油气与新能源工程材料研究方向与重点内容探析*

刘亚旭,杜 伟,付安庆,李厚补,韩礼红,池 强,蒋 龙,冯 春,李 鹤

(中国石油集团工程材料研究院有限公司 陕西 西安 710077)

0 引 言

材料科学与材料工程是国民经济和国防建设的基础,其发展水平直接关系经济实力、国防力量的增长以及人类生活品质的提高[1]。其中关键基础材料是《中国制造2025》[2]工业强基工程的四基之一,是工业强基的重要内容。《工业强基工程实施指南(2016-2020年)》[3]中,明确指出“核心基础零部件(元器件)、关键基础材料严重依赖进口,产品质量和可靠性难以满足需要”,而影响核心基础零部件(元器件)质量和可靠性的关键因素之一还是材料,因此关键基础原材料(主要指用于工程的材料)的科技攻关是实施《中国制造2025》的关键和重要内容。

西方发达国家同样把工程材料作为重要攻关内容。2022年2月,美国国家科学技术委员会(NSTC)发布了新一版关键和新兴技术(Critical and Emerging Technologies,CETs)清单[4]。该清单以美国2020年《关键和新兴技术国家战略》为基础,对其中的关键和新兴技术领域作了更新和调整,并具体列出了各领域内的核心技术子领域清单。NSTC表示,出台这份清单的目的是为了保障美国在未来的技术领导力,与盟友共同推进和保持关键领域的科技竞争优势,并应对所谓的技术安全威胁。NSTC指出,新一版关键和新兴技术清单将对即将出台的美国技术竞争力和国家安全战略起到重要支撑作用。NSTC特别强调,这份清单在支持美国国家技术安全、保护敏感技术和争夺国际人才等方面可以作为美国行政部门和机构的参考依据。清单中,先进工程材料由2020年的第三位上升到第二位,其具体研发内容包括:设计材料和材料基因组学、具有新特性的材料、对现有性能进行重大改进的材料、材料性能表征和生命周期评估。可见,基础原材料(工程材料)不但在实施《中国制造2025》中有重要作用,在国际竞争中同样具有重要意义。

党的二十大报告提出,要加大油气资源勘探开发和增储上产力度,加快规划建设新型能源体系,确保能源安全。实现油气增产上储、推进新能源发展,离不开先进工程材料的科学支撑。本文基于油气与新能源发展的新形势和新要求,提出了油气与新能源工程材料的概念,并对其范围、研究对象、研究思路等进行了分析,对重点发展方向和研究内容进行交流探讨。

1 油气与新能源工程材料的概念和范围

工程材料主要是指用于能源、化工、船舶、航空航天、兵器、机械、车辆、建筑等工程领域的材料,用来制造工具(含仪器仪表)、零件、构件、装备以及设施(例如管柱、管道等)。根据结合键的性质分类,工程材料可分为金属(包括黑色金属和有色金属及其合金)、高分子材料(聚合物)、陶瓷和复合材料(包括金属基与非金属基复合材料)。

油气与新能源工程材料是指用于油气与新能源资源探测、开发、储运、炼化的工程材料,包括制造工具、器件(零件、构件)、装备(设备)、建设设施(管道、井筒、储气库、炼化装置、风光电储氢设施等)等所有工程材料及“一揽子”技术解决方案,以结构材料为主,也涵盖功能材料。

2 工程材料在油气与新能源开发中的重要性

工程材料在油气开发、储运、炼化全产业过程中具有极其重要的作用。在油气开发中,井下一般都是高温(深层达到240 ℃,稠油热采最高可达400 ℃,火驱井达到800 ℃,地下煤气化井下逾800 ℃)、高压(高达180 MPa)、高腐蚀(含H2S、CO2、Cl-和细菌等腐蚀性介质)环境。钻井钻进中,坚硬的岩石对钻头甚至钻杆产生巨大的摩擦力。旋转钻井、储气库循环注采、往复采油过程中,钻杆、抽油杆、管柱等又存在着疲劳等问题。高温和高压环境下,因材料适用性不足等原因,有些测井仪器仪表也会失去灵敏性、准确性。在油气集输过程中,油气及其他采出物往往含腐蚀性介质。净化后的天然气,为了提高输送效率必须用高压、大口径输送,北方地区的场站冬季温度可达零下40 ℃。而当天然气以LNG(液化天然气)形式运输时,其温度要达到零下160 ℃。在炼油化工过程中,工作温度往往在650 ℃以上,最高温度可超过1 000 ℃(如裂解炉管)。

苛刻的服役环境(高温、高压、高腐蚀、疲劳、磨损、低温环境及其耦合)对材料及制成的装备、零部件、仪表和设施的结构提出更高要求,需要针对不同环境具备相应的特殊服役性能,包括高温下良好的耐高温、抗蠕变、高温密封性和仪器仪表的高精度和稳定性,高压下优异的耐高压(高强度)和密封性,腐蚀环境下针对不同腐蚀介质的耐腐蚀性能,低温下材料良好的抗脆断能力,交变应力环境下良好的抗疲劳性能,磨损环境下良好的耐磨性。更多的情况,还需要根据不同的工况,如高温+高压、高温+腐蚀、高温+高压+腐蚀、腐蚀+磨损、腐蚀+疲劳、低温+高压等,需要具备一种或几种特殊性能,例如高温下的高强度、耐腐蚀、耐磨损、良好密封性等。

在新能源开发中,材料的作用也非常重要。太阳能利用中,光电转化效率的提升主要依靠材料。尽管硅异质结光伏电池(HJT)转化效率世界纪录不断被突破(2022年11月19日达到26.81%),但晶硅材料的光伏电池光电转化效率理论极限是29.4%,技术的提升空间极大受限。要进一步提高光电转化效率,普遍认为结合钙钛矿材料,开发具有颠覆性的钙钛矿/异质结叠层电池(转化效率理论极限可达43%)将成为行业首选。风电开发中,采用高强度、低密度的大尺寸(超过100 m)非金属新型材料风叶是提高风电转化效率的关键。氢能储运特别是中高压纯氢/混氢管道输送中,必须采用合适的材料和技术来防止氢脆的发生以保证安全。地热开发中,耐高温腐蚀材料成为必选。深层煤炭采用气化方式开发中,管柱和工具材料又要面临严苛的超高温(可达800 ℃)和高腐蚀(CO和CO2)问题。CCUS-CO2驱油过程中,CO2输送管道和注采管柱也存在超临界和高含CO2腐蚀难题。

因此,我们必须把油气与新能源工程材料的研发和推广作为实现石油装备科技自立自强的重要举措,通过工程材料的科技进步支撑油气增储上产和新能源发展,践行习近平总书记提出的“加强原创性、引领性科技攻关,把装备制造牢牢抓在自己手里,努力用我们自己的装备开发油气资源,提高能源自给率,保障国家能源安全。”

3 油气与新能源工程材料的研究对象、思路及领域

3.1 油气与新能源工程材料的研究对象

油气与新能源工程材料的研究对象涵盖满足油气与新能源资源探测、开发、储运、炼化用的器件(石油管等)、装备(设备)、设施(管道、井筒、储气库、炼化装置、风光电储氢设施等)等需要的工程材料及“一揽子”技术解决方案(包括材料设计、结构设计和建设方案),主要包括金属材料(以黑色金属为主,也包括有色金属、稀土、碱土等)、高分子材料、陶瓷材料以及复合材料四大类。

3.2 油气与新能源工程材料的研究方法

针对油气与新能源领域的材料科学与工程问题,从服役条件和需要的服役性能出发,研究材料的合成与加工、成分与结构、性质和使用(服役)性能,以及他们之间的相互关系。合成与加工决定成分与结构,成分与结构决定材料基本性质,基本性质和器件、装备(设备)与设施的尺寸结构显著影响其使用(服役)性能,研究结果就是要在特定服役条件下实现最佳服役性能。

3.3 油气与新能源工程材料的研究重点和思路

“石油管工程学”[5]是油气与新能源工程材料学科的核心,二者的研究方法与路径内涵相同。由于石油管材在油气与新能源开发中占总成本的60%以上,因此石油管是油气与新能源工程材料的重要研究内容。

油气与新能源工程材料的研究思路是从材料以及由材料制成的器件(包括石油管)、装备(设备)、设施的服役条件和需要的服役性能出发,充分考虑服役的环境、载荷、结构和经济性等因素,研究满足服役要求所需的材料使用性能(包括器件、装备(设备)与设施的合理结构),通过研究制定标准和研发验证平台(包括研究所需的科学实(试)验及检测仪器设备等),合理设计材料,以及采取相应的合成/加工措施,得到能实现基本性质的成分/结构,并与器件、装备(设备)、设施的整体结构相配合,确保能够经济性地满足使用(服役)需求。

先进工程材料是油气与新能源工程材料重点研究方向,包括设计材料和材料基因组学、开发具有新特性的材料、对现有材料的性能进行重大改进、材料性能表征和生命周期评估管理,并扩展至器件、装备(设备)、设施等完整性评价和寿命评估等。

3.4 油气与新能源工程材料的基础支撑学科

油气与新能源工程材料是材料科学与工程在油气与新能源领域的应用,基础是物理学和化学,也包括数学、计算机、力学、冶金、石油天然气工程、机械工程、安全、计量、标准化等学科。

3.5 油气与新能源工程材料的研究领域

根据应用领域,可分为油井管与管柱、输送管与管线、炼化设备材料、新能源工程材料等。

根据专业特点,可分为强度分析与校核、腐蚀与防护、完整性评价与风险评估、失效分析与智能仿真、增材制造与焊接技术。

根据材料特点,分出金属、非金属及其复合材料学科,包括金属与金属、金属与非金属、非金属与非金属的复合。

4 油气与新能源工程材料的研究内容展望

4.1 油气与新能源工程材料基础研究重点

基础研究是创新的源头活水,事关科技长远发展的根基。中国石油贯彻党的十九届五中全会精神和落实国家《“十四五”规划和2035年远景目标纲要》,组织制定了《集团公司重大基础研究十年行动计划方案》。加强基础和应用基础研究,就是要勇于挑战最前沿的科学问题,在原创发现、原创理论、原创方法上取得突破;同时围绕主营业务发展需求,从中发现重大科学问题,从科学原理、问题、方法上进行攻关,积极开辟新的技术路线,为解决“卡脖子”问题提供更多源头支撑,为强化国家战略科技力量和建设能源与化工创新高地奠定坚实基础。

结合工程材料研究院多年的实践经验和工作重点,从油气工程材料、管道材料及安全、新能源材料等方面提出了基础研究的重点。

4.1.1 油气工程材料基础研究重点

4.1.1.1 油气工程材料的基因组学和设计材料原理与方法

针对油气开发对金属材料(黑色金属、有色金属、稀土、碱土等)、高分子材料、陶瓷材料以及复合材料等先进工程材料的需求,通过对油气工程材料的基因组学和设计材料原理与方法进行研究,为油气先进工程材料(新材料)的开发奠定基础。将高通量材料实验方法、计算材料学理论和算法、材料数据挖掘与人工智能(建立石油工程材料数据库,使用机器学习、数据挖掘的方法来对材料数据进行处理分析并预测、设计新材料)融合引入材料开发,加速材料合成加工、成分结构与基本性质、服役性能之间“构效关系”的研究效率并降低研发成本,改变原有的速度慢、效率低的传统“试错法”研究,“提速降耗”,加速先进工程材料(新材料)的研发。

4.1.1.2 油气工程材料特殊性能增强机理研究

油气与新能源开发利用的各个环节一般都会对材料有一项或若干项特殊性能提升增强的要求,如增强、增韧、增硬、耐高温、耐低温、耐腐蚀、耐磨损、抗疲劳等,需要研究增强或提升这些特殊性能的机理,然后有针对性地开发具有特殊性质的材料。下面是一些具体的例子。

1)超高强度马氏体时效钢的沉淀强化机理研究

搞清楚沉淀强化机理,支撑超高强度马氏体时效钢的研发(“卡脖子”攻关),解决压裂泵阀箱频繁失效问题。

2)金属化合物涂层材料耐高温耐磨损抗腐蚀机理研究

研究金属碳化物涂层、金属氧化物涂层、碳基涂层材料等的耐高温、耐摩擦磨损、耐腐蚀冲蚀、抗菌阻垢阻氢等机理,为开发超深井用泵筒柱塞等工具以及阀芯阀座等密封元件提供高性能防护材料支撑。

3)金属磁性材料(铁镍钼材料)的增强、增韧、耐高温、抗腐蚀机理研究

研究钼、镍钢的增强、增韧以及耐高温、抗腐蚀机理,为特殊工况油套管和地面管材的开发奠定理论支撑。

4)寒冷(极寒)环境下材料的冷脆转变机理研究

研究材料的冷脆转变机理,为开发满足寒冷环境抗冷脆管材和装备提供支撑。

5)高温环境下材料的蠕变机理研究

研究材料的高温蠕变机理,为开发满足高温环境抗蠕变管材和装备提供支撑。

6)高分子材料油气环境下老化机理研究

研究高分子聚合物材料在油气工况环境下的老化机理,为开发抗老化、长寿命的高分子材料提供支撑。

7)苛刻油气环境非金属密封材料增强机理研究

研究井口装置及井下管柱密封用非金属材料(如橡胶、特种工程塑料等)的密封及增强机理,为开发耐高温、耐高压、耐老化的非金属密封材料提供支撑。

4.1.1.3 不同载荷和环境下材料的损伤和失效机理研究

研究不同工况、不同载荷、不同环境下不同材料在服役过程中的损伤和失效机理,利用大数据、机器学习、人工智能等手段,实现对石油管、装备和设施的预测性维护和健康管理。

4.1.1.4 石油管连接和密封机理研究

1)石油管的环焊连接机理研究

①金属管的环焊连接机理研究

研究同种金属和异种金属的环焊连接和匹配机理,为开发出保证环焊缝质量、连接匹配的焊接材料、工艺和装备提供原理支撑。

②热塑性塑料管的焊接连接机理研究

研究聚乙烯、聚丙烯等热塑性塑料管的热熔/电熔焊接机理,为开发出保证焊接质量的熔接材料、工艺和装备提供原理支撑。

③复合管的焊接连接机理研究

通过金属与金属复合管的环焊、非金属与非金属复合管的热熔/电熔焊接机理研究,为开发出保证连接质量的焊接(熔接)材料、工艺和装备提供原理支撑。

2)石油管的螺纹连接密封机理研究

①金属管与金属管的螺纹连接密封机理研究

研究金属管与金属管的螺纹连接密封机理,为开发出保证螺纹连接结构和密封完整性的螺纹连接形式提供支撑。

②非金属复合材料管的螺纹连接密封机理研究

研究玻璃钢等非金属复合材料管的螺纹连接密封机理,为开发出保证非金属螺纹连接结构和密封完整性的连接形式提供支撑。

③金属管与非金属复合材料管的螺纹连接密封机理研究

研究金属管与非金属复合材料管(玻璃钢)的螺纹连接密封机理,为开发出保证金属管与非金属复合材料管螺纹连接结构和密封完整性的螺纹连接形式提供支撑。

④内衬复合管连接密封机理研究

研究金属与金属、金属与非金属(陶瓷内衬管、热塑性塑料内衬管)等带内衬的双层结构复合管的连接和密封机理,为开发出保证内衬复合管连接结构和密封完整性的连接形式提供支撑。

4.1.1.5 复合管材的界面结合强度机理研究

复合管材是经济性解决油气与新能源开发中特殊需求(耐腐蚀、耐磨损等)的方向和途径,其结合界面的强度是复合管材能否达到性能要求的关键,必须先对其界面结合机理进行研究,才能为复合管材开发提供理论支撑。

4.1.1.6 增材制造增强增韧机理研究

研究不同增材工艺及后续原位循环再热过程对材料强韧性的影响机理,对现有材料合金体系进行优化设计,为增材制造材料及工艺研发提供理论支撑。

4.1.1.7 材料性能表征理论和全生命周期评价方法研究

从满足服役条件出发,研究能够表征材料及其制成品服役性能的理论,以及全生命周期评价管理的理论和方法。

4.1.2 油气与新能源管道的基础研究重点

4.1.2.1 超高强度(X90/X100)管道强韧机理和断裂控制理论研究

现有X80管道的技术难题攻克后,建设超高强度(X90/X100)管道必将成为国际管道技术和实践的发展趋势。开展X90/X100等超高强度管线钢提高强度、韧性与可焊性以及强韧匹配机理研究和管道的断裂控制理论研究,将为管道建设的技术攻关提供超前储备和源头支撑,推动我国管线钢和钢管制造、管道技术抢占发展制高点。

4.1.2.2 在役管道损伤和失效机理研究

中缅管道“7.2”和“6.10”等事故对开展环焊缝断裂的机理(裂纹萌生、扩展)以及环焊缝与母管的强度匹配机理提出了需求。只有搞清管道断裂机理,才可能对在役管道失效事故进行预测,并通过对新建管道采取技术措施避免事故重复发生。

4.1.2.3 氢管道损伤和服役安全理论研究

根据国际能源署报告,在各种输氢方式中,海底管道在1 500 km以内、陆地管道在3 500 km以内,管道输氢的经济性最好。为实现“双碳”目标,我国必将建设纯氢管道或在现有天然气管道中掺氢输送。需要研究氢致损伤机理和氢管道断裂控制理论,形成中高压输氢安全机理和掺氢适用机理与服役安全理论,支撑纯氢和掺氢管道输送。

4.1.2.4 氢在高分子材料中的渗透机理研究

研究氢在高分子材料中的吸附、溶解和扩散等渗透机理,支撑以聚乙烯等高分子材料为基础材料的低压输氢非金属管道建设。

4.1.2.5 超临界CO2输送的腐蚀机理和失效控制工程

为实现“双碳”目标,埋碳是必然措施。开展大范围的CCUS,必然要把CO2从富产地输送到油田等既可驱油又能埋碳的使用地,CO2的超临界输送是最经济的输送方式。需要研究CO2超临界输送管道的腐蚀机理、断裂控制和完整性评价理论。

4.1.3 新能源工程材料的基础研究重点

以提高新能源材料的转化效率为目标,研究新能源材料效能转化机理及新型材料制备原理。

4.1.3.1 钙钛矿等薄膜太阳能电池光电转化机理研究

开展钙钛矿/异质结叠层太阳能电池效率提升与转化机理研究,为相关功能层薄膜材料的高效率与高质量制备技术开发提供理论支撑。

4.1.3.2 高性能热电材料作用机理研究

开展塞贝克系数和电导率的多热电参数协调机理研究,建立热电材料电子能带结构优化体系,为高性能热电材料的研发和器件制备提供理论基础,支撑高效率余热发电和井下抗高温仪器热电制冷技术开发。

4.1.3.3 钒液流电池储能效率提升机理研究

开展全钒液流电池储能关键材料石墨毡电极和钒电解液的改性研究,开发电堆流体结构和密封焊接等核心技术,降低系统成本并提高储能效率。

4.2 油气与新能源工程材料开发与应用研究重点

习近平总书记在2021年两院院士大会、中国科协第十次全国代表大会上强调指出,要在石油天然气、基础原材料、高端芯片、工业软件、农作物种子、科学试验用仪器设备、化学制剂等方面关键核心技术上全力攻坚。贯彻落实总书记要求,重点做好油气与新能源工程材料国产化、应用关键技术攻关和新一代新材料新技术开发等工作。

4.2.1 油气与新能源工程材料国产化

经过30多年努力,中国石油作为需求提出者、标准制定者、创新组织者、部分技术提供者、产品验证和使用者,带动陆上石油管材实现全面国产化、高强度管道应用关键技术由跟踪跃入国际领跑者行列,当好了陆上石油管材原创技术策源地和现代产业链的链长。同时也应清醒地认识到,我国在石油天然气基础原材料及关键装备领域,仍然存在诸多“卡脖子”问题,与建设世界主要科学中心和创新高地的要求还存在差距。系统调研梳理了我国油气工业发展的“卡脖子”技术清单,主要包括软件、实验仪器、工艺技术、装备及材料等4个方面,其中装备及材料比例最高,约占38%。表1列出了各专业领域代表性的“卡脖子”装备及材料。亟待借鉴陆上石油管材国产化的成功经验,与油田用户、管道公司、冶金和制管企业等建立实质性创新联合体,着力关键核心技术突破,继续当好原创技术策源地。

表1 卡脖子石油管及装备材料

4.2.1.1 特殊服役环境用高性能石油管材

1)高性能钻柱与钻具

国际上,钻柱设计及配套工具向轻量化、集成化、可视化、信息化和智能化方向发展。我国钻柱与钻具研发和应用整体上达到国际先进水平,但在智能钻杆、旋转导向工具方面还存在较大差距,特别是随钻导向管材用无磁材料(铍青铜、无磁不锈钢、PEEK工程塑料)等尚不能国产化,是发展的重点。

2)抗套损新型套管

国外泰纳瑞斯(Tenaris)、法国VM公司制造的125 ksi抗页岩气套损套管已规模化应用于北美页岩气开发,其制管工艺成熟、密封与连接性能优异。国内在深层页岩气开发用高端套管方面,与国外先进水平相比有一定差距,需重点研究成分与组织设计、高效轧制工艺、热处理工艺和接头高效连接工艺,开发出高抗挤、高延伸率、高密封性能的高端抗套损新型套管。

3)耐高温非金属管材与橡塑产品

据统计,国内油田80 ℃以上的耐高温非金属管需求量为400～500 km/a。我国现有成熟的油气集输用非金属管专用料耐温仅能达到60 ℃,60～80 ℃非金属管专用料正在立项开发过程中。80 ℃以上高性能油气输送管道用工程塑料如尼龙(PA)、聚酮(POK)、聚偏氟乙烯(PVDF)等全部依赖进口且价格十分昂贵,主要厂商包括法国阿科玛(Arkema)、德国赢创(EVONIC)、比利时索尔维集团(Solvay)等,国内企业尚无以上管材专用料的生产能力。基于耐高温材料的复合管、连接件等管材系统的生产制备技术同样受到严密封锁。

在油井管柱及生产系统中,胶筒、胶塞、胶芯、密封圈等橡胶密封材料是必不可少的元件。目前油田使用的橡胶材料主要包括丁腈橡胶、氢化丁腈以及各种类型的氟橡胶,其中氢化丁腈和氟橡胶仍主要依赖进口,主要的生产厂家包括美国杜邦公司、3M公司、日本旭硝子、大金公司、德国朗盛和日本瑞翁公司等,国内在橡胶原材料生产、硫化加工、性能保障等方面均存在差距。

需针对性开发适用于油气集输的耐高温(80～120 ℃)工程塑料产品;研究突破高性能氟橡胶的原材料生产及硫化技术,提升国产氟橡胶、氢化丁腈橡胶的成分结构和加工能力,开发出与国外先进水平相当的氟橡胶、氢化丁腈橡胶原材料;攻关建立石油工业用工程塑料复合管材与橡胶制品标准、原料开发、生产制造、测试评价及现场应用等技术体系。

4)高性能特殊螺纹接头

高温高压气井油管柱、储气库注采管柱以及隔水管柱等高性能特殊螺纹接头90%以上依赖进口,主要厂商包括阿根廷泰纳瑞斯(Tenaris)、日本JFE、法国瓦卢瑞克(Vallourec)、日本美达王(Metalone)、美国维高(VetcoGray)等。随着油气开发向“深、低、海、非”发展,需开展高温高压高腐蚀环境下特殊螺纹接头的密封与连接机理、设计开发、加工制造及验证评价技术研究。

5)高强度管道焊接材料

高强度管道现场焊接用高性能(高强度、高韧性、良好工艺性)焊条、自保护焊药芯焊丝和气保焊实心焊丝基本依靠进口(欧洲、美国)。近年来,国内焊材企业也开发了类似产品,但产品的质量稳定性和工艺性与国外先进产品存在一定差异,并因缺乏工程应用经验,实际工程应用量很少。需针对性开展高性能管道焊接材料的开发、评价及应用研究,逐步取代进口。

4.2.1.2 海洋钻采装备材料

1)海洋隔水管

40多年以来,国外一些国家如美国、挪威等持续开展隔水管技术研究。目前,隔水管系统最大应用深度已达3 000 m以上,供应商主要集中在美国、挪威、法国和俄罗斯等部分国家,如美国的VetcoGray和Cameron公司、挪威的Aker Kvaerner公司等。用于隔水管主管体的主要材料为管线钢,常用钢级为X52、X65和X80,在超深水条件下多使用X80钢,并且正在向更高强度级别的X100和X120发展[6]。钛合金、铝合金等轻质合金与复合材料管也逐渐被用于深海隔水管。隔水管国产化的难点和瓶颈主要集中在隔水管接头,因焊接热作用,接头区域成为隔水管系统最薄弱的环节。需重点开展隔水管接头焊接材料、焊接工艺及检测评价技术研究,尤其应注重开展接头的实物疲劳试验研究与标准制定工作。

2)水下防喷器

国外生产水下防喷器的厂家主要是美国的Shaffer公司、Cameron公司和Hydril公司,在技术和市场上处于垄断地位。国内的华北荣盛、上海神开等开展了水下防喷器的研制和生产。水下防喷器的本体材料常采用25CrNiMo、AISI 4130、AISI 8630、AISI 4330和F22钢,密封胶芯材料主要分为天然橡胶、丁腈橡胶、氯丁橡胶和氢化丁腈橡胶。应重点开展基于服役工况的实物评价技术研究,为国产防喷器入海提供安全技术保障。

3)水下采油树与水下井口

美国FMC、Cameron和挪威Aker Kvaerner三大厂商占据了水下采油树90%以上的市场份额。水下井口的设计、生产制造技术也主要掌握在美国和挪威等少数几个发达国家手中。水下采油树和水下井口的材料根据使用条件和腐蚀环境不同分为碳钢、低合金钢、不锈钢和耐蚀合金。国内水下采油树、水下井口用F6NM马氏体不锈钢,654SMo超级奥氏体不锈钢,2507、2707、3207等超级/超超级双相不锈钢,Inconel 625、Inconel 718、Inconel 725、Inconel 925以及Monel K500等镍基和铁镍基合金等的加工制造技术尚不成熟,是攻关重点。

4)海洋柔性复合管

早在19世纪70年代国外便已开展海洋柔性复合管的相关研究,并成功将其应用在海洋油气输送领域。海洋柔性复合管的生产厂商主要包括法国的Technip公司、英国Wellstream公司和丹麦NKT Flexibles公司,分别占据国际市场份额的75%、15%和10%。国内科研院所、上下游企业应开展联合攻关,突破海洋柔性复合管的标准、设计、制造、检测、评价与应用技术难题,加快实现产品的国产化。

4.2.1.3 深井、超深井与非常规油气开发装备材料

1)超深井钻机

国际上以美国NOV(国民油井)、挪威MH、德国HERRENKNECHT(海瑞克)等公司为代表,在钻机设计、制造、评价及应用等方面技术成熟、原创性强,并向着高承载、轻量化、安全可靠及智能化方向发展。国内攻克了12 000 m陆地钻机系统集成设计与制造关键技术,但与国外先进钻机相比,国内钻机构件普遍存在尺寸偏大、结构笨重、服役寿命短、安装及搬家周期长、费用高等问题。轻量化和延长服役寿命的关键在于材料,在于材料强度水平的提升和强度与塑性韧性的合理匹配。应从钻机服役条件出发,基于现代材料设计理念,优化钻机关键构件选材和制造工艺,研发应用高性能新材料新工艺,实现钻机构件材料的性能提升,降低钻机构件重量,延长钻机服役寿命,提高钻机整体服役性能。

2)高压管汇与压裂泵

国际上以美国FMC等公司为代表,建立了成熟的高压管汇及压裂泵设计、制造与使用维护技术体系,产品承载能力高、性能稳定、故障率低。我国140 MPa以上高压管汇主要依赖进口、5 000水马力以上压裂泵仍处于工程试用阶段,主要存在制造工艺不成熟、产品性能不稳定、服役寿命短等问题。为此,需重点开展高压管汇、不锈钢压裂泵阀箱等关键材料的设计、研发、评价与应用技术研究。

3)高温测井仪器

深层超深层温度达到240 ℃,压力达到180 MPa,高温高压下测井仪器和测量电路等存在高温失效、灵敏度大幅下降等问题。国外斯伦贝谢、哈里伯顿测井仪器耐温耐压能力达到260 ℃/210 MPa,我国耐高温高压随钻测量仪器、电缆测井及随钻测井关键零部件、耐高温井下工具等主要依赖进口,需重点研发耐高温高压集成芯片、耐高温高性能传感器(电、磁、核磁、声)、无磁材料、耐高温密封材料、多维度主被动复合式控温热电材料与热电制冷器件等关键材料和元器件。

4.2.2 油气与新能源工程材料应用关键技术攻关

面向油气田开发、炼油化工、油气储运等对工程材料的需求,重点解决非API油井管服役安全、套管变形损坏、集输管网泄漏、炼化装置腐蚀磨损、长输管道断裂失效等严重影响效益的工程材料难题,为油气田开发提供支撑。

4.2.2.1 非API油井管适用性评价与安全使用

非API油井管种类繁多,而产品标准各异,油气田采购验收主要依据生产厂提供的技术规范,缺乏统一的基于服役工况的设计、生产制造、检测评价与现场使用标准,不仅造成油田采购管理难度大,而且往往因管柱设计和管材选用不当,导致非API油井管出现质量和安全问题,给油田造成巨大经济损失。需从油田现场需求出发,针对不同服役工况,分别研究制定统一的非API油井管标准体系,进一步规范非API油井管的生产制造和选用评价,从而保障非API油井管的安全高效使用。

4.2.2.2 套管变形和损坏预防及治理[7]

据统计,仅中石油每年因套损导致少产油达3×106t。近年来随着开采强度的提高,套损率上升趋势明显;2012年以来页岩气井的套变比例更是高达40%。工程材料研究院针对长宁、威远区块页岩气开发中的严重套变问题,初步形成了页岩气井套变控制技术,工程试验15井次,套变预防效果良好。应在前期机理研究、仿真计算、实验模拟和现场试验基础上,进一步扩大应用场景和规模,不断发展完善套变控制技术,大幅度降低套变比率。同时,持续开展套损井治理,进一步扩大聚合物改性PMC水泥、膨胀尾管悬挂小套固井、非金属复合管材复合贴堵、高效凝胶暂堵、膨胀管补贴等套损井治理新技术的推广应用,助力油气田增产增注。

4.2.2.3 集输管网泄漏防治

油气田集输管网跑冒滴漏现象时有发生,需重点开展失效分析、智能监检测、风险评估、腐蚀防护与修复补强等工作,进一步加大冶金双金属复合管、缓蚀剂、环氧套筒、非金属管穿插、管网智能检测等新产品、新技术的转化应用,解决地面集输管网泄漏、运行监测和快速修复等难题,支撑无泄漏示范区建设。

4.2.2.4 炼化设施和压力容器监检测

炼化设施和压力容器容易发生腐蚀、冲蚀和磨损,许多关键材料仍依赖进口。需在深入研究炼化设施材料、实现国产化替代的基础上,持续攻关极端环境下炼化设施和压力容器的概率风险评价技术,推广应用基于风险的检测和故障诊断等技术,在保障安全的前提下,尽量延长设施的大修周期,提升炼化企业效益。

4.2.2.5 长输油气管道失效控制及运行维护

天然气在一次能源消费中的占比将保持增长,长输管道建设方兴未艾。需围绕中俄蒙等长输管道建设,超前储备X90及以上钢级长输管道失效控制及运行维护关键技术,重点开展环焊缝断裂控制技术研究,攻克高性能焊机和焊接材料依赖进口、工艺质量不稳定、管道应力状态监测、焊接缺陷检测和容限评估技术难题,在高钢级管道建设和安全运行领域形成一批自主创新的领先科技成果。

4.2.2.6 新型非金属管研发与应用

近年来,非金属管道里程持续增长,2022年中石油非金属管道应用已超过5×104km。需围绕油气田需求,深入开展橡塑原材料和新型非金属管材的研究、开发及评价工作,制定科学合理的标准体系,扩大非金属管材及密封器件的使用范围,实现在油气混输、天然气输送以及井下等多个领域的推广。

4.2.2.7 储气库完整性技术

“十四五”期间,我国地下储气库建设加速,中石油新建储气库调峰能力超过112×108m3。针对动载荷下储气库设施失效机理认识不足、超高精度监测手段缺乏、完整性技术标准体系不健全等问题,需重点发展管柱/管道设计选材、检测与评价技术,完善气藏型和盐穴型储气库完整性技术体系,突破储气库在线智能风险预警技术,实现储气库在线智能安全评估。

4.2.3 新一代油气与新能源工程材料与技术

以人工智能、大数据、云计算等为核心的信息技术以及新能源、新材料等技术不断渗透到油气领域,需面向世界科技前沿和全球能源发展趋势,超前部署开展新一代油气与新能源工程材料与技术攻关,推动引领行业技术进步。

4.2.3.1 人工智能在油气与新能源工程材料中的应用

工程材料研究院在多年工作中,积累了海量的石油管及装备材料、服役环境和失效特征等方面的数据和资料。应挖掘和利用失效分析、质量检验、驻厂监造、现场检测等积累形成的数据资料,开发全面感知、机器算法、失效研判等技术,建成实时诊断、智联决策的数字孪生体和失效预测预警智慧化平台,实现对油田、管网和炼化管材与装备全寿命周期的失效控制、健康管理和预测性维护。

4.2.3.2 新能源材料与技术

1)纯氢/掺氢管道安全

欧美国家氢气管道里程超过4 000 km,氢气输送管道技术及标准体系比较完善,我国尚未形成系统的纯氢/掺氢管道失效控制技术及相关标准规范。建议在管道标准制定、天然气管道掺氢输送适用性评价、输氢管道失效控制及预测预防、全尺寸试验技术等方面重点攻关。

2)CO2管道安全集输

CCUS、CO2-EOR过程中,CO2管道存在腐蚀、结垢、泄漏等风险,建议开展CO2注采过程中相态变化对管柱密封性的影响规律、超临界CO2环境多因素耦合作用的损伤机制、采输管道腐蚀结垢损伤与防腐延寿技术以及超临界CO2管道应用关键技术等研究,建立CCUS注采输全过程管材腐蚀防控、超临界CO2管道选材、断裂控制以及危害评估技术体系,为CCUS、CO2-EOR等技术的实施和运行提供技术支撑。

3)氢储运设备及材料

低温液态储氢设备方面,大容积液氢球罐、罐车技术与国外存在差距,关键零部件仍依赖进口,需重点开展300 m3以上大型液氢储罐关键材料及零部件开发。高压气态储氢容器方面,日本、韩国、美国与挪威等国的Ⅳ型储氢气瓶均已量产,并将其作为氢燃料电池用车的首选储能装备,建议重点开发70 MPa Ⅳ型储氢气瓶,建立适合我国国情的氢气瓶性能指标体系,包括评价方法、评价准则以及试验验证方法等。储氢新材料方面,重点发展金属氧化物储氢材料、有机液体储氢材料和多孔吸附储氢材料等。

4)煤炭地下气化专用管材

深层UCG工况复杂,注入井需下入高强度可燃套管,为煤层的可控高效气化提供井筒环境,避免发生遇卡、汽化剂泄漏等井下复杂事故。生产井井筒温度为300～800 ℃,井口温度约200～350 ℃,存在H2S和CO2等腐蚀性气体,面临套管变形、腐蚀穿孔、井口抬升、环空带压等气化炉完整性问题。可燃套管材料和专用耐高温防腐井口装置在国内尚属空白,成为煤炭地下气化的关键瓶颈技术。

5)地热开发工具及其材料

随着地热资源开发向深层发展,地热井深度大于5 000 m、温度超过450 ℃,需研发耐高温随钻测量、完井测试和腐蚀监测工具,以及相适应的压裂工具及管材体系等。

6)天然气水合物开发管材

重点开发应用钛合金管材、新型表面涂层材料,解决大狗腿度通过以及水合物堵塞等工程难题。

7)钙钛矿太阳能电池材料

以提升光电转换效率为目标,开展新一代高效率钙钛矿/异质结太阳能叠层电池技术研究,开发新型钙钛矿薄膜材料与器件。

8)新型风机叶片

叶片是风力发电机中最基础和最关键的部件,叶片材料应密度轻且具有优异的抗疲劳性能和良好的耐腐蚀、紫外线照射和雷击性能。随着发电功率的提升,风机叶片大型化成为发展趋势。需重点研发100 m以上高强度、低密度玻璃钢或碳纤维复合材料叶片。

4.2.3.3 新型石油管及装备材料

1)高强低密石油管材

围绕超深井、水平井、大位移井等开发需求,重点研发钛合金、铝合金、镁合金以及碳纤维等具有低密度、高比强度、腐蚀速率可控和抗疲劳的高性能石油管材。

2)低成本耐腐蚀管材

重点开发应用冶金结合双金属复合管、中低Cr耐蚀合金管、新型涂镀层管材、非金属及复合材料管材等兼具良好耐蚀性和经济性的新型石油管材,低成本解决油气田腐蚀防护难题。

3)基于先进制造技术的新型石油装备材料

3D打印(增材制造)、绿色再制造等先进技术快速发展,将为石油装备的轻量化、绿色化和智能化奠定基础。重点推动增材制造技术在模具制造、复杂零部件制造、小批量生产和快速修复等领域的应用,发展高性能新型结构钢、先进复合管材、管材回收再利用技术等。

5 结束语

油气与新能源工程材料是油气田开发、炼油化工、管道储运、装备制造和新能源发展的基础和关键,本文仅粗浅地提出研究方向与重点内容,相关内容不系统、不完善,甚至不准确,意为抛砖引玉,需要同行们批评指正和完善。面对日益复杂苛刻的油气田环境和新能源发展需求,我们应坚持从国家长远需求和急迫需要出发,加强油气与新能源工程材料基础研究,着力攻克“卡脖子”和应用关键核心技术,超前储备发展第一代新材料新技术,加快油气与新能源工程材料高水平科技自立自强,为保障国家能源安全、建设制造强国和能源强国贡献科技力量。