水下采油系统材料最低要求及环境限制分析

目前，海洋油气开采水下阀门的材料选择，主要依据API Spec 6A、API Spec 17D以及M-001材料选择（NORSOK规范）、NACE MR0175规范等^[7-10]。

API Spec 6A《井口装置和采油树规范》包括的具体设备为：井口装置、连接装置及附件、套管悬挂器和油管悬挂器、阀门和节流器、单件连接装置（法兰式、螺纹式、其他端部连接装置和焊接式）等。API Spec 17D等同于GB/T 21412.4/ISO 13628：4《石油天然气工业水下生产系统的设计与操作》第4部分：水下井口和采油树装置。收录于本文集的《水下采油树对材料的需求与应用》已对API Spec6A的选材问题进行了较详细的评述，本文侧重于讨论API Spec 17D用于水下阀门选材的一些问题。

API Spec 6A和API Spec 17D均规定了包括阀门在内的水下采油生产系统所用材料的类别和对材料的最低要求，见表1。

设计阀门时应选择满足或超过表1规定的材料，这个表提供了各种恶劣使用条件及其腐蚀程度的材料类别。材料最低要求包括与表1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，耐蚀合金也可用来代替不锈钢。所有承压件应视为“本体”，按表1决定其材料要求。金属密封件应视为表1中的控压件。

表1 对材料的最低要求

根据API Spec 17D的规定，为了在表1中选择要求的材料类别，采购方可通过考虑以下环境因素和生产参数，确定滞留流体的腐蚀性。

1）压力。

2）温度。

3）产（出）液组成（CO₂、H₂S、氯化物等）。

4）会影响压力、温度或流体含量的将来操作。

5）可能的政府法规。(www.xing528.com)

6）水或海水的pH酸碱度、使用防垢剂、防蜡剂、防腐剂或其他形式的抑制剂。

7）酸化处理的可能性。

8）预期产量。

9）潜在的侵蚀。

采购方应首先确定材料是否满足酸性环境用的NACE MR0175。NACE MR0175仅涉及防止硫化物应力开裂SSC/应力腐蚀开裂SCC的要求，而不涉及抗腐蚀能力。其次宜按照表2中的规定考虑确定通常与井内腐蚀性有关的CO₂分压。

表2 额定材料类别

NACE MR0175规范对含硫化氢环境下使用抗硫化物应力腐蚀（SSC）的材料和暴露于酸性环境中的低合金材料做出了具体规定，规定低合金材料的最高硬度不能超过22HRC；镍的质量分数最大不能超过1%；同时对各类材料的热处理（包括正火、正火+回火、淬+回火）等也提出了具体要求。根据该规范，对用于阀门的不锈钢和耐蚀合金的环境和材料限制应满足表3中的要求。

表3 对用于阀门的不锈钢和耐蚀合金的环境和材料限制^[10，11]

①缺乏这些材料是否可用于元素硫环境的资料。

NORSORK M—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。