高酸性气田用镍基耐蚀合金G-3油管的研究

论文摘要

本文针对高酸性气田用镍基耐蚀合金G-3油管的开发与试制中的关键技术进行了探索和研究。G-3合金高温热塑性较差、易变形区间窄,因此无法采用常规热穿孔工艺生产,G-3无缝管材只有通过热挤压工艺途径来制造。本文G-3油管的试制采用:G-3合金成分优化→实验室试验→耐蚀性评估→离心浇铸→锻坯工艺→热挤压工艺→冷加工工艺等先理论后实践的方式。本文的研究成果进一步充实和完善了G-3合金基础数据,为G-3无缝管材的国产化填补国内空白做好理论基础和工业化试制工作。在搜查了相关国内外的文献,总结了国内外镍基耐蚀合金的研究现状基础上,主要进行了以下研究:（1）G-3合金成分设计及其优化,热模拟试验及敏化试验研究耐蚀合金G-3高温热塑性特性,探索其与变形速率、变形温度之间存在的关系并分析高温变形过程中的组织及析出相变化的规律及其影响机制。在热力学平衡相计算（Thermo-Calc）及X射线衍射（XRD）分析的基础上,采用扫描电镜（SEM）、透射电镜（TEM）分析了析出相变化的规律及其影响机制,从而为工业化生产中挤压工艺、热处理工艺等提供理论依据和技术支撑。（2）利用冷加工及力学性能试验研究合金的冷加工特性,探索荒管的冷加工变形量与强度之间的变化规律,为生产光管的冷加工工艺提供合理的参考数据。（3）光管综合性能评估。得到如下结论:（1）G-3合金高温变性抗力大、易成形区间窄,热塑性随着应变速率的增加而降低,最大变形抗力随着应变速率的增加而增加。G-3合金在合适的变形条件下,发生动态再结晶,变形过程中晶粒度仅与温度补偿系数z有关,随着z值的增大而减小。（2）合金元素Cr、Mo、W等增加有利于耐腐蚀,但是也易促进脆性相的析出和沉淀。G-3合金低温区域晶界及晶内有大量析出相（脆化相）,主要为碳化物M23C6及金属间化合物σ相,严重影响合金的热塑性及耐蚀性。随着温度升高,析出相逐渐溶解,M23C6随温度变化减少较快,其中还可能存在M23C6向σ相转化,约到1150℃全部溶解。高温区晶粒长大是影响合金热塑性的主要原因,温度从1050℃升高到1220℃,晶粒增大了近5倍。（3）基本掌握了合金的热变形温度区及热变形特性后,进行冷加工试验及室温拉伸试验,探索不同变形量下的冷加工硬化规律。在1140℃保温40min固溶处理得到的奥氏体晶粒均匀,经冷加工、回复-再结晶后易得到高强度、高塑性、晶粒细化的油井管。生产110ksi级油管采用冷加工变形量27～30%为宜,生产125ksi级油管冷加工率采用35～38%为宜。（4）参照API Spee 5CT《套管和油管规范》及相关标准对试制的Φ88.9×6.45mm光管进行了综合性能特别是耐蚀性检测评估,结果表明试制光管性能符合标准要求,即采用离心浇铸→挤压→冷轧方式的G-3油管试制成功。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 选题背景
• 1.2 国内外研究现状和发展趋势
• 1.2.1 国内高酸性气田用材的防腐措施
• 1.2.2 国外研究现状及发展趋势
• 1.3 高酸性气田用材的腐蚀与防护
• 2腐蚀及防护'>1.3.1 CO₂腐蚀及防护
• 2S腐蚀及防护'>1.3.2 H₂S腐蚀及防护
• 2S/CO₂共存条件下的腐蚀及防护'>1.3.3 H₂S/CO₂共存条件下的腐蚀及防护
• 1.4 高酸性气田用镍基耐蚀合金的发展
• 1.4.1 油井管简介
• 1.4.2 我国油井管的发展历程回顾
• 1.4.3 镍基耐蚀合金油井管的发展
• 1.4.4 镍基耐蚀合金的合金化原理
• 1.4.5 镍基耐蚀合金发展举例
• 1.4.6 G-3合金的发展
• 1.5 本文研究的意义及主要内容
• 1.5.1 研究意义
• 1.5.2 课题主要研究内容
• 第二章 试验材料和试验方法
• 2.1 试验材料
• 2.2 试验方法
• 2.2.1 热模拟试验
• 2.2.2 热处理试验
• 2.2.3 常规力学性能试验
• 2.2.3.1 室温拉伸试验
• 2.2.3.2 室温冲击试验
• 2.2.4 硬度测量
• 2.2.5 显微组织观察分析
• 2.2.6 化学定性相分析
• 2.2.7 平衡相转变的热力学计算
• 2.2.8 腐蚀试验
• 2.2.8.1 中性盐雾试验
• 3腐蚀试验'>2.2.8.2 FeCl₃腐蚀试验
• 2.2.8.3 电化学腐蚀试验
• 2.3 本章小结
• 第三章 G-3合金高温热塑性的探讨
• 3.1 引言
• 3.2 试验内容与方法
• 3.3 试验结果
• 3.3.1 应力─应变曲线
• 3.3.2 最大变形抗力
• 3.3.3 断面收缩率
• 3.3.4 高温变形中的组织变化
• 3.4 讨论与分析
• 3.4.1 再结晶的探讨
• 3.4.2 G-3合金的热塑性特性
• 3.5 本章小结
• 第四章 探索G-3合金溶解及其析出特性
• 4.1 引言
• 4.2 试验内容与方法
• 4.3 试验结果与分析
• 4.3.1 化学定性相分析
• 4.3.2 热力学计算和分析
• 4.3.3 SEM显微组织及能谱成分分析
• 4.3.4 TEM显微组织及电子衍射分析
• 4.4 本章小结
• 第五章 G-3合金的冷加工特性
• 5.1 引言
• 5.2 试验内容与方法
• 5.3 试验结果与分析
• 5.3.1 低倍检验
• 5.3.2 非金属夹杂物评定
• 5.3.3 荒管原始组织形貌
• 5.3.4 固溶处理对荒管组织的影响
• 5.3.5 冷加工率对力学性能的影响
• 5.4 本章小结
• 第六章 G-3合金耐蚀性研究及光管综合性能评价
• 6.1 引言
• 6.2 试验内容及方法
• 6.3 试验结果与分析
• 6.3.1 盐雾试验
• 3腐蚀试验'>6.3.2 FeCl₃腐蚀试验
• 6.3.3 电化学腐蚀试验
• 6.3.4 光管综合性能评估
• 6.4 本章小结
• 第七章 结论
• 致谢
• 参考文献
• 附录 A 攻读学位期间所承担的科研任务与发表的文章