水下阀门的材料要求及选择
李树林1 周思柱2
( 1.苏州道森钻采设备股份有限公司2.长江大学机械工程学院)

摘要: 深海开采油气是未来资源开发的发展趋势，水下阀门是水下采油树及水下管汇设备的关键部件，材料选择是水下阀门设计的重要方面。介绍了相关设计规范对水下阀门材料选择的基本要求和各类材料特性，根据相关设计规范的规定，总结出了水下阀门材料选择时需要考虑的因素，同时对水下阀门的材料选择提出了建议。得到的结论可为水下阀门的设计提供依据，并对国内水下油气开采设备的自主研发具有一定的指导作用。

关键词: 水下阀门; 水下管汇; 采油树; 材料选择; 材料特性; 设计规范

0 引言
我国在海洋水下装备的研究和开发方面起步比较晚，目前国内还没有水下井口装置及采油树等成套设备的规模生产能力，我国海洋水下油气开采设备主要从Cameron 和FMC 等国外公司进口。水下井口装置及采油树设备的自主研发和制造是我国海洋油气产业发展的必经之路。水下阀门( 主要为闸阀和球阀) 是水下采油树及水下管汇的关键部件，在水下采油设备中发挥着重要作用。随着采油树向深海发展，对水下阀门的材料和性能提出了极高的要求。笔者根据水下阀门研发的实际，就水下阀门设计研发过程中材料要求及选择进行介绍。

1 选择水下阀门材料需要考虑的因素

目前，海洋及水下油气开采设备用阀门的材料选择主要依据如下标准:( 1) API 17D 水下生产系统的设计与操作第4部分: 水下井口装置和采油树设备;

( 2) API 6A 井口装置和采油树设备;

( 3) M － 001 材料选择( NORSOK 规范);4) NACE MR0175 石油天然气工业———油气生产中含硫化氢环境下使用的材料。

API 6A［1］及API 17D［2］规范对水下阀门用材料提出了具体要求，如强度、冲击、试验及质量控制要求。在具体应用时，需要根据设备的压力等级确定材料的强度等级，例如: 对于法兰和端部连接装置，压力等级为70 MPa 的设备应选用最小屈服强度为420 MPa 的材料，压力等级超过70 MPa 的设备应选用最小屈服强度为525 MPa 的材料。NACE MR0175［3］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，如: 规定低合金材料的最高硬度不能超过22 HRC; 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、淬火+ 回火) 等提出了具体要求。NORSORK M －001［4］规范基于PED 指令( 承压设备指令) 的风险控制准则及PRE ( 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。水下采油设备用材料主要面临3 大挑战: H2S腐蚀、CO2腐蚀及Cl － 腐蚀。随着深水钻井技术的发展，水下采油设备还需要能满足油井除蜡、防沥青、防水合物和防结垢等工艺而添加的各种化学试剂引起的腐蚀，这些化学试剂会给金属和非金属材料带来各种不利影响，各种因素组合在一起，要求水下采油设备用材料能同时满足生产流体、环空介质以及注入的化学试剂的综合影响，同时，阴极保护引起的氢脆也应进行考虑。基于以上方面，水下阀门的材料选择面临特殊挑战，在选择水下阀门材料时，应考虑以下因素:

(1) 与阀门内件接触的生产流体的化学组分;

(2) 工作压力与使用温度范围;

(3) 不同金属材料接触引起的电流作用;

(4) 在密封面和法兰面之间引起的缝隙腐蚀;

 (5) 非金属材料的适用温度和耐化学性能;

(6) 材料的阴极保护;

(7) 表面涂层;

 (8) 材料的可焊性及堆焊性能;

(9) 材料与注入介质的兼容性;

(10) 材料的可获得性及成本;

(11) 有相互运动的零件应考虑材料耐磨性。

2 各类材料特性

根据水下阀门的使用要求及各类材料特性，水下阀门主要使用以下几类材料: 碳钢及低合金钢、马氏体不锈钢、奥氏体不锈钢、双相不锈钢、镍基合金以及非金属密封件。

2.1 碳钢碳钢

非常容易受到内部和外部流体介质的腐蚀，在存在游离水的环境下，CO2能快速腐蚀碳钢。碳钢用于水下设备材料的可行性主要根据对CO2露点的严格控制以及材料在较低的设计温度下抵抗变形的能力。碳钢焊缝的热影响区对材料性能( 如硬度和强度) 存在风险影响，碳钢焊缝周围的热影响区可能具有更低的抗CO2腐蚀能力，因此，碳钢不能用于存在CO2腐蚀的水下设备。2

2.2 低合金钢
用于水下阀门的低合金钢材料主要有AISI 4130、AISI 8630、F22 ( UNS K21590 ) 或F22V( UNS K31835) ，这些材料能够通过调质热处理获得较高的综合力学性能，一般能达到API 6A 规范规定的60K 材料性能要求并具有较好的低温冲击性能。在较低的CO2环境下( CO2分压≤0.21MPa) 材料有一定的抗腐蚀能力。由于碳的质量分数不高( 一般为0.35%以下) ，所以能作为承压件基体材料，采用热丝TIG 焊接工艺在基体材料上堆焊耐腐蚀合金材料，用于制造适用于高H2S 腐蚀、CO2腐蚀及Cl － 腐蚀环境的水下阀门。

2.3 不锈钢

用于水下阀门的不锈钢材料主要有马氏体不锈钢( 如410SS、F6NM) 、300 系列奥氏体不锈钢( 如304SS，316SS) 、沉淀硬化不锈钢( 如17 －4PH) 以及双相不锈钢( 如2205、2507) 等。各类不锈钢材料特性如下。

410 不锈钢在CO2
腐蚀环境下具有良好的抗腐蚀能力，在－ 18 ℃ 以下的温度环境下韧度较低，能满足API 6A 规范－ 18 ℃的低温冲击及PSL － 3级别设备的性能要求。对密封表面有严格要求时，需要在表面堆焊Inconel－625 合金。

F6NM 与410SS 相比，具有更高的抗腐蚀及点蚀能力，具有良好的可焊接性能、耐低温冲击性能及高淬透性，能满足API 6A 规范－46℃的低温冲击要求。其缺点是锻造工艺性不好，锻造时存在较高的变形抗力，容易出现锻造裂纹。对密封表面有严格要求时，需要在表面堆焊Inconel － 625 合金。

17 － 4PH 是由铜、铌/钶构成的沉淀硬化马氏体不锈钢，具有高强度、硬度和抗腐蚀等特性，经过固溶时效热处理后，产品的力学性能更加完善，可以达到724 MPa 以上的屈服强度，能满足API6A 规范－ 60 ℃的低温冲击要求，其抗腐蚀能力可达304 不锈钢水平。根据NACE MR0175 的规定，17 － 4PH 用于阀杆及悬挂器材料时，只能用于H2S分压≤3.5 kPa 的使用环境。

双相不锈钢是用于水下设备的双相不锈钢，主要有UNS 31803 ( 2205) 及UNS 32750 ( 2507) ，这2 种不锈钢具有良好的抗腐蚀能力，可用于大多数的生产流体和80 ℃以上的氯化物应力腐蚀环境。UNS 31803 及UNS 32750 双相不锈钢具有抗氢致裂纹( HIC) 的能力，材料的最低设计温度可达－ 50℃。UNS 31803 不锈钢具有良好的焊接性能，但UNS 32750 的可焊性能较差。在实际应用中，大截面双相不锈钢零件应进行正确的固溶时效热处理，以获得符合要求的铁素体-奥氏体平衡相。双相不锈钢的抗点蚀当量( PRE) 一般应大于40，反之，则只能用于制造薄壁零件。

2.4 镍基合金

当水下阀门的使用环境超过碳钢、13Cr 不锈钢和双相不锈钢的抗腐蚀能力时，应选用各类镍基合金作为阀门与流体介质接触部件的材料。常用于水下阀门的镍基合金材料主要有Inconel － 625、Inconel－ 718、Inconel － 725、Inconel － 925 以及MonelK － 500 合金。镍基合金具有优良的抗腐蚀性能，可耐各种腐蚀流体介质，缺点是机械加工难度大、价格昂贵、在时效状态下焊接性能差。当用于密封面材料时，不需要堆焊其他耐腐蚀合金。一般情况下，镍基合金主要用于制造符合API 6A 及API 17D 规范的HH 级井口装置和采油树零部件。