应对油气开采环境变化 开发优良性能合金

随着经济的发展和人民生活水平的提高，能源需求在不断增长，石油、天然气在世界一次能源消费构成中仍将占主导地位。钻采石油、天然气时，除需要钻探机械设备外，还需要专用管材，即钻柱、套管、油管等，统称为油井管。目前油气田的开采环境具有特殊性，主要表现为：油井深度增加；随着油井深度的增加，油气埋藏压力和温度也大大增加；油气开采环境的腐蚀性高。

长期以来，油井管选材主要有13Cr、22Cr、25Cr、316不锈钢等。这几种不锈钢强度高，同时含有较高的Cr含量，在合金表面容易形成一层致密的三氧化二铬钝化膜，能有效抵抗二氧化碳的腐蚀，且随着Cr含量的增加，抗二氧化碳腐蚀的能力逐渐增强。但是随着埋藏很深的高酸性油气田的逐渐发现和开采，开采环境中硫化氢、二氧化碳含量很高，常用的不锈钢管材已无法满足开采需求。为适应更严峻的油气开采环境，高合金化的镍基耐蚀合金逐渐应用于油井管中。G-3合金是镍基耐蚀合金的一种，具有优良的抗氧化和大气腐蚀能力、抗应力腐蚀开裂能力，同时具有较高的抗局部腐蚀（点蚀、缝隙腐蚀）能力。在高温、高酸性油气开采中，它已成为油井管的主要选材之一。

G-3合金主要组成元素

G-3合金是一种含Mo、Cu的Ni-Cr-Fe耐蚀合金。Ni是铁磁性金属，属于重有色金属，具有较高的强度和延性，其标准电极电位（-0.25V）比氢的标准电极电位（0V）低，所以在腐蚀环境中比较稳定，不会逸出氢。由于镍具有显著的钝化倾向，纯镍本身就具有良好的耐蚀性，在稀的非氧化性酸，特别是在中性和碱性溶液中，腐蚀过程明显较慢。此外，Ni可以固溶大量的Cr、Cu、Mo等元素，因此Ni是高性能耐蚀合金的重要基体。

Cr的标准电极电位比Ni更低，比Ni更容易钝化，它能赋予合金在氧化性介质中的抗腐蚀能力，以及高温下的抗氧化、抗硫化能力。合金中加入Cr元素后，在表面形成三氧化二铬薄膜，从而能提高合金的抗氧化和抗腐蚀能力。

Mo的加入能显著提高合金在还原性介质（如盐酸、硫酸）中的耐蚀性。此外，Mo的加入还能显著提高合金抗局部腐蚀（如点蚀和缝隙腐蚀）和耐氯化物晶间腐蚀的能力。因此，在合金中同时加入Cr、Mo元素，可同时改善合金在氧化性介质和还原性介质中的耐蚀性能，提高合金的抗局部腐蚀能力。

Cu的加入主要是提高合金在还原性介质中的耐蚀性，使合金在流动性海水、盐水、含氢氟酸的溶液中耐蚀性能更出众。W的作用类似于Mo的作用，它的加入可以进一步增强合金的抗局部腐蚀能力。Fe对合金的耐蚀性无显著作用，主要改善合金元素与基体的相容性。同时由于Fe价格低廉，它的加入可以节约其他昂贵的合金元素，从而降低合金的成本。

G-3合金管材生产工艺

热轧成型和热挤压成型是目前生产无缝管材的两种主要方法。常用的轧管技术主要是二辊斜轧成型，圆形坯料在轧辊摩擦力的带动下沿轧制轴线螺旋前进，当坯料遇到顶头后，在轧辊、顶头和导板组成的区域内被轧制成空心管材。但是斜轧穿孔时，在轧辊循环应力作用下，圆形坯料中心在咬入到顶头之间形成疏松，进而形成放射状的裂纹，随着压缩变形量的增加，裂纹不断延伸，最后形成不规则的纵向孔洞。斜轧穿孔时，管材受力状态为一压二拉，管坯受力较为恶劣。

热挤压技术是一种将金属在再结晶温度以上进行挤压，使管坯从模孔挤出，得到模孔形状断面管材的金属成型方法。热挤压过程中，管坯是在三向压应力状态下变形的，不但解决了难变形钢种的钢管成型问题，而且可以避免由张应力引起的荒管内外表面缺陷。因此，热挤压成型特别适用于不锈钢、高强度钢、镍基合金等管材的成型。

G-3合金高温塑性差，热成型温度范围窄，变形抗力较大，在1150℃～1220℃左右时，合金的热塑性最好，因此G-3合金管材生产主要采用热挤压工艺成型。坯料在挤压筒中的热变形是热挤压成型中的关键技术，也是G-3合金管材生产的瓶颈。由于热挤压变形是在高温高压下进行，采用实验的方法研究合金的热变形规律既浪费时间，又耗费财力。随着计算机技术的飞速发展，采用数值模拟技术可以有效地研究合金的热挤压变形规律。

G-3合金管材研究方向

镍基耐蚀合金油井管具有高合金化、制造工艺复杂、生产难度大、质量要求严格等特点，是钢铁生产技术含量最高的产品之一。目前主要有美国的海恩斯（Haynes）公司、美国特殊钢公司、日本住友金属公司、德国瓦卢瑞克曼内斯曼（V＆M）公司研究和生产G-3合金。这些公司对G-3合金的研究较早，具有多年的开发和生产经验。有关人员对G-3合金在腐蚀环境下的耐蚀性能进行了研究，研究结果表明，冷加工强化型的镍基耐蚀合金中，G-3合金的耐蚀性能优良。但是今后G-3合金要广泛应用，还有一些方面要继续研究。

冶炼工艺。G-3合金组织单一、合金化元素多、冶炼工艺比较复杂（电弧炉冶炼+氩氧脱碳+二次重熔），原始铸锭的成分和质量对合金组织、热变形行为、耐腐蚀性能具有决定作用。因此，如何提高冶炼工艺水平，严格控制合金元素的含量，获得低偏析、高质量的铸锭是该合金生产中的首要研究重点。此外，降低合金的冶炼成本也是冶炼环节的一个研究方面。

管材成型技术。由于G-3合金高温强度大，高温塑性差，管材生产主要采用热挤压成型。G-3合金的相组成、晶粒度变化和热挤压模具的使用寿命主要取决于热挤压成型工艺。因此必须研究热挤压温度区间合金的热变形特性、相组织变化规律和挤压模具的磨损行为，制定合理的热挤压工艺制度，严格控制热挤压成型过程中碳化物的析出和动态再结晶行为，确保管材的成型性，延长模具的使用寿命。G-3合金不是时效强化型镍基合金，因此生产高强度管材时，热挤压成型后还须进一步冷加工强化，管材的力学性能取决于冷加工制度。因此，管材的冷、热加工成型工艺研究是G-3合金管材的又一个研究重点。

耐腐蚀性能的研究。G-3合金管材在模拟开采环境下的耐腐蚀性能研究是该合金的第三个研究重点。只有在模拟开采环境下对G-3合金腐蚀行为进行研究，才能正确认识G-3合金钝化膜的破坏机理和二氧化碳、硫化氢分压、pH值和温度对其耐蚀性能的影响规律，为G-3合金管材在高温、高酸性腐蚀环境下的正确使用提供理论依据。（来源：中国冶金报）