與陸地油氣開采相比，海洋環(huán)境洋流劇烈、海溫和壓力隨深度變化大、海底巖層結(jié)構(gòu)與陸地井迥異。海洋油氣中H2S、CO2和Cl-等的含量普遍較高，海底微生物種類復(fù)雜，化學(xué)腐蝕和微生物腐蝕能力都很強(qiáng)。因此，海洋油氣開采平臺(tái)用特殊鋼材料如不銹鋼、耐蝕合金等普遍要求高耐蝕、高強(qiáng)高韌和高耐磨等性能特點(diǎn)。國外先進(jìn)的海洋油氣資源鉆采、加工、輸運(yùn)等環(huán)節(jié)均應(yīng)用了大量的超級(jí)不銹鋼和耐蝕合金材料。所謂的“超級(jí)”不銹鋼材料，與傳統(tǒng)不銹鋼材料相比，一般是指高Ni/Cr/Mo、高純凈度、采用N 金化或變形工藝強(qiáng)韌化的一類高性能不銹鋼材料，如超級(jí)奧氏體、超級(jí)鐵素體、超級(jí)雙相不銹鋼以及鎳基或鐵鎳基耐蝕合金等。
本文通過對(duì)國外海洋平臺(tái)用先進(jìn)高強(qiáng)度、高耐蝕性不銹鋼及耐蝕合金材料發(fā)展和應(yīng)用現(xiàn)狀的系統(tǒng)調(diào)研，闡述了其商業(yè)化產(chǎn)品的分類及關(guān)鍵性能指標(biāo)、應(yīng)用領(lǐng)域、代表性企業(yè)及產(chǎn)業(yè)規(guī)模，其中先進(jìn)特殊鋼代表性商業(yè)牌號(hào)和平臺(tái)典型件應(yīng)用部位是重點(diǎn)討論的內(nèi)容。另一方面，對(duì)目前國內(nèi)該領(lǐng)域的材料研發(fā)、應(yīng)用現(xiàn)狀以及存在的問題進(jìn)行了剖析，揭示了國內(nèi)外生產(chǎn)及市場環(huán)節(jié)存在的巨大差異。在此基礎(chǔ)上，對(duì)我國未來海洋平臺(tái)用先進(jìn)特殊鋼材料的發(fā)展提出了合理建議，對(duì)相關(guān)材料研發(fā)和生產(chǎn)發(fā)展方向、產(chǎn)業(yè)發(fā)展模式等都具有參考意義。
國外海洋平臺(tái)用先進(jìn)特殊鋼：
材料分類及關(guān)鍵性能指標(biāo)
與海洋平臺(tái)用微合金化結(jié)構(gòu)鋼材料不同，海洋平臺(tái)用特殊鋼材料普遍都是高合金體系的Ni-Cr 或Cr-Ni-Mo 基不銹鋼、超級(jí)不銹鋼或耐蝕合金材料，一般都具有高點(diǎn)蝕當(dāng)量、高純凈度以及N 合金化等特點(diǎn)。使用這些高合金材料制備的海洋平臺(tái)典型件如儲(chǔ)運(yùn)、工藝管道、脫鹽、換熱器、油井管、鉆探和樁腿等，為滿足其特殊的服役工況條件，普遍具備高強(qiáng)度、高耐蝕性或兼而有之。通常而言，耐蝕性和強(qiáng)度是海洋平臺(tái)用特殊鋼材料的兩個(gè)關(guān)鍵性能指標(biāo)。目前國外海洋平臺(tái)用先進(jìn)特殊鋼鋼種主要包括超級(jí)奧氏體不銹鋼、超級(jí)鐵素體不銹鋼、高強(qiáng)度奧氏體無磁不銹鋼、鎳基和鐵鎳基耐蝕合金等，這幾類特殊鋼材料因其合金成分體系設(shè)計(jì)不同而性能各有所長。
(1) Mo 端：Mo 端的典型代表為高M(jìn)o 含量的Cr-Ni-Mo超級(jí)奧氏體不銹鋼。對(duì)于超級(jí)奧氏體不銹鋼而言，普遍具有較高的Cr、Ni 含量、一定的Mo 含量(6%～7%)，具有在較高溫度優(yōu)異的耐局部腐蝕和均勻腐蝕的能力，其點(diǎn)蝕當(dāng)量PREN 值(Cr+3.3Mo+16N)一般都達(dá)到30以上，部分材料甚至高達(dá)50以上，這確保了此類材料優(yōu)異的耐蝕性能；同時(shí)合理的N合金化使其兼具了較高的強(qiáng)度和塑韌性。
(2) Ni 端：Ni 端的典型代表為鎳基或鐵鎳基耐蝕合金。對(duì)于鎳基或鐵鎳基耐蝕合金來說，其Cr、Ni、Mo 合金含量更高，在熱帶水域和離子介質(zhì)復(fù)雜的條件下比超級(jí)奧氏體不銹鋼具有更為突出的耐局部腐蝕、應(yīng)力腐蝕性能。可廣泛應(yīng)用于油氣媒介、油水分離或其他更為苛刻的化工工藝管道、泵閥和離心機(jī)等工礦條件。
(3) N端：對(duì)于高氮奧氏體不銹鋼來說，極高的N合金含量大幅度提升了材料的強(qiáng)度指標(biāo)，使其具有室高溫條件下顯著優(yōu)異的強(qiáng)度性能，由于采用了Mn-N代Ni成為奧氏體穩(wěn)定元素，使其在性能優(yōu)異的同時(shí)具有較低的生產(chǎn)成本。由于近年來其合金體系的不斷優(yōu)化，以及一定的Mo元素加入，使其也具備了優(yōu)良的耐局部腐蝕性，Cr 含量的不斷提升以及C元素的進(jìn)一步降低，改善了材料的耐晶間腐蝕性能。
高性能的海洋平臺(tái)用特殊鋼材料在國外早已商業(yè)化生產(chǎn)多年，典型的生產(chǎn)廠商包括瑞典山特維克(Sandvik)、德國蒂森克虜伯(ThyssenKrupp)、芬蘭奧托昆普(Outokumpu)、日本冶金(Yakin)、美國阿里根尼(ATIAllegheny)、美國特種金屬(SMC)、奧地利伯樂(Bohler)、美國卡朋特(Carpenter)等，其中代表性的海洋油氣資源開發(fā)工程用高性能Cr-Ni-Mo-N 體系超級(jí)奧氏體不銹鋼和耐蝕合金材料。
國內(nèi)海洋平臺(tái)用特殊鋼材料發(fā)展現(xiàn)狀：
生產(chǎn)和應(yīng)用現(xiàn)狀：
據(jù)中海油海洋油氣項(xiàng)目組(深圳)、采購部門的內(nèi)部資料顯示：國內(nèi)海洋油氣田項(xiàng)目的上述特殊鋼部件和裝備均直接從Bohler、Alfa-Laval、Butting、Cameron、IntecSEA、CladTek、Flowserve、Goulds、Heatric 等國外廠商采購。據(jù)中海油開發(fā)工程設(shè)計(jì)公司的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示：目前海洋平臺(tái)工藝設(shè)備中進(jìn)口份額約占總造價(jià)的3%～5%；工藝管道和儲(chǔ)運(yùn)管道約占總造價(jià)的15%～30%；因此單一平臺(tái)項(xiàng)目中進(jìn)口份額目前要占到平臺(tái)總造價(jià)的30%～40%。這意味著僅COSL中海油服2013年下半年上馬的3個(gè)海洋油氣平臺(tái)項(xiàng)目，由于進(jìn)口高性能特殊鋼關(guān)鍵部件而產(chǎn)生的費(fèi)用就高達(dá)3～4億美元，約合人民幣20～25億元。
由于我國海工用特殊鋼材料生產(chǎn)起步較晚、研制生產(chǎn)停滯不前，導(dǎo)致海工用特殊鋼及關(guān)鍵裝備絕大部分依賴進(jìn)口，更不用提占據(jù)國際市場份額。以我國目前唯一一個(gè)自主開發(fā)的深海油氣田項(xiàng)目荔灣油田為例，平均水深僅為1500m，由于許多關(guān)鍵技術(shù)的欠缺，該項(xiàng)目3-1油氣田為我國與加拿大赫斯基能源合作開發(fā)，大部分關(guān)鍵裝備和部件如離心機(jī)、海底復(fù)合管道、泵閥等均從國外進(jìn)口，租國外技術(shù)裝備采自己的海油氣，成為當(dāng)前我國深海油氣資源開發(fā)的真實(shí)寫照。
國內(nèi)本領(lǐng)域新材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展問題：
我國目前海工用特殊鋼領(lǐng)域工業(yè)化生產(chǎn)及下游平臺(tái)用海工裝備部件的制造均已有一定程度的開展。部分典型部件如鉆具、管道、換熱器、泵閥等已在陸海油氣田以及石化工業(yè)中得到初步應(yīng)用。但就材料制備、裝備制造等領(lǐng)域的具體工藝現(xiàn)狀來說，國內(nèi)相關(guān)行業(yè)、企業(yè)、應(yīng)用等均存在較為典型的問題。
本領(lǐng)域新材料研發(fā)方向及發(fā)展模式：
高強(qiáng)度無磁不銹鋼、超級(jí)奧氏體不銹鋼和耐蝕合金是未來我國海工用特鋼國產(chǎn)化需重點(diǎn)攻關(guān)的三大類鋼種，應(yīng)用覆蓋海洋油氣的鉆采儲(chǔ)輸?shù)拳h(huán)節(jié)。在目前研制和生產(chǎn)現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，各鋼種均具有自身獨(dú)特的發(fā)展趨勢：
(1) 高強(qiáng)度無磁不銹鋼的發(fā)展趨勢是高強(qiáng)度、高耐蝕、無磁性和低成本。通過足夠的N 含量確保以上性能指標(biāo)。國內(nèi)目前已有部分企業(yè)生產(chǎn)此類產(chǎn)品，但其合金體系設(shè)計(jì)落后，強(qiáng)度、晶間腐蝕性能、熱變形加工工藝與國外相比差距很大。如何提高該類產(chǎn)品性能、優(yōu)化合金體系是此類材料的研發(fā)重點(diǎn)。
(2) 超級(jí)奧氏體不銹鋼的發(fā)展趨勢是高強(qiáng)度和高耐蝕性，通過高Cr、Ni、Mo含量確保足夠的耐蝕性能，通過適量的N含量確保兼具優(yōu)異的力學(xué)性能，通過合理的熱變形工藝確保無開裂、高成材率。合金體系的創(chuàng)新和理論設(shè)計(jì)是此類材料的研發(fā)重點(diǎn)。
(3) 耐蝕合金的發(fā)展趨勢是極高的耐蝕性和良好的加工工藝性能，通過極高的Cr、Ni、Mo 含量保證優(yōu)異的耐局部和全面腐蝕性能，重點(diǎn)解決管材、板材的冶煉、熱擠壓、熱軋等制備技術(shù)，解決此類材料從無到有、有價(jià)無貨的問題。
我國海洋工程用特殊鋼產(chǎn)業(yè)發(fā)展的模式也應(yīng)當(dāng)逐步走上良性軌道。海洋油氣平臺(tái)項(xiàng)目應(yīng)當(dāng)積極大膽地提出對(duì)主要關(guān)鍵部件最新、最前沿的需求、性能指標(biāo)，通過設(shè)計(jì)部門和材料研發(fā)單位的通力配合，逐步實(shí)現(xiàn)材料和裝備國產(chǎn)化、規(guī)模化和工程化，使我國海工用特殊鋼走上良性發(fā)展的模式。國家層面也應(yīng)由項(xiàng)目、企業(yè)和科研院所牽頭，出臺(tái)相應(yīng)的行業(yè)和材料標(biāo)準(zhǔn)，使海洋平臺(tái)用先進(jìn)特殊鋼材料的產(chǎn)學(xué)研各個(gè)環(huán)節(jié)更加規(guī)范化和法制化。
如果說我國海洋平臺(tái)用結(jié)構(gòu)鋼如中厚板等材料與國外設(shè)計(jì)生產(chǎn)水平差距較大，那么我國海洋平臺(tái)用特殊鋼材料的研制與國外相比幾乎為零。無論是上游特殊鋼材料開發(fā)及中游的關(guān)鍵典型件生產(chǎn)，還是下游海洋平臺(tái)項(xiàng)目的應(yīng)用，都存在規(guī)劃性、模式性的發(fā)展問題。材料開發(fā)應(yīng)當(dāng)由高端牌號(hào)國產(chǎn)化開始，逐步向自主設(shè)計(jì)成分體系、加工工藝規(guī)范發(fā)展；典型件生產(chǎn)應(yīng)當(dāng)緊密結(jié)合材料研發(fā)趨勢，通過合理的、前瞻性的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和材料使用達(dá)到提高產(chǎn)品服役性能、拔高產(chǎn)品附加值和科技含量的目的；而作為最終用戶的平臺(tái)項(xiàng)目部門，更是應(yīng)當(dāng)積極大膽通過試驗(yàn)井、試驗(yàn)平臺(tái)等方式主動(dòng)提出對(duì)國產(chǎn)化材料的性能要求，摒棄“依賴進(jìn)口，降低風(fēng)險(xiǎn)，減輕責(zé)任”的錯(cuò)誤理念，逐步使用國產(chǎn)典型件并在此基礎(chǔ)上取代進(jìn)口產(chǎn)品，這才是我國海洋平臺(tái)用特殊鋼材料健康、良性發(fā)展的正確方向。