水下生产设施用Inconel 625技术要求的构建

石磊，姜瑛，张飞，王长涛，何宁强，张永生

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

随着我国油气资源的开发逐步走向深水和边际油气田，水下生产系统将是今后海洋油气开发生产的关键[1]。水下的特殊环境，如介质、高压、风浪、水流和海水腐蚀以及20年甚至更长时间的免维护等条件决定了水下生产设施材料的高技术需要。Inconel 625镍基合金因具有优良的耐高温性能和耐蚀性，能满足高含硫石油和天然气的耐腐蚀要求[2]。水下生产设施的选材与防腐设计时，通常先在API 17D[3](5.1.1.4节表1)中选择适当的材料类别，也应符合API 6A[4]对材料的相关要求。总体而言，对于金属材料包括碳钢和低合金钢、不锈钢(奥氏体，马氏体，沉淀强化钢等)、镍基合金、铍铜合金等的选择需考虑特定使用环境[5]。参考以往水下油气开发工程项目的经验，一般在水下设施与流体润湿部位堆焊镍基合金来抵抗碳钢和低合金钢的内腐蚀，而对于一些尺寸比较小(通常≤2 in)的锻件或者管道，如果采用在碳钢材料表面进行堆焊的方式，焊接操作比较困难，且价格方面没有明显优势，这时可以选用Inconel 625纯材。为此，探讨分析水下生产设施用耐腐蚀合金Inconel 625的化学成分、机械性能及堆焊后的焊缝检验、硬度测试等技术要求。

1 Inconel 625管道技术要求

1.1 化学成分要求

Inconel 625纯材的原材料选用ASTM B564[6]N06625锻件或ASTM B444[7]N06625 Gr.1钢管，材料化学成分参考表1。应以炉号为基础。在化学分析时允许存在残留/微量元素，但残留/微量元素不可对合金的熔炼或力学性能产生有害影响。

表1 化学成分要求

1.2 力学性能要求

1)拉伸试验。要求用一个拉伸试棒进行试验，其力学性能应满足表2的要求。

表2 机械性能要求

2)硬度要求。每件产品热处理后应进行硬度试验，最小硬度值为179 HBW，最大硬度值为320 HBW。夏比V形缺口冲击试验，要求每组3个冲击试样，冲击值应当满足表3的要求。

表3 冲击值要求

冲击试验必须在上述指定温度或者低于上述指定温度下进行，10 mm×10 mm冲击试样只允许有1个试验结果可以小于最小平均值。API 6A要求的PSL 4等级只允许使用10 mm×10 mm冲击试样。冲击试验可采用横向或纵向，如果做纵向冲击试验，应由材料供应商在材料测试报告上注明。

1.3 生产过程要求

1)成型要求。Inconel 625锻件和管材根据ASTM B564要求进行成型，经过成型后，管件需要进行退火处理。

2)力学性能测试。①测试频率，管件产品需要同炉同热处理炉，同尺寸规格等级取1件延长件或破坏件；②化学分析,所有管件化学成分需要满足，每冶炼炉进行一次化学分析；③拉伸试验，见1.2节相关要求。

3)无损检测。①表面检测，所有管件需要依据ASTM B366/B366M[8]进行表面检测；②渗透检测，所有管件最终机加工后，需要根据ASTM E165/E165M[9]进行渗透探伤；③超声检测，所有管件经过最终热处理后，需要根据ASTM A388/A388M[10]进行超声探伤。

4)材料识别检测。管件应抽取10%进行PMI检测，所有管件需要进行最终的尺寸检测，管件产品需要提供由权威第三方机构签发的EN10204 3.2证书。

2 Inconel 625堆焊技术要求

水下生产设施中的通常采用将耐腐蚀性合金钢材料Inconel 625直接与碳钢管材料结合，形成耐蚀冶金复合管。

2.1 碳钢母材技术要求

碳钢管道应满足API 5L[11]X65和API 5LD[12]的相关技术要求，碳钢锻件应满足DNVGL-RP-0034[13]和ASTM A694/A694M[14]F65的技术要求。

2.2 堆焊技术要求

Inconel 625堆焊应满足以下技术要求：①堆焊应满足API 17D和API 6A的相关要求；②Inconel 625堆焊层的最小厚度为3 mm；③Inconel 625至少应堆焊2层；④堆焊层在机加工后应满足管道内径和公差的要求；⑤熔合线到CRA表面2 mm处的铁含量应小于5%；⑥焊接工艺规范(WPS)应由客户批准。

2.3 焊缝检验要求

堆焊焊缝应进行腐蚀试验，并作为焊接工艺认证记录的一部分。腐蚀试验方法为ASTM G48[15]方法A和ASTM G28[16]方法A。ASTM G48方法A要求在50°C下放置24 h，最大允许失重4.0 g/m2。ASTM G28方法A要求测试时间120 h，CRA层和焊缝的验收标准应为腐蚀速率小于0.9 mm/年。应按照ASME IX[17](第四章QW 404.5)的要求进行化学成分分析，分析结果应符合表1的规定，但Fe含量应小于8.5%。

2.4 硬度测试要求

应按照API 6A中的规定对堆焊试样进行硬度测试，热影响区的最大硬度为235HV10，碳钢母材的硬度应不受影响。堆焊层的硬度测试应按照最新版的ASTM E18[18]进行，堆焊层的硬度应符合ANSI/NACE MR0175的要求，且不得超过310HV10。所有堆焊层都应按照ASTM E165进行着色渗透检验，不允许表面不连续。

3 应用分析

3.1 PLET工艺方案介绍

我国南海某深水气田开发项目，新建了一台海底管线终端设备(PLET)，设计水深为1 200 m，设计压力为29.4 MPaG(at-1 450 m)，设计温度为-29～80 ℃，管道仪表布置原理见图1。

图1 管道仪表布置原理示意

PLET的主管尺寸为8 in，主管上设置有2台ROV操作的水下球阀，三通左侧的阀门处于常开状态，三通右侧的阀门处于常闭状态。主管左端通过锚固件与海底管道焊接，右端设置水下连接器和长期压力帽，可以与水下接收/发射清管球装置(PLR)连接，从而实现对PLET及预期连接海底管道的清管、测径和试压。8 in支管通过水下三通与主管连接，支管的另一端通过水下连接器与水下管汇连接，将流体输送到水下管汇。根据工艺要求，在PLET上还设置了1根2-1/16 in的放空管道(也可用于临时解堵)，该放空管道通过管座与8 in主管连接。

3.2 PLET材料选择方案

本项目采用水下生产系统进行开发，物流介质为油气水三相，水下生产系统中气相CO2含量约为2.66 mol%。根据生产预测，含水量很小，水下生产设施及跨接管道内流体扰动程度严重，不利于缓蚀剂成膜，缓蚀剂添加效率按照80%考虑。按照20年设计年限，根据腐蚀预测结果，同时考虑水下设施维修难度大，费用高，推荐水下生产系统管道材料采用碳钢内衬Inconel 625的方案。

根据上述分析，该PLET的8 in主管和支管材料选择为API 5L X65+3 mm Inconel 625，三通材料选择为ASTM A694F65+3 mm Inconel 625。主管和支管上的水下阀门和水下连接器的材料等级均为API 17D要求的HH级，与流体接处的地方均需要内衬厚度为3 mm的Inconel 625。水下阀门的堆焊见图2，阀体、阀盖、球体和袖管等部件与流体接触的地方均需要堆焊厚度为3 mm的Inconel 625。放空管道的尺寸为2-1/16 in，由于尺寸较小，堆焊没有价格优势，因此材料选择Inconel 625纯材的管道。放空管道与主管连接的管座采用Inconel 625纯材锻件。

图2 水下阀门堆焊示意

3.3 Inconel 625管座焊接方案分析

Inconel 625管座与8 in冶金复合管主管的焊接和检验是难点。为了保证焊接质量，预设如图3所示的2种焊接方案，进行试验对比分析。

图3 管座焊接方案

方案1是根据管座的尺寸，先在8 in冶金复合主管上钻孔，然后在开孔处和管道外表面进行堆焊，最后再与管座进行对接焊。

方案2也是根据管座的尺寸，先在8 in冶金复合主管上钻孔，然后在开孔处的管道外表面打坡口，在坡口和管道露出的碳钢表面进行堆焊，最后进行管座的对接焊。

两种焊接方案的焊材均采用ERNiCrMo-3，焊接方式均为氩弧焊，在管座对接焊的第一层和最后一层进行PT检验，并在中间焊接层增加了2次PT检验，焊后将RT作为辅助检验，无损检验结果均合格，焊缝理化检验结果见表4。

表4 焊缝检验结果

焊接完成后还需要按照相关规范的要求，通过水压试验来对焊缝质量进行验证。

由表4可见，方案1和方案2的试验结果均满足规范要求，因此从技术方面评估，两个方案均可行。具体选择哪个方案，应根据制造现场的条件进行选择。由于管座焊接后无法进行RT检验，水下生产设施长期在海底服役，且一般要求20年甚至更长时间免维护的要求，因此还是存在一定的风险。建议类似工况选用非标的锻件三通来实现大尺寸管道与小尺寸管道的连接，便于通过RT对焊缝质量进行检验，从技术上减少后期的腐蚀和泄露风险。

4 结论

1)Inconel 625纯材的原材料可选用ASTM B564 N06625锻件或ASTM B444 N06625 Gr.1钢管。

2)Inconel 625管件需要根据ASTM B366/B366M进行表面检测，根据ASTM E165/E165M进行渗透探伤，根据ASTM A388/A388M进行超声探伤，并抽取10%进行PMI检测。管件产品需要提供由权威第三方机构签发的EN10204 3.2证书。

3)Inconel 625堆焊应满足API 17D和API 6A的相关要求，堆焊层的最小厚度为3 mm，至少应堆焊2层，且应保证熔合线到CRA表面2 mm处的铁含量(Fe)应小于5%。

4)堆焊焊缝应根据进行ASTM G48方法A和ASTM G28方法A进行腐蚀试验，且应按照API 6A中的规定对堆焊试样进行硬度测试，热影响区的最大硬度为235HV10。