水下采油树关键部件的材料设计选型

张鹏举，袁锦红，冯建同，孙维

1.美钻能源科技（上海）有限公司，上海200943

2.中海石油深海开发有限公司，广东深圳518000

水下采油树关键部件的材料设计选型

张鹏举1，袁锦红1，冯建同1，孙维2

1.美钻能源科技（上海）有限公司，上海200943

2.中海石油深海开发有限公司，广东深圳518000

我国海洋油气开采所需的水下采油树长期依赖于进口，成本高昂。文章针对水下采油树所处的深水、高温、高压、高腐蚀等应用工况，对水下采油树关键部件的基体材料、防腐材料及密封材料的相关性能进行了分析与选型，并将研究成果应用于中国南海流花11-1油田和番禺35-2/1气田采油树的国产化制造中。自主研发和设计选型的水下采油树关键部件材料，不仅达到了国际行业标准的性能指标，而且成本只有国外的1/3。

水下采油树；材料；设计选型；腐蚀

0 引言

我国南海具有丰富的油气资源，其地质储量达230亿～300亿t，其中75%位于深海区域。但由于水下油气田开采的核心装备（水下采油树）的制造技术只有美国掌握，我国被迫长期依赖美国进口，不仅费用高昂，还给我国的能源安全、海洋安全甚至海防安全带来潜在威胁。水下采油树设备作为深海油气开发中的关键海底完井设备，其国产化自主研发制造已迫在眉睫。为此，中海石油深海开发有限公司与美钻能源科技（上海）有限公司合作，展开水下采油树设备的国产化设计制造研究，攻克了水下采油树设备关键部件的材料设计选型技术难题，将成果应用于中国南海流花11-1油田（工作水深350 m，已应用5套）和番禺35-2/1气田（设计水深1 500 m，已完成关键部件材料的制造），填补了国内空白。

1 水下采油树设备关键部件材料设计简述

1.1 水下采油树设备总体结构

水下采油树按结构形式可分为立式和卧式，传统的多采用立式结构，考虑到深水条件下维修的方便性，流花11-1项目和番禺35-2/1项目水下采油树采用卧式结构，其主要结构形式见图1、图2。

图1 水下采油树外部结构

图2 水下采油树心部结构

1.2 水下采油树材料设计的总体要求

水下采油树设备是一种在具有强腐蚀性的海底环境下运行的采油（气）设备，其接触的工作介质也具有高温、高压及高腐蚀的特性。恶劣的工况及环境条件对材料的冶金、机械加工、热处理、焊接、防腐及密封等性能提出很高的要求，因此其材料的设计必须参照相关标准规范严格执行。

（1）水下采油树属于海洋油气开采水下生产系统的关键完井设备，因此其材料设计制造须严格遵守ISO 10423（API Spec 6A）及ISO 13628-4（AP1 Spec 17D）标准规定。

（2）水下采油树系统实质上是一种耐高温、高压零部件的组合，因此材料设计须按国际惯例遵守ASME BPVC SECTIONⅡ标准的相关规定。

（3）水下采油树主要零部件接触的工作介质通常是强腐蚀性的原油，因此其材料选择须遵守NACE 0175/ISO 15156标准（石油天然气工业——油气开采中用于含H2S环境的材料）的相关规定。

2 关键部件材料选型的技术分析

2.1 关键部件基体材料的设计选型

（1）水下采油树设备是由一系列具有耐原油（气）高温、高压、高腐蚀的生产和控制通道构筑的，即由树本体、油管挂、液控闸阀阀体、双孔连接器、管道连接器及生产跨接管道等主要关键部件组成的。针对海底的低温环境、生产介质的温度落差、外部环境载荷及内部高压的承载工况，水下采油树关键部件材料除要求具有高强度外，还要求具有良好的晶粒组织、低温韧性及抗热疲劳性能，也就是说其关键零部件基体材料应具有良好的综合机械性能。

（2）在综合考虑上述要求的基础上，对比了水下设备常用的几种低合金钢材料（包括4130、4140、4340及F22），在设计上我们选用了低合金高强钢材料F22（ASTM A182）作为关键部件基本材料。表1是F22的化学成分。

表1 F22材质的化学成分（质量分数）/%

（3）F22钢属于含铬、钼的低合金耐热钢，其材料成分接近于国产牌号12Cr2MoV钢。对比其他几种低合金钢，F22具有含C量低，Cr、Mo含量相对较高的特点，其机械力学性能见表2。

表2 F22材料机械力学性能

（4）设计要求基体毛胚采用电渣重熔工艺或真空电弧重炼工艺的锻造件，这样可以确保材料晶粒组织细密而均匀，有害杂质含量低。采用电渣重熔的且具有较低的C、S、P含量的F22钢锻件材料，可保证其良好的抗SSC开裂及氢致裂纹的能力，同时回火脆性倾向也降低，符合NACE 0175/ISO 15156标准要求。

（5）F22钢较低C、S、P含量使其具有良好的焊接性能，完全满足在其基体材料内部的生产介质浸润面上堆焊Inconel625镍基耐蚀合金的需要。

（6）F22材质中均含有相当量的铬、钼、钒，这些元素不仅能显著改善钢材的淬透性，同时还能在高温热处理时防止奥氏体晶粒长大，使得水下采油树厚壁零部件（如树本体）的调质性能大为改善，进而确保材料不仅具有优良的切削加工性能，还保证材料从外表面到中心部兼具优良的低温韧性及高低温疲劳强度，以抵抗低温海水与高温生产介质产生的温度落差热疲劳。

2.2 水下采油树材料防腐设计选型

（1）为抵抗生产原油（气）及海水的强烈腐蚀，考虑到相关标准要求，水下采油树设备在材料设计上采用下列防腐方案措施：

第一，生产流体浸润面及密封面耐蚀层材料选用Inconel625（或堆焊层）。

第二，液控闸阀的阀座、阀杆及阀板、环空及中心孔的金属密封材料选用Inconel718。

第三，环空跨接管及化学药剂注入管道材料选用双相不锈钢。

第四，采油树需水下安装的零部件配合面及紧固件表面采用超薄复合聚四氟乙烯涂层材料进行表面喷涂。

（2）耐腐蚀合金Inconel 625及Inconel 718的应用分析。根据水下采油树设备防腐要求，所有受到生产介质浸润的流道面材质应达到API标准的HH-NL材质等级要求。Inconel718及Inconel625属于Inconel镍基高强度耐蚀合金，在高温环境下具有卓越的抗H2S腐蚀特性，完全满足NACE 0175/ISO 15156规范的酸性气体环境下使用的最高标准等级材质要求。

Inconel625材质符合ASTM UNS NO6625规范，其晶体结构为面心立方结构，具有良好的塑性及热成形性，焊接工艺性良好，因为Ni与Fe可达成无限互熔，因而镍基合金适合于在低合金钢表面进行堆焊，为节省材料成本（镍基合金价格昂贵），在水下采油树设备制造时，往往在生产介质浸润的流道面及密封环槽面采取堆焊镍基合金Inconel625的方法以建立防腐层。

（3）双相不锈钢材料应用分析。根据设计要求，番禺项目水下采油树设备的环空跨接管道及化学药剂注入管道材料应符合API标准的FF-NL材质等级要求。双相不锈钢是一种具有稳定平衡的铁素体和奥氏体双相组织的不锈钢，它既保留了铁素体不锈钢导热系数大、线膨胀系数小、耐点蚀及应力腐蚀的特点，又具有奥氏体不锈钢韧性好、脆性转变温度较低、抗晶间腐蚀、力学性能和焊接性能好的优点。这种特性大大增强了其抗海水腐蚀及在开采原油（气）时的抗H2S应力腐蚀的能力，因此适用于作水下采油树设备的环空跨接管道及化学药剂注入管道的材料。

（4）XYLAN（超薄复合聚四氟乙烯喷涂）涂层材料的防腐应用分析。根据相关标准规范要求，除了与生产介质相接触的流道面外，水下采油树所有受到海水浸蚀的零部件，要求采用表面处理及阴极保护双重防腐措施，而常规海洋油漆涂层的厚度相对较大（0.10 mm以上），对配合公差会产生影响；另外油漆层在磕碰时易脱落，对于需在水下安装且容易产生碰撞的采油树零部件，这种涂层的应用存在一定的局限性。超薄复合聚四氟乙烯表面处理技术是一种将主要成分为聚四氟乙烯的超细颗粒通过热喷涂工艺均匀打到金属表面，形成一层具有附着力强（按ASTM D3359的涂层附着力试验标准达到4B-5B级）、超薄致密（涂层厚度为0.03 mm左右）、高润滑性、高防腐性、耐高温等特点的薄膜，对高精度配合件的尺寸公差影响小，适用于金属件与金属件/非金属件之间存在表面接触、挤压、相对运动等工况。该工艺已广泛用于水下设备并被证明与阴极保护有很好的兼容性。

2.3 水下采油树密封材料的设计选型

（1）水下设备的密封要求。水下采油树密封件材料的选择不仅要考虑到材料的耐高温、高压及耐腐蚀性能，还要考虑到密封件在深海水下便于安装这一要求。

（2）番禺项目水下采油树的主要密封形式有：

第一，水下采油树设备压力通道的连接大都采用金属垫环与环槽锥面相配合的方式，通过压力预紧实现金属的高压（15 000 psi，即103.4 MPa）密封。

第二，对于水下采油树油管挂及树帽与树本体之间的环空径向间隙、中心孔堵头与油管挂及树帽的径向间隙，采用以易成形且弹性好的金属密封件为主、非金属密封为辅的组合密封方案。

第三，采油树液控闸阀开关的密封通过采用金属阀板与阀座高光洁度表面在弹簧力及压力作用下形成的紧密贴合，实现摩擦副动密封。

（3）金属密封件的材料性能分析。水下采油树金属密封垫采用镍基合金Inconoy 825（UNS N08825标准），与其配合的垫环槽采用镍基合金Inconel 625堆焊层，这两种合金不仅具有优良的耐蚀性能（达到NACE 0175/ISO 15156规范的酸性气体环境下使用的材质要求），同时还具有卓越的抗高温氧化及热疲劳性能，满足高温、高压、高腐蚀生产原油（气）介质的密封要求。Inconel718材质符合ASTM UNS NO7718规范，具有良好的加工成形性及耐腐性，同时具有良好的弹性，常被选作水下采油树的阀门零部件（阀杆、阀板及阀座）及外形复杂的金属密封材料（如U形、K形金属密封圈）。对于采油树液控闸阀，其密封副材料的选用主要应考虑其强度、韧性、耐磨性及加工成形精度等因素。为此，阀门的阀板、阀杆及阀座在设计上采用在Inconel718基体上热喷涂硬质合金层（以增加其密封面的耐磨性）的材料。

（4）非金属密封材料性能分析。水下采油树的非金属密封往往采用金属包边结构，增加的金属端盖主要起导向作用。根据水下采油树的工况条件及应用要求，对非金属密封材料，选用了两种具有高抗腐蚀性、高低温适应性强的高分子橡胶弹性材料，其一为氟醚橡胶，另一种为氢化丁晴橡胶（H-NBR）。

面对原油（气）的高温及高腐蚀性，氟橡胶以其他橡胶不可比拟的耐高温、耐油和耐多种化学物质腐蚀的特性，成为非金属弹性密封材料家族中的宠儿，但水下采油树长期浸泡在低温海水环境中，对其密封材料的抗低温性能也有苛刻的要求（设计要求能在-18℃的低温环境中长期保持密封），而常规全氟橡胶的抗低温性能是无法满足这种要求的，为此，水下采油树的生产通道中心孔的非金属密封材料选用了氟醚橡胶。研究表明：相对于全氟橡胶，氟醚橡胶在分子结构上引入了醚键，降低了分子结晶度，使大分子柔顺性变好，因而低温性能得到显著改善，同时还保持了氟橡胶的抗高温性能。

氢化丁晴橡胶是对丁晴橡胶进行特殊加氢处理而得到的一种高饱和的弹性体，这种高度饱和的分子结构在保留了丁晴橡胶的高强度及高抗撕裂性能的基础上，改善了原丁晴橡胶的耐热性、耐低温性、耐化学腐蚀性能，提高了抗压缩永久变形的能力。与氟橡胶相比，尽管在耐油及耐热性能方面稍有不足，但加工性能及综合机械性能却优于氟橡胶，且相对氟橡胶价格低廉。综合各种因素，对于水下采油树油管挂及树帽环空非金属密封，设计中选用了氢化丁晴橡胶材料。

3 关键部件材料选型的应用效果

根据以上分析，在中国南海流花11-1油田和番禺35-2/35-1气田采油树国产化研发试制时，其水下关键部件（包括树本体、油管挂、液控闸阀阀体、双孔连接器、管道连接器等）的基体材料选用了F22（ASTM A182）材料，采用文中介绍的防腐材料和工艺进行防腐，金属密封件及非金属密封件材料进行密封。材料的各项机械性能试验数据及设计模拟分析结果表明，所选材料完全满足设计要求。研制的流花11-1油田的5套水下采油树成功安装于海底后已安全运行两年多；研制的番禺35-2/35-1气田水下采油树关键部件也均已成功通过603次的高低温（-46～121℃）、高压（103.4 MPa）、浸渍、耐火烧、承载和振动试验（PR2试验）；番禺35-2/35-1气田水下采油树的密封件也均已成功通过160 h的浸渍试验和盐雾试验，试验证明密封性能良好。

[1]ISO 13628-4-2010，石油和天然气工业——海底开采系统的设计和操作——第4部分：海底井口装置和采油树设备[S].

[2]ISO 10423-2009，石油和天然气工业——钻井和采油设备——井口装置和采油树设备[S].

[3]ISO 15156-2009，石油和天然气工业——油、气生产中含硫化氢（H2S）环境下使用的材料[S].

[4]韩晓燕，陈旭.聚四氟乙烯防腐蚀涂层的研究进展[J].塑料，2007，36（2）：53-56.

[5]王作龄.丁晴橡胶与氢化丁晴橡胶[J].世界橡胶工业，2005，32（9）：7-11.

[6]李振环.全氟醚橡胶的性能及应用[J].液体机械，2006，32（12）：52-54.

MaterialDesignand Type-selectionofKeyParts ofSubsea Christmas Tree

Zhang Pengju1，YuanJ inhong1，Feng J iantong1，Sunwei2
1.MSP/DRILEX INC，Shanghai200943，China
2.China NationalOffshore OilCorporation，Shenzhen518000，China

Costly subsea christmas trees applied in domestic subsea oilfields have been relied on import for a long time，therefore the research on design and type-selection of base material，anticorrosion material and sealing material of key parts of subsea cristmas tree is carried out according to application conditions of deep water，high temperature，high pressure and strong corrosion.The research results are applied in domestic fabrication of subsea cristmas trees for Liuhua 11-1 Oilfield and Fanyue 35-2/1 Gas Field.The performance of developed materials of key parts of subsea cristmas tree meets the international industry standard，and the costs are about 1/3 of those of relative foreignmaterials.

subsea christmas tree；material；designand type-selection；corrosion

国家科技重大专项“大型油气田及煤层气开发”（2011ZX05056）

10.3969/j.issn.1001-2206.2015.03.007

张鹏举（1968-），男，湖北武汉人，高级工程师，1992年毕业于海军工程大学潜艇设计与制造专业，现主要从事海洋石油天然气水下生产设备的研发、设计、制造与管理工作。

2014-09-24；

2015-03-30