Kim loại dùng ngoài khơi là những loại nào?

Kim loại dùng ngoài khơi chủ yếu là những loại nào? Vì sao nó có thể chịu được trong một trong những môi trường ăn mòn và khắc nghiệt như vây? Chúng ta hãy cùng nhau tìm hiểu nhé.

Hợp kim cho các ứng dụng ngoài khơi chủ yếu dưa vào nển tảng các vật liệu như: Thép không gỉ Duplex và Super Duplex, Cupro Nickels và cơ chế ăn mòn.

Giới thiệu chung

Lựa chọn vật liệu phải được coi trọng chi tiết ở mọi giai đoạn của thiết kế, xây dựng và hoạt động của hệ thống và thiết bị cho các ứng dụng trong sản xuất dầu khí ngoài khơi. Phải chú ý để chống ăn mòn nói chung, chống ăn mòn chọn lọc (do rỗ ​​và tấn kẽ hở) và ăn mòn ứng suất nứt nhạy cảm trong môi trường hydro sunfua chua, sản xuất và bảo trì tốn kém có thể tránh được.

Thậm chí quan trọng hơn những nhận xét này là sự cần thiết để duy trì an toàn ngoài khơi. Vì vậy, các đặc điểm kỹ thuật và sử dụng vật liệu mà kết hợp chống ăn mòn với độ bền cơ học cao là một yêu cầu cơ bản.

Một sự hiểu biết nhiều hơn về môi trường ra nước ngoài và kiến ​​thức chi tiết hơn về các điều kiện kết cấu ngoài khơi và hệ thống phải hoạt động rõ ràng sẽ đóng góp vào việc lựa chọn các vật liệu chính xác.

Ăn mòn trong nước biển và nước ngoài môi trường

Nước biển ăn mòn cao và cài đặt xa bờ thường tiếp xúc với nhiệt độ cực. Do đó, chống ăn mòn của vật liệu cũng không kém phần quan trọng như độ bền cơ học. Sự ra đời của clo bằng cách thêm dung dịch hypochlorite để nước biển để cung cấp cho kháng biofouling có thể làm giảm sức đề kháng ăn mòn của một số loại thép không gỉ, đặc biệt là trong điều kiện đường nứt.

Hệ thống quá trình hydrocarbon thường phải chịu những tác động tiềm năng ăn mòn của hydrogen sulphide và điều kiện acid liên kết với carbon dioxide hòa tan mà thường là có mặt. Ăn mòn có thể làm suy yếu các yếu tố của một cách khác cũng được thiết kế, cấu trúc hoặc ảnh hưởng đến các thành phần thiết bị cá nhân đến một mức độ mà họ không còn là ích.

Thật không may, cuộc chiến chống lại sự ăn mòn tự nó có thể dẫn đến tác dụng phụ gây hại không kém đó là việc phát hành của hydro mới ra đời. Điều này có thể được tạo ra như một kết quả của các biện pháp bảo vệ ca thông qua để bảo vệ cấu trúc hoặc bởi khớp nối kim loại khác nhau. Sự hiện diện của hydro như vậy có thể được tăng lên đến nứt hydro gây ra các loại thép và hợp kim cơ sở niken.

Hợp kim cho các ứng dụng ngoài khơi

Các nhà sản xuất kim loại đã dành nhiều thời gian và nỗ lực trong việc phát triển các hợp kim đặc biệt để đáp ứng nhu cầu ra nước ngoài. Các hợp kim phát triển đã có cho phù hợp với trục và sự bỏ rơi như wellas nhiều ứng dụng khác. Những đã bao gồm nước biển và quá trình đường ống, bơm nước và máy bơm tăng áp, máy bơm trục đường, van đóng khẩn cấp, neo và căng cho hệ thống bảo vệ riser, máy bơm đa tướng và các thành phần xe điều khiển từ xa.

Sự phát triển của Hàng hải

Một hợp kim chống ăn mòn (CRA) phát triển đặc biệt quan trọng dẫn đến sự ra đời của một cường độ cao hợp kim siêu đồng niken (Marinel), khoảng năm năm trước đây.

Hợp kim này được đưa vào phạm vi của các hợp kim có sẵn để lựa chọn với tham chiếu đến các thiết bị đặc biệt khi mà sự ăn mòn và hydro tạo ra tính dòn có thể xảy ra ngoài khơi. Hầu hết sắt cường độ cao và các hợp kim niken dựa và các hợp kim titan dễ bị hydro tạo ra tính dòn, tác dụng thường trở nên trầm trọng hơn như tăng sức mạnh.

Do đó các hợp kim khi hoạt động trong tình trạng căng thẳng cao sẽ nhạy cảm hơn với tính dòn hydro so với hợp kim cùng hoạt động dưới áp lực thấp hơn. Hydrogen embrittlement là mối quan tâm đặc biệt khi mà cường độ cao (thép carbon thường B7, 720 N.mm-2 điểm năng suất) sự chạy trốn được sử dụng trên các cấu trúc dưới biển.

Các hoạt động mức độ căng thẳng thường thực hiện để đại diện cho một tình huống quan trọng đối với hydro tạo ra tính dòn với đó là đưa ra bởi các ứng suất của B7 thép carbon có giá trị của 720 N.mm-2.
Sử dụng bảo vệ ca – tốt

Bảo vệ ca tốt bởi cực dương tế lễ hay ấn tượng hiện nay được sử dụng rộng rãi để bảo vệ cấu trúc dưới biển khỏi bị ăn mòn. Kỹ thuật này có thể tạo ra hydro mà, nếu hấp thụ, có thể dẫn đến tính dòn của các thành phần kim loại với sự nguy hiểm của kết quả thất bại sớm.

Các chất phụ thuộc thời gian của sự xâm nhập của hydro có thể có nghĩa là một thành phần quan trọng dưới biển dường như không bị ảnh hưởng, ví dụ như một tia, không ngay lập tức sau khi nó đã được thực hiện một cách thỏa đáng trong nhiều năm phục vụ.

Thất bại xảy ra khi lõi dẻo còn lại được giảm trong khu vực bởi một lấn hydro embrittlement trước ra một mặt cắt ngang mà không thể mang tải trọng đặt vào nó. Như một ví dụ, sự thất bại của hợp kim K-500 bu lông riser clamp đã được báo cáo trên số ra tháng 4 năm 1985 của Vật liệu Performance (p37). Sạc của UNS N 05.500 (cường độ cao 70Ni-3OCu hợp kim) với hydro đã được hiển thị để dẫn đến việc tạo ra tính dòn hydro của cổ khoan không có từ tính.

Điều này đã được cho là do khớp nối mạ của đai với thép carbon (xem ra tháng Mười năm 1986 của Vật liệu Performance, P28). Nó cũng đã được gợi ý là một ví dụ chứng nứt ở cường độ cao chân thép của giàn khoan đã được liên kết với nứt ăn mòn ứng suất hydro gây ra, hydro được tạo ra bởi hệ thống bảo vệ ca hoạt động trong hydrogen sulphide ô nhiễm nước biển (tháng Hai vấn đề 1989 của Veritec Công nghệ Offshore Journal).

Vận tải khí Hydro

Sự tham gia của hydro vào một kim loại có thể được hoàn toàn khuếch tán kiểm soát, hoặc có thể được hỗ trợ bởi giao thông trật khớp và hiệu quả sau đã được thực nghiệm chứng minh trong đo lường giá hydro thấm qua niken trong khi nó đang trải qua biến dạng dẻo (xem khối lượng 13, 1979 của Scripta Metallurgica, pp 927-932).

Trật khớp quét-in của hydro từ bề mặt trong trường hợp của các kim loại khác nhau đã được tìm thấy là phù hợp với năng lượng tính toán của mình kích hoạt của hydro gây ra nứt (xem pp 233-239 của thủ tục tố tụng của hội nghị quốc tế 1976 TMSAIME trên tác động của hydro vào hành vi của kim loại). Trong khi vận chuyển hydro, hydro có thể được gửi tại các ‘bẫy các trang web’ hoặc gián đoạn nội bộ như ranh giới hạt hay kết tủa.
Nhạy cảm với Hydrogen embrittlement

Đây có thể mang hình thức bẫy ‘đảo ngược’ mà hydro sau đó có thể để lại, hoặc bẫy “không thể đảo ngược”, trong đó hydro không thể để lại và có xu hướng khuyến khích gãy địa phương thông qua việc hạ thấp năng lượng bề mặt của vật liệu.

Hiệu quả của những cái bẫy trong việc thúc đẩy hydrogen embrittlement có liên quan đến mức độ tăng cường hiện diện trong ma trận vật chất, vì nó cũng được thành lập rằng các tài liệu trong trạng thái sức mạnh cao hơn (tức là lạnh làm việc hay tuổi tác làm cứng) là nhạy cảm hơn với tính dòn hydro hơn vật liệu tương tự trong một điều kiện sức mạnh thấp hơn.

Do đó, đo lường của cả hai động học entry hydro của một kim loại (hay hợp kim) và khả năng của kim loại để bẫy hydro sẽ cung cấp cho một dấu hiệu của tính nhạy cảm hydro tạo ra tính dòn của nó. Hòa tan tổng thể của hydro không có ảnh hưởng tới đặc tính hydro tạo ra tính dòn, như sắt, niken và titan có tính tan hydro tương đối cao (> 1cc / cc) và các vật liệu dễ bị embrittlement hydro so với nhôm và hợp kim đồng, có tính tan nói chung là ít hơn 0,1 cc / cc. Các hệ số hydro khuếch tán của thép và titan lớn hơn 10-6 cm2.s-1, trong khi các hệ số hydro khuếch tán của niken, nhôm và hợp kim đồng là khoảng 10-10 cm2.s-1, mặc dù điều này không đưa vào tài khoản giao thông trật khớp hoặc ranh giới hạt khuếch tán.

Nickel-Đồng Hợp kim và Hydrogen embrittlement

Hai hợp kim mà là thú vị để so sánh là tuổi làm cứng hợp kim nickel-đồng K-500 và xơ cứng tuổi đồng niken Marinel, trong đó có tính chất cơ học tương tự và đặc hydro khuếch tán. Khi so sánh các thành phần hóa học của hai hợp kim này, xem Bảng 1, nó là rõ ràng rằng chúng có chứa hầu hết các yếu tố cơ bản giống nhau, sự khác biệt chính giữa chúng là Cu: tỷ lệ Ni. Trong trường hợp của Marinel Cu cao: tỷ lệ Ni ám miễn dịch kim khí hydro tạo ra tính dòn và điều này đã được tìm thấy là phần lớn do khả năng giảm của hợp kim này để bẫy các hydro không thể đảo ngược.

Bảng 1. Thành phần tiêu biểu của Bulong.

Material	Ti	Cr	Mn	Nb	Cu	Ni	Fe	Al
K-500	0.6	–	1.0	–	30	Bal.	1.0	2.8
Marinel	–	0.4	5.0	0.7	Bal.	18	1.0	1.8

Marinel trong Applications Offshore

Trong những tình huống ngoài khơi nhiều phát triển đã sử dụng rộng rãi Marinel sàng cho vùng splash và dưới biển. Sự bỏ rơi dưới biển đã được sử dụng với 13Cr thép, 22Cr duplex và 25Cr thép kép đa tạp, van và mặt bích nghẹt thở. Phát triển dưới biển bằng cách sử dụng hợp kim bao gồm Lyell, binh lược, Nelson, Heidrun, Johnston và Nelson.

Kháng trẽn tốt obviates sự cần thiết cho một chất bôi trơn trong quá trình lắp ráp và các loại hạt có thể dễ dàng gỡ bỏ sau một thời gian phục vụ nếu có yêu cầu.

Đối với các dưới biển đa dạng Conoco Lyell Marinel sự bỏ rơi đã được lựa chọn cho sức mạnh cơ khí và chống ăn mòn của nó lớn hơn so với lớp 660 thép. Các bu lông được BOLT căng và lắp ráp mà không bôi trơn. Bu lông Stud đã phải chịu sự kiểm tra trong phòng thí nghiệm sau vụ 18 tháng (gần 12 tháng với các đa tạp trong hoạt động) và ngoài các khoản tiền gửi dự kiến ​​vôi, xuất hiện hoàn toàn không bị ảnh hưởng bởi dịch vụ.

Duplex trong các ứng dụng Offshore

Một đóng góp quan trọng nhất trong cuộc chiến chống lại sự ăn mòn bắt xa bờ đã được thực hiện bởi thép không gỉ song pha. Những thường được áp dụng trên kết cấu ngoài khơi trong ưu tiên cho thép carbon hoặc thép không gỉ khác.

Giá trị của thép không gỉ song pha là nó kết hợp sự dẻo dai cơ bản của thép không gỉ austenit phổ biến hơn với các lực tốt hơn và cải thiện khả năng chống ăn mòn của thép Ferit.

Các thành phần hóa học tối ưu của các thép cung cấp một mức độ cao về chống ăn mòn trong clorua phương tiện truyền thông cùng với độ bền cơ học cao và độ dẻo. Các lợi ích khác bao gồm khả năng của một số loại thép không gỉ song pha được sử dụng ở nhiệt độ dưới không khá thấp và có khả năng chống ăn mòn ứng suất nứt.

Một tính năng quan trọng của thép không gỉ duplex là kháng rỗ và kẽ hở ăn mòn của nó là rất cao đó của Austenit tiêu chuẩn. Rỗ kháng số tương đương (PREN), một thước đo tiêu chuẩn công nghiệp, thường ở độ tuổi 30 cao trong khi các hợp kim duplex mới nhất vượt quá một PREN 40. Đây là một đặc điểm kỹ thuật ngày càng phổ biến cho nhiệm vụ ra nước ngoài nhất định.

Tuy nhiên, con số PREN chỉ cung cấp một tính điểm gần đúng của hợp kim và không tài khoản cho các cấu trúc vi mô của vật liệu. Một bài kiểm tra chấp nhận ăn mòn vật liệu trong điều kiện cung cấp quá nhiều ý nghĩa hơn.

Sự phát triển của Thép Duplex

Ferralium hợp kim 255 là 25% crom duplex thép không gỉ thương mại đầu tiên của thế giới khi nó được giới thiệu cách đây 20 năm. Nó đi tiên phong trong việc sử dụng một bổ sung nitơ có chủ ý để cải thiện độ dẻo và chống ăn mòn. Nghiên cứu sâu hơn đã chứng minh tầm quan trọng của việc sử dụng thép không gỉ duplex có chứa cả nitơ và đồng.

Super Duplex cho các ứng dụng Offshore

Đối với các ứng dụng trên bờ biển và trên thực tế,, sự sẵn có của một siêu duplex (25% Cr) hợp kim thép không gỉ trong một loạt các hình thức là quan trọng.

Ví dụ, bar, rèn, đúc, tấm, tấm, ống / ống, hàng tiêu dùng hàn, mặt bích, phụ kiện, hình đĩa đầu và ốc vít có sẵn. Xét về lợi ích khác, sự căng thẳng thiết kế cho phép cao của loại hợp kim này so với thép không gỉ song pha khác và thép không gỉ austenitic, trong đó có 6% Mo loại, là đáng kể. Nó cũng cung cấp tuyệt vời castability, khả năng hàn và năng chế.

Những tính năng được bổ sung bởi khả năng chống mỏi tuyệt vời và khả năng tương thích với mạ hợp kim thép không gỉ cao khác.

Hai mươi hai phần trăm crôm thép không gỉ cung cấp tốt hơn rỗ sức đề kháng và khả năng chống ăn mòn kẽ hở hơn SUS316 bởi đức hạnh của một bộ phim thụ động ổn định hơn và cũng có độ bền cơ học cao hơn.

Tuy nhiên, để chống ăn mòn tối ưu, 25% crom hợp kim cao duplex thép không gỉ được yêu cầu và các hợp kim thường được gọi là siêu duplex không gỉ. Ngay cả trong thể loại này, điều quan trọng là phải chọn đúng loại vật liệu để có được tính linh hoạt trong việc xử lý một loạt các phương tiện truyền thông có tính ăn mòn và cho sự tự tin rằng các hợp kim sẽ đối phó với bất kỳ du ngoạn hoặc điều kiện hoạt động thoáng qua mà làm cho môi trường tích cực hơn.

Lựa chọn Vật liệu cho các ứng dụng Offshore

Kết cấu ngoài khơi cứ yêu cầu khác nhau hiện diện của vật liệu phụ thuộc vào việc ứng dụng của họ là topside, khu giật gân hoặc dưới biển. Topside, vật liệu song công là phù hợp cho một loạt các ứng dụng và sàng vật liệu như Ferralium hợp kim 255 cung cấp lên đến sức mạnh thép B7, chống ăn mòn tuyệt vời và một dịch vụ cuộc sống bằng sự sống của hệ thống, từ đó góp phần giảm chi phí bảo trì. Trong vùng giật gân, các hợp kim đã chứng minh tính phù hợp cho khả năng chịu nước biển với hơn 15 năm phục vụ việc lắp đặt các biển Bắc và đã được sử dụng rộng rãi cho riser sự bỏ rơi và các thành phần trên hệ thống bảo vệ riser trên TLPs.

Sự xuất hiện của New Super Duplex

Vật liệu được cải thiện trong các loại thép không gỉ siêu duplex tiếp tục được phát triển bởi các nhà sản xuất cung cấp tốt hơn hoặc khác nhau kết hợp đặc điểm, tính năng và lợi ích. Các hợp kim này, nói chung với một PREN> 40, được sản xuất để phù hợp với một số định danh UNS mà xuất hiện trong ASTM hình thức sản phẩm thông số kỹ thuật. Đúc và các hình thức rèn có sẵn. Điển hình của sự phát triển gần đây là Ferralium hợp kim SD40 (phù hợp với UNS S 32.550) với một PREN> 40,0 và cung cấp một bằng chứng căng thẳng 0,2% tối thiểu 550N.mm-2 và một UTS 760 N.mm-2. Điều này 25% crom kết quả vật liệu siêu duplex từ một thành phần kiểm soát cẩn thận và cơ cấu ferritic / austenitic cân bằng với một nội dung quan trọng của molypden và nitơ.

Ứng dụng dành cho Super Duplex

Các ứng dụng có thể được hưởng lợi từ việc sử dụng các hợp kim cao siêu thép duplex liên quan đến hệ thống ống, máy bơm (nơi xói mòn và mài mòn sức đề kháng tốt là làm việc), van, bộ trao đổi nhiệt và các thiết bị khác nhau.

Gần đây, chống ăn mòn tuyệt vời của siêu duplex Ferralium hợp kim SD40 mới đã được khai thác cho dưới biển kết nối điện về những diễn biến Saga Snorre và Tổng Nam Ellon. Trong một trường hợp vật liệu duplex siêu đã được lựa chọn để thay thế tiêu chuẩn thép không gỉ austenitic đó đã bị tấn công ăn mòn.

Super duplex hợp kim thép không gỉ có sẵn trong một loạt các hình thức cho cả nội và các ứng dụng ngoài khơi.

Kết luận

Một số loại hợp kim đã được phát triển trong những năm gần đây để chống lại sự xuống cấp của các hợp kim hiện có bằng cách tấn công ăn mòn và trong một số trường hợp tính dòn hydro trong môi trường khắc nghiệt ngoài khơi. Super (25 Cr) thép không gỉ song pha và một sức mạnh siêu cao đồng niken đã cung cấp các giải pháp cho nhiều tình huống khó xử lựa chọn vật liệu.