要求。非承压焊缝和抗腐蚀内堆焊或外堆焊应符合ISO 10423：1994或形成文件的钢结构焊接规范AWSD1.1的规定。

对油管悬挂器系统所用的材料（底部螺纹除外）做了特殊要求，在生产（注入）和环空孔中的所有金属对金属密封面，应采用耐蚀合金制造或采用耐蚀合金堆焊。

（3）其他标准除了上述分类方法以外，还有其他相关标准，如NORSORKM-001规范基于PED指令（承压设备指令）的风险控制准则及PREN（抗点蚀当量）、CPT（临界点蚀温度）和CCT（临界缝隙腐蚀温度）等参数对水下结构的材料选择提出了具体要求^[12]。