防喷器本体材料的发展趋势

水下防喷器组的服役环境要求其零部件材料强度高，塑性韧性良好，能承受高压（在高压下不渗不漏），以及耐腐蚀、耐低温等。对防喷器本体承压件用钢的具体要求是：①屈服强度高，屈强比较低；②塑性和冲击韧性高；③组织致密；④焊接性好；⑤加工性能好。

表7 海洋环形防喷器主要零件材料选择

在防喷器本体承压件的选材上，国外较多采用的是AISI4130、AISI4340和AISI8630等钢的锻件，复杂的零件辅以焊接，少部分使用铸件。美国生产防喷器的各公司除执行API SPEC 16A规范外，均有自己的用钢规范。陆上防喷器的本体材料，Cameron公司采用AISI 4340锻钢（屈强比≤0.83），Hydril公司采用含碳量为0.30%的AISI4130铸钢（Cr-Mo钢，屈强比≤0.84），Shaffer公司采用含碳量为0.30%的AISI8630铸钢（Cr-Ni-Mo钢，屈强比≤0.82），其主要化学成分及力学性能见表8。

表8 美国公司防喷器本体用钢主要化学成分及力学性能

水下防喷器工作压力较大，对安全可靠性的要求更高，其本体都采用锻造法成型，如Cam-eron公司采用35000t水压机多向模锻成型，复杂的零件辅以焊接，能充分发挥材料性能，生产出的毛坯重量轻、可靠性高、加工余量小^[12]。由于防喷器生产的批量不是很大，所以通常采用自由锻，能更加灵活地组织生产。

近年来，对于高压超高压水下防喷器，Cameron公司和Hydril公司开始采用F22（ASTM A182）锻钢制造防喷器本体。

我国防喷器本体材料的选择和应用经历了一个逐渐发展的阶段。

20世纪70年代初，国产防喷器采用20MnMoV钢，它的化学成分见表9^[13]。

表9 20MnMoV钢的化学成分 （质量分数，%）^[13]

经过十多年的不断发展，一直到1988年前，我国防喷器本体材料采用ZG18CrMnSiMoVA钢。这种钢淬透性较高，如果热处理方法得当，可以得到良好的强韧性配合。但这种Si-Mn系列钢容易形成贝壳状和茎状断口。后来选用ZG35CrMoRe钢，使组织遗传性问题基本得到解决，但枝晶偏析严重；当碳当量达到0.73%时，材料可焊性极差，焊接时易产生裂纹，补焊较困难。

1989年以来，我国防喷器本体材料改用ZG25CrMoRe钢，使韧性和焊接性改善，但淬透性略显不足，未淬上火的表面易形成贝氏体组织。同时，组织中还存在未被消除的枝晶组织，反而限制了本体材料韧性的提高。在ZG25CrMoRe钢中加Ni是解决这一问题的重要途径。

目前，ZG25CrNiMo钢是陆上防喷器本体采用的主要材料之一，它是一种低合金高强度铸钢，经过调质处理后可获得良好的综合力学性能，心部强度高且韧性好，并且具有热处理变形量小和加工性能良好等优点。加Ni后虽然提高了钢的制造成本，但淬透性和韧性却能得到很大提高。ZG25CrNiMo钢在-59℃的冲击吸收功与室温（23℃）相比，没有太大变化，韧脆转变温度较低。由于碳当量较高，该材料焊接性能较差。ZG25CrNiMo钢也有一定的抗H₂S腐蚀能力，一般应用于H₂S分压较低，压力等级不高于70MPa的油井。另外，如果材料经过炉外精炼或后期经电渣重熔，获得P、S含量较低、有害元素及非金属夹杂含量较少的纯净钢，还适用于压力等级较高的防喷器构件。ZG25CrNiMo钢的化学成分及力学性能见表10及表11。

表10 ZG25CrNiMo钢的名义化学成分 （%，质量分数）

注：数据来自华北石油荣盛机械制造有限公司。

表11 ZG25CrNiMo钢的力学性能(www.xing528.com)

注：数据来自华北石油荣盛机械制造有限公司。试样采用的是等效圆试棒；带下划线数字为冲击功的平均值。

采用同一冶炼炉不同试样进行的冲击功测试结果见表12。随试验温度的下降，材料的冲击功也下降，但没有明显的韧脆转变。这一点说明ZG25CrNiMo低温冲击性能较好，能够满足防喷器在较低环境温度使用的要求。

表12 ZG25CrNiMo的系列温度冲击功

注：数据来自华北石油荣盛机械制造有限公司。

ZG25CrNiMo防喷器本体通常采用的热处理工艺参数为：930～950℃高温正火，880～900℃细化晶粒正火，840～880℃淬火，640～690℃回火。淬火介质是水，其温度控制应满足API Spec 16A规范，壳体淬火开始时介质温度不超过38℃，淬火结束时介质温度不得超过49℃。

近年来，为了满足大通径（φ480mm以上）和超高压力等级（105MPa以上）防喷器的开发和使用要求，随着国内冶炼技术的提高和发展，对ZG25CrNiMo钢在钢水的冶炼质量控制方面又提出了更高的要求，如电炉冶炼后再进行炉外精炼并进行真空脱气处理，使P、S等有害元素含量尽可能降低，H、N、O等气体含量尽可能控制在较低的水平，非金属夹杂物的含量和组织形态得到进一步控制。这些都为随后的热处理更好地控制钢的金相组织和内部性能奠定了良好的基础。

AISI4130材料是国外防喷器产品广泛采用的材料之一，与25CrNiMo钢相比，其Ni含量较少，在制造成本方面具有一定的优势。因此，国内现已逐步在小通径和低压力等级的防喷器本体等主要承压件上使用。

超高压力等级的深水防喷器的本体材料国内研究较少。华北石油荣盛机械制造有限公司在深水防喷器的本体选材方面进行了一系列尝试，包括采用F22锻钢进行了一些试验。结果表明，F22钢淬透性极高，端淬曲线接近水平，保障了在更高的强度指标（如85K以上的强度指标）时，其塑性韧性指标也良好。

F22钢是美国材料与试验协会标准ASTMA182^[14]中的钢种，其化学成分与我国JB755—1985标准^[15]中的12Cr2Mo1钢基本相当（见表13），也称2.25Cr-1Mo钢。

表13 2.25Cr-1Mo钢的化学成分（%，质量分数）^[14，15]

F22钢含有2.3%（质量分数）左右的Cr及1.0%（质量分数）左右的Mo。采用F22钢作为超高压力等级的深水防喷器的本体材料的优点包括：①超高压力等级的水下防喷器本体的截面比较大，对淬透性的要求很高，而F22钢中的Cr和Mo都是强烈提高钢淬透性的元素，可以满足超高压力等级水下防喷器本体对钢的淬透性的要求。②Mo是强碳化物形成元素，在含Mo的低合金钢中，Mo的作用是强化固溶体及形成性质优异的细小的碳化物相，从而提高钢的强韧性。③钢中的Cr能在其表面上形成一层致密的Cr₂O₃膜，这种氧化膜在一定程度上能阻止腐蚀性元素向钢中扩散，也能阻碍金属离子向外扩散，增强了钢的抗高温氧化能力和耐腐蚀性能。Cr对防CO₂腐蚀非常有效，对于高CO₂分压的场合，采用13Cr可以抗CO₂腐蚀，在腐蚀不太严重时采用9Cr，对于更轻微的腐蚀，或者只需要有限的使用寿命，可酌情采用5Cr、3Cr、2Cr等含Cr较低的钢。防喷器服役时与井下流体接触时间很短，含有2.3%（质量分数）左右Cr的F22钢可以初步满足水下防喷器抗CO₂腐蚀的要求。④Cr、Mo也是防止H₂S应力腐蚀的有益元素，钢中加入少量的Cr、Mo元素能起到细化晶粒的作用，Mo元素在调质钢淬火回火中能显著提高钢的回火稳定性。即在相同的强度水平时，含Mo较高的钢的回火温度更高，这有利于防止H₂S应力腐蚀开裂。因此，F22钢适合用于经常与含有H₂S的油气接触的水下防喷器本体材料。

采用25CrNiMo、AISI4130、AISI8630、AISI4330和F22钢锻造防喷器本体，需要采用具备一定锻压能力的锻造设备，达到基本消除各种枝晶组织的目的。对于较大的壳体件，锻后还要进行红送退火，为后续的热处理做好组织准备。由25CrNiMo、AISI4130、AISI 8630及AISI4330钢锻造的防喷器本体，通常采用的热处理工艺参数为880～900℃正火，840～880℃淬火，640～690℃回火，淬火介质是水。F22钢锻造的防喷器本体通常的热处理工艺参数为930～950℃正火，900～930℃淬火，640～690℃回火，淬火介质是水。以上淬火介质的温度控制应满足API Spec 16A规范，本体淬火开始时介质温度不超过38℃，淬火结束时介质温度不得超过49℃。此外，热处理还需控制钢的晶粒度，较细的晶粒对于钢的强韧化是有益的。

与井口头、采油树等水下油气生产设备相比，水下防喷器服役时与井下流体接触时间很短，通常情况下其本体承压件的耐蚀性基本能满足生产的要求，不需要采用不锈钢、镍基合金等耐蚀合金材料。即使在特别恶劣的腐蚀环境下，也只是对关键零部件的重要密封部位的表面堆焊一层625等镍基合金。这样既可以达到抗腐蚀的目的，同时降低了防喷器的制造成本。

目前，荣盛公司已经研制完成了超高压力等级的深水防喷器组及控制装置，为我国涉足深水海洋钻探设备的国产化配套做出了贡献。