一、研究的背景與問題
油氣被稱為“國民經(jīng)濟的血液”，是重要的戰(zhàn)略資源。但我國油氣對外依賴超過70%。為提高我國油氣供應安全，除大力開發(fā)常規(guī)油氣外，也高度重視深地、深水及非常規(guī)油氣開發(fā)，根據(jù)“十四五”規(guī)劃，我國新增產(chǎn)能的50%將來自非常規(guī)油氣。我國已經(jīng)形成了較完善的油氣鉆采裝備制造體系，油氣鉆采裝備雖取得進步，但相比歐美國家，基礎(chǔ)仍然薄弱，鉆采裝備及技術(shù)仍存在較大差距。因此，《中國制造2025》和《面向2035的新材料強國戰(zhàn)略》均提出，要重點攻關(guān)非常規(guī)油氣資源勘探、鉆采成套技術(shù)裝備，解決裝備瓶頸難題。
國際油氣開采認可的深水是水深300m，我國水深300m以上海域約153萬平方公里，大部分尚未被勘探。由于深水環(huán)境復雜多變、水壓大、腐蝕強，深水裝備性能要求高，我國深水鉆采關(guān)鍵裝備依賴進口，深水采油樹嚴重依賴進口（基本被FMC、GE、SLB等壟斷）。此外，隨著陸上油氣井深度的增加，不但面臨高溫、高壓，還面臨著強H2S/CO2腐蝕。鋼鐵作為油氣鉆采設備關(guān)鍵材料，在高強韌、高耐腐蝕性及疲勞性能均提出更高要求。油氣鉆采用鋼的高性能化不足是我國未能實現(xiàn)深地、深水油氣鉆采裝備完全自主可控的關(guān)鍵制約因素。
二、解決問題的思路與技術(shù)方案
本項目以改善深地、深水油氣鉆采裝備用鋼的服役性能、提升油氣鉆采用鋼腐蝕疲勞壽命為目的，以解決影響油氣鉆采用鋼應力腐蝕疲勞壽命關(guān)鍵材料及冶金問題為切入點，通過油氣鉆采用鋼強韌性控制、應力腐蝕疲勞控制、超高純凈度及超低氧控制、夾雜物變性控制、連鑄及連鑄連軋材低偏析、低疏松控制、大鍛件鍛造及熱處理工藝創(chuàng)新等一系列關(guān)鍵工藝技術(shù)攻關(guān)，開發(fā)出滿足深海及深層油氣開采用高性能鋼系列產(chǎn)品。通過以上技術(shù)的開發(fā)，突破了制約油氣鉆采用鋼應力腐蝕疲勞性能的技術(shù)瓶頸，為我國高性能油氣鉆采裝備用鋼的發(fā)展提供核心技術(shù)的支持，從而推動了我國深地、深水油氣鉆采裝備關(guān)鍵零部件的國產(chǎn)化。
三、主要創(chuàng)新性成果
1、自主研發(fā)出高強韌與高耐應力腐蝕疲勞油氣鉆采用鋼系列產(chǎn)品
基于中高合金鋼，首次提出大角度晶界和位錯密度是影響腐蝕疲勞性能的關(guān)鍵控制因素，通過多元復合微合金化及熱處理工藝創(chuàng)新，降低了固溶強化作用，細化晶粒度，提高氫陷阱量，降低位錯密度，實現(xiàn)了高密度大角度晶界與低位錯密度共存，成功開發(fā)出高強韌、高耐應力腐蝕疲勞油氣鉆采用鋼系列產(chǎn)品，從而實現(xiàn)了油氣鉆采用鋼強度、韌性的合理匹配，并具有高的應力腐蝕疲勞性能，產(chǎn)品的強度比要求提高100MPa以上，-60℃低溫沖擊大于170J，應力腐蝕強度≥0.85RP0.2MPa，達到國際領(lǐng)先水平。
2、自主研發(fā)出油氣鉆采用鋼夾雜物精準改質(zhì)與超純凈控制技術(shù)
采用出鋼Al含量一步調(diào)整到位、LF高堿度、強化渣面脫氧處理，并通過強化RH鋼水循環(huán)、流動、混合促進微小夾雜物碰撞和去除后，針對RH破空后高純凈鋼水進行精準Ca處理及稀土處理，從而實現(xiàn)油氣鉆采用鋼高純凈度控制的同時，實現(xiàn)夾雜物的長寬比進一步縮小、夾雜長寬比1-3占比達97.1%、DS類非金屬夾≤1.0級。
3、自主研發(fā)出油氣鉆采關(guān)鍵部件高致密度、高均質(zhì)化控制技術(shù)
針對亞包晶中高合金鋼大規(guī)格連鑄坯中心存在裂紋、縮孔等缺陷，不能滿足高性能油氣實心件需要的問題，通過數(shù)字模擬建立鑄坯直徑、過熱度、拉速、電攪參數(shù)之間的多元耦合關(guān)系，驗證了亞包晶高合金鋼連鑄關(guān)鍵影響因素。通過20℃-30℃恒過熱度控制、低速恒定拉速控制、高強度鑄流電磁攪拌等解決了這一長期影響高合金大規(guī)格特殊鋼鑄坯的中心質(zhì)量問題。實現(xiàn)了高合金鋼大直徑(maxφ1200mm)圓坯中心無裂紋及縮孔，截面碳偏析指數(shù)≤1.07%，產(chǎn)品成功替代鋼錠制造實心鍛件；開發(fā)了單道次大變形高致密度軋制技術(shù)，實現(xiàn)了大直徑(φ320mm)熱軋圓鋼替代模鑄+鍛造工藝；首創(chuàng)了大直徑連鑄圓坯兩端壓實整體大變形等高致密度、高均質(zhì)化系列鍛造技術(shù)，實現(xiàn)了大鍛件芯部無缺陷，鍛件探傷質(zhì)量達到國標和歐標最高要求。
四、應用情況與效果
通過本項目的開發(fā)研究，形成了一整套高性能油氣鉆采用鋼冶金工藝關(guān)鍵技術(shù)，包括：油氣鉆采用鋼成分體系及組織調(diào)控、夾雜物精準改質(zhì)與超純凈控制技術(shù)、油氣鉆采關(guān)鍵部件高致密度、高均質(zhì)化控制技術(shù)。開發(fā)產(chǎn)品應用于井口裝置、壓裂裝置、高強鉆具等，產(chǎn)品達到國際領(lǐng)先水平。
開發(fā)的油氣鉆采用中高合金連鑄圓坯產(chǎn)品成功替代3—30噸鋼錠，替代電渣錠制造實心鍛件；連鑄工藝深海采油樹用鋼實現(xiàn)了進口替代，產(chǎn)品還出口到國際知名油服公司中海油、FMC、SLB、BakerHughes、Cameron、GE等。大功率壓裂裝置承壓達140MPa，應用到電驅(qū)壓力泵；高強鉆具強度超過1000MPa，應用到亞洲第一深井鉆探。
項目研究形成了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的油氣鉆采用鋼及裝備制造等系列關(guān)鍵工藝技術(shù)，整體具有國際先進水平，部分達到國際領(lǐng)先水平。
信息來源：馬鞍山鋼鐵股份有限公司
