二相ステンレス鋼パイプが海洋石油掘削装置にとって重要な理由

二相ステンレス鋼パイプが海洋石油掘削装置にとって重要な理由

海洋石油掘削装置は、金属にとって地球上で最も厳しい環境の 1 つです。海水。塩分を含んだ空気-。高圧。気温の変動。生成された流体中の硫化水素 (H2S)。これらの要因のいずれか 1 つでも、通常の鋼管は数年以内、場合によっては数か月以内に破損する可能性があります。これらは共に、特別な材料を必要とする腐食環境を作り出します。

世界の海洋石油・ガス産業は、世界中で 1,400 を超える固定プラットフォームと数百の浮体式生産ユニットを運用しています。生成された流体を運ぶ配管システム -、海水注入、ガスリフト、ユーティリティ - は、プラットフォームの総重量と資本コストのかなりの部分を占めます。さらに重要なことに、1 つの配管の故障により、1 日あたり 50 万ドルから 100 万ドルのコストがかかる生産停止、環境へのペナルティ、または最悪の場合、壊滅的な安全上のインシデントが引き起こされる可能性があります。

これがまさに、二相ステンレス鋼が海洋配管エンジニアに選ばれる材料となっている理由です。 - は偶然ではなく、その冶金学的組成が海洋がもたらすあらゆる主要な脅威に直接対処しているためです。

二相ステンレス鋼とは何ですか?

二相ステンレス鋼は、オーステナイトとフェライトの割合がほぼ同じである二相微細構造を持つ合金の一種です（そのため、「二相」という名前が付けられています）。{0}この混合結晶構造は偶然ではありません - 両方の相の最良の特性を引き出すように設計されています。

オーステナイト相(面-中心の立方体):靭性、延性、耐食性を実現します。

フェライト相(体心立方体-):強度と応力腐食割れに対する耐性を実現します。

その結果、炭素鋼や低合金鋼よりも大幅に優れた耐食性を維持しながら、強度と耐 SCC 性においてオーステナイト系グレード (316L など) を同時に上回る材料が生まれました。-重要なベンチマークは、塩化物環境における材料の孔食に対する耐性を予測する孔食抵抗当量数 (PREN) です。

PREN=%Cr + 3.3 x %Mo + 16 x %N

海水サービスには 40 を超える PREN が必須とみなされます。標準二重 2205 は、最大 35 の PREN を達成します。スーパー デュプレックス 2507 は ~42 を達成します。炭素鋼のスコアは 10 未満です。

すべてのオフショアプラットフォームにおける 4 つの腐食の脅威

海水には 19,000 ～ 35,000 ppm の塩化物イオンが含まれています。これらのイオンはステンレス鋼の不動態酸化膜を積極的に攻撃し、数カ月以内にパイプ壁を貫通する可能性のあるピットを発生させます。標準316Lステンレス鋼(PREN ~24) では不十分な場合がよくあります。スーパーデュプレックス 2507 (PREN ~42) は、高温の停滞した海水の中でも孔食に耐性があります。

SCC はおそらく、海洋配管における最も危険な故障モードです。この問題は、引張応力、腐食性環境 (塩化物、H2S)、および影響を受けやすい材料という 3 つの条件が重なると発生します。 316L - を含むオーステナイト系ステンレス鋼 - は、塩化物 SCC の影響を受けやすいことで知られています。二相合金のフェライト相はクラックアレスターとして機能し、耐SCC性を劇的に向上させます。 1,000 ppm の塩化物溶液中、摂氏 100 度での実験室テストでは、duplex 2205 は SCC の故障を示さなかったのに対し、316L は 200 時間未満で故障しました。

-砂粒子を運ぶ高速の生産流体は浸食-腐食 - を引き起こします。これは、どちらかのメカニズム単独よりもはるかに破壊的な相乗攻撃です。二相鋼の降伏強度が高い（2205 では 450 MPa、316L では . 170 MPa）ということは、保護酸化膜が厚く、単位厚さあたりの壁抵抗が大きいことを意味し、オーステナイト系グレードと比較して耐用年数が 2 ～ 4 倍延長されます。

H2S を含む井戸 (NACE MR0175 / ISO 15156 によるサワーサービス) は原子状水素を生成し、鋼中に拡散して膨れや亀裂を引き起こします。フェライト含有量が制御され、低硬度 (NACE 規格に従って最大 HRC 28) を備えた二相グレードはサワーサービス認定に合格し、スイート原油とサワー原油の両方の用途に適しています。

材料の性能比較: デュプレックスと代替品

以下の表は、オフショアサービス向けに最も一般的に評価されるパイプ材料の客観的な機械的データと腐食データを示しています。すべてのデータは ASTM/EN 規格の最小値を反映しています。

出典: ASTM A790、A928、A276。 EN 10216-5; NACE の技術レポート。 60 ～ 100 ℃の塩化物含有環境での耐 SCC 評価。

二相ステンレス鋼パイプがオフショアリグで使用される場所

二重および超二重パイプ システムは、海水、生成流体、または攻撃的なガスが配管に接触する海洋プラットフォーム全体に使用されます。

海水注入および消火システム - 2507 スーパー デュプレックスは高圧海水注入ヘッダーの事実上の標準です-

地層水と H2S が混合した原油を輸送する生産マニホールドとフローライン -

トップサイドプロセス配管 - セパレーター、クーラー、熱交換器シェル、および相互接続配管

海中アンビリカルとライザー - 水深 300 m を超える柔軟で剛性の高いライザー システム

バラストおよび公共用水ライン - 海水との接触が継続的に発生する場所

フレアヘッダーとガスリフトライン-は凝縮液を含む高圧ガスを処理します-

修理に異常な費用がかかるか修理が不可能な深海および超深海用途（水深 > 1,500 m）では、デュプレックスのビジネス ケースがさらに魅力的になります。

材料を間違えた場合の真の代償

事業者は、初期コストが高いことを理由に二重パイプに抵抗することがあります。- 通常、1 メートルあたりの炭素鋼の材料コストの 2.5 ～ 4 倍です。ライフサイクルコストを考慮すると、この比較は誤解を招きます。

中型 FPSO の収益損失は 1 日あたり 500,000 ドルと推定されています。-実際の費用は分野やオペレーターによって異なります。公開されている HSE インシデント レポートと業界のコスト ベンチマークからまとめられたデータ。

二重パイプシステムは通常、オフショアサービスで 25 年の設計寿命を持ちます。炭素鋼や標準的なオーステナイト系ステンレス システムでも、耐食性や検査体制が必要であり、運用期間全体を通じてコストが増加します。総所有コストを 20 年間の現場耐用年数にわたって計算すると、デュプレックスは初期費用が高くてもライフサイクル支出を一貫して低く抑えられます。

用途に適した両面印刷グレードの選択

すべての二相合金が同じというわけではありません。適切なグレードを選択するには、PREN、機械的特性、およびサワーサービス認定を実際の動作環境に適合させる必要があります。

出典: ASTM A790 / A928、EN 10216-5、NACE MR0175 / ISO 15156。PREN 値は公称値です。実際の熱化学はプロジェクト仕様ごとに検証する必要があります。

ほとんどの一般的なオフショア アプリケーションでは、duplex 2205 はパフォーマンスとコストの最適なバランスを提供します。海水温度が 30 ℃ を超える場合、または塩化物濃度が非常に高い場合、スーパー デュプレックス 2507 が最適なエンジニアリング仕様です。

適用規格と仕様

オフショアサービス用の二相ステンレス鋼管は、国際規格の厳格な枠組みに準拠する必要があります。主要な文書には次のものが含まれます。

ASTM A790 / A928 - シームレス溶接二相ステンレス鋼管

NACE MR0175 / ISO 15156 - サワーサービス用マテリアル (H2S 環境)

ASME B31.3 および B31.8 - プロセスおよびガス伝送配管規格

DNV-ST-F101 - 海底パイプライン システム (海底アプリケーション)

海水システム向けの ISO 21457 - 材料の選択

ASTM A923 - が二相中の有害な金属間相を検出

二重パイプの調達には、化学組成の工場認証、PREN 検証、機械試験 (UTS、降伏、-46 ℃ での衝撃)、およびサワー サービスの場合は NACE MR0175 に基づく硬度検証が含まれている必要があります。ほとんどのオフショア プロジェクトでは、熱から設置されたコンポーネントまでの完全な文書トレーサビリティが必須です。

よくある質問

はい。 Duplex 2205 および 2507 は、海洋製造ヤードおよび設置時に日常的に溶接されます。重要な要件は、バランスの取れたオーステナイト-フェライト比を維持し、シグマ相の析出を避けるために、入熱とパス間温度を厳密に制御することです。 ASME IX または ISO 15614-1 に基づく資格のある溶接手順と認定溶接工が必須です。

インコネル 625 などのニッケル合金は優れた耐食性を備えていますが、1 キログラムあたり二相合金の 8 ～ 15 倍のコストがかかります。スーパーデュプレックス 2507 は、ほとんどのオフショアの表側および海底配管に対して、数分の 1 のコストで十分なパフォーマンスを提供します。ニッケル合金は、二相合金が除外される超酸性井戸 - のダウンホールチューブなど、最も厳しい使用条件 - 用に予約されています。

デュプレックスおよびスーパーデュプレックス ストリップは、フレキシブル ライザー システムのプレッシャー アーマーおよび内側カーカス層として広く使用されています。高い強度対-重量比により、ライザーの有効張力が減少します。これは、ライザーの重量が設計上の制約となる深海用途では重要な利点です。

結論

二相ステンレス鋼パイプは、海洋石油掘削装置の単なるプレミアム オプションではありません -。これらは、安全で信頼性が高く、経済的に実行可能な海洋生産を可能にするエンジニアリング仕様です。その二相微細構造は、海洋および生成流体環境に固有の 4 つの主要な腐食の脅威に直接対処します。-重量に対する強度の利点により、構造上の負荷が軽減されます。{6}また、25 年の耐用年数機能により、炭素鋼システムの悩みの種である高価な検査と交換のサイクルが不要になります。

ブラウンフィールドのアップグレードから新しい深海 FPSO 設置までのオフショア プロジェクト - の場合、材料選択の決定は二相ステンレス鋼をベースラインとして開始し、サービスの重大度と予算の制約に基づいてそこから徐々に進めていく必要があります。初期資本を節約するために炭素鋼や不適切な合金グレードを指定することは、この分野の経営経済学が数十年にわたって罰することになる決定です。

ASTM A790 / A928M - 二相ステンレス鋼管規格

NACE MR0175 / ISO 15156 - 石油産業: H2S-含有環境で使用する材料

DNV-ST-F101: 海底パイプライン システム

ノルウェー PSA (2019) - ノルウェー大陸棚の炭化水素漏出統計

NACE 国際テクニカルレポート 6A194: 油田環境における侵食-腐食

ASME B31.3 プロセス配管コード

ISO 21457: 石油、石油化学、天然ガス産業 - 材料の選択と腐食管理

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