油氣與新能源工程材料研究方向與重點(diǎn)內(nèi)容探析*

劉亞旭,杜 偉,付安慶,李厚補(bǔ),韓禮紅,池 強(qiáng),蔣 龍,馮 春,李 鶴

(中國石油集團(tuán)工程材料研究院有限公司 陜西 西安 710077)

0 引 言

材料科學(xué)與材料工程是國民經(jīng)濟(jì)和國防建設(shè)的基礎(chǔ),其發(fā)展水平直接關(guān)系經(jīng)濟(jì)實(shí)力、國防力量的增長以及人類生活品質(zhì)的提高[1]。其中關(guān)鍵基礎(chǔ)材料是《中國制造2025》[2]工業(yè)強(qiáng)基工程的四基之一,是工業(yè)強(qiáng)基的重要內(nèi)容?！豆I(yè)強(qiáng)基工程實(shí)施指南(2016-2020年)》[3]中,明確指出“核心基礎(chǔ)零部件(元器件)、關(guān)鍵基礎(chǔ)材料嚴(yán)重依賴進(jìn)口,產(chǎn)品質(zhì)量和可靠性難以滿足需要”,而影響核心基礎(chǔ)零部件(元器件)質(zhì)量和可靠性的關(guān)鍵因素之一還是材料,因此關(guān)鍵基礎(chǔ)原材料(主要指用于工程的材料)的科技攻關(guān)是實(shí)施《中國制造2025》的關(guān)鍵和重要內(nèi)容。

西方發(fā)達(dá)國家同樣把工程材料作為重要攻關(guān)內(nèi)容。2022年2月,美國國家科學(xué)技術(shù)委員會(NSTC)發(fā)布了新一版關(guān)鍵和新興技術(shù)(Critical and Emerging Technologies,CETs)清單[4]。該清單以美國2020年《關(guān)鍵和新興技術(shù)國家戰(zhàn)略》為基礎(chǔ),對其中的關(guān)鍵和新興技術(shù)領(lǐng)域作了更新和調(diào)整,并具體列出了各領(lǐng)域內(nèi)的核心技術(shù)子領(lǐng)域清單。NSTC表示,出臺這份清單的目的是為了保障美國在未來的技術(shù)領(lǐng)導(dǎo)力,與盟友共同推進(jìn)和保持關(guān)鍵領(lǐng)域的科技競爭優(yōu)勢,并應(yīng)對所謂的技術(shù)安全威脅。NSTC指出,新一版關(guān)鍵和新興技術(shù)清單將對即將出臺的美國技術(shù)競爭力和國家安全戰(zhàn)略起到重要支撐作用。NSTC特別強(qiáng)調(diào),這份清單在支持美國國家技術(shù)安全、保護(hù)敏感技術(shù)和爭奪國際人才等方面可以作為美國行政部門和機(jī)構(gòu)的參考依據(jù)。清單中,先進(jìn)工程材料由2020年的第三位上升到第二位,其具體研發(fā)內(nèi)容包括:設(shè)計材料和材料基因組學(xué)、具有新特性的材料、對現(xiàn)有性能進(jìn)行重大改進(jìn)的材料、材料性能表征和生命周期評估?？梢?基礎(chǔ)原材料(工程材料)不但在實(shí)施《中國制造2025》中有重要作用,在國際競爭中同樣具有重要意義。

黨的二十大報告提出,要加大油氣資源勘探開發(fā)和增儲上產(chǎn)力度,加快規(guī)劃建設(shè)新型能源體系,確保能源安全。實(shí)現(xiàn)油氣增產(chǎn)上儲、推進(jìn)新能源發(fā)展,離不開先進(jìn)工程材料的科學(xué)支撐。本文基于油氣與新能源發(fā)展的新形勢和新要求,提出了油氣與新能源工程材料的概念,并對其范圍、研究對象、研究思路等進(jìn)行了分析,對重點(diǎn)發(fā)展方向和研究內(nèi)容進(jìn)行交流探討。

1 油氣與新能源工程材料的概念和范圍

工程材料主要是指用于能源、化工、船舶、航空航天、兵器、機(jī)械、車輛、建筑等工程領(lǐng)域的材料,用來制造工具(含儀器儀表)、零件、構(gòu)件、裝備以及設(shè)施(例如管柱、管道等)。根據(jù)結(jié)合鍵的性質(zhì)分類,工程材料可分為金屬(包括黑色金屬和有色金屬及其合金)、高分子材料(聚合物)、陶瓷和復(fù)合材料(包括金屬基與非金屬基復(fù)合材料)。

油氣與新能源工程材料是指用于油氣與新能源資源探測、開發(fā)、儲運(yùn)、煉化的工程材料,包括制造工具、器件(零件、構(gòu)件)、裝備(設(shè)備)、建設(shè)設(shè)施(管道、井筒、儲氣庫、煉化裝置、風(fēng)光電儲氫設(shè)施等)等所有工程材料及“一攬子”技術(shù)解決方案,以結(jié)構(gòu)材料為主,也涵蓋功能材料。

2 工程材料在油氣與新能源開發(fā)中的重要性

工程材料在油氣開發(fā)、儲運(yùn)、煉化全產(chǎn)業(yè)過程中具有極其重要的作用。在油氣開發(fā)中,井下一般都是高溫(深層達(dá)到240 ℃,稠油熱采最高可達(dá)400 ℃,火驅(qū)井達(dá)到800 ℃,地下煤氣化井下逾800 ℃)、高壓(高達(dá)180 MPa)、高腐蝕(含H2S、CO2、Cl-和細(xì)菌等腐蝕性介質(zhì))環(huán)境。鉆井鉆進(jìn)中,堅(jiān)硬的巖石對鉆頭甚至鉆桿產(chǎn)生巨大的摩擦力。旋轉(zhuǎn)鉆井、儲氣庫循環(huán)注采、往復(fù)采油過程中,鉆桿、抽油桿、管柱等又存在著疲勞等問題。高溫和高壓環(huán)境下,因材料適用性不足等原因,有些測井儀器儀表也會失去靈敏性、準(zhǔn)確性。在油氣集輸過程中,油氣及其他采出物往往含腐蝕性介質(zhì)。凈化后的天然氣,為了提高輸送效率必須用高壓、大口徑輸送,北方地區(qū)的場站冬季溫度可達(dá)零下40 ℃。而當(dāng)天然氣以LNG(液化天然氣)形式運(yùn)輸時,其溫度要達(dá)到零下160 ℃。在煉油化工過程中,工作溫度往往在650 ℃以上,最高溫度可超過1 000 ℃(如裂解爐管)。

苛刻的服役環(huán)境(高溫、高壓、高腐蝕、疲勞、磨損、低溫環(huán)境及其耦合)對材料及制成的裝備、零部件、儀表和設(shè)施的結(jié)構(gòu)提出更高要求,需要針對不同環(huán)境具備相應(yīng)的特殊服役性能,包括高溫下良好的耐高溫、抗蠕變、高溫密封性和儀器儀表的高精度和穩(wěn)定性,高壓下優(yōu)異的耐高壓(高強(qiáng)度)和密封性,腐蝕環(huán)境下針對不同腐蝕介質(zhì)的耐腐蝕性能,低溫下材料良好的抗脆斷能力,交變應(yīng)力環(huán)境下良好的抗疲勞性能,磨損環(huán)境下良好的耐磨性。更多的情況,還需要根據(jù)不同的工況,如高溫+高壓、高溫+腐蝕、高溫+高壓+腐蝕、腐蝕+磨損、腐蝕+疲勞、低溫+高壓等,需要具備一種或幾種特殊性能,例如高溫下的高強(qiáng)度、耐腐蝕、耐磨損、良好密封性等。

在新能源開發(fā)中,材料的作用也非常重要。太陽能利用中,光電轉(zhuǎn)化效率的提升主要依靠材料。盡管硅異質(zhì)結(jié)光伏電池(HJT)轉(zhuǎn)化效率世界紀(jì)錄不斷被突破(2022年11月19日達(dá)到26.81%),但晶硅材料的光伏電池光電轉(zhuǎn)化效率理論極限是29.4%,技術(shù)的提升空間極大受限。要進(jìn)一步提高光電轉(zhuǎn)化效率,普遍認(rèn)為結(jié)合鈣鈦礦材料,開發(fā)具有顛覆性的鈣鈦礦/異質(zhì)結(jié)疊層電池(轉(zhuǎn)化效率理論極限可達(dá)43%)將成為行業(yè)首選。風(fēng)電開發(fā)中,采用高強(qiáng)度、低密度的大尺寸(超過100 m)非金屬新型材料風(fēng)葉是提高風(fēng)電轉(zhuǎn)化效率的關(guān)鍵。氫能儲運(yùn)特別是中高壓純氫/混氫管道輸送中,必須采用合適的材料和技術(shù)來防止氫脆的發(fā)生以保證安全。地?zé)衢_發(fā)中,耐高溫腐蝕材料成為必選。深層煤炭采用氣化方式開發(fā)中,管柱和工具材料又要面臨嚴(yán)苛的超高溫(可達(dá)800 ℃)和高腐蝕(CO和CO2)問題。CCUS-CO2驅(qū)油過程中,CO2輸送管道和注采管柱也存在超臨界和高含CO2腐蝕難題。

因此,我們必須把油氣與新能源工程材料的研發(fā)和推廣作為實(shí)現(xiàn)石油裝備科技自立自強(qiáng)的重要舉措,通過工程材料的科技進(jìn)步支撐油氣增儲上產(chǎn)和新能源發(fā)展,踐行習(xí)近平總書記提出的“加強(qiáng)原創(chuàng)性、引領(lǐng)性科技攻關(guān),把裝備制造牢牢抓在自己手里,努力用我們自己的裝備開發(fā)油氣資源,提高能源自給率,保障國家能源安全。”

3 油氣與新能源工程材料的研究對象、思路及領(lǐng)域

3.1 油氣與新能源工程材料的研究對象

油氣與新能源工程材料的研究對象涵蓋滿足油氣與新能源資源探測、開發(fā)、儲運(yùn)、煉化用的器件(石油管等)、裝備(設(shè)備)、設(shè)施(管道、井筒、儲氣庫、煉化裝置、風(fēng)光電儲氫設(shè)施等)等需要的工程材料及“一攬子”技術(shù)解決方案(包括材料設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計和建設(shè)方案),主要包括金屬材料(以黑色金屬為主,也包括有色金屬、稀土、堿土等)、高分子材料、陶瓷材料以及復(fù)合材料四大類。

3.2 油氣與新能源工程材料的研究方法

針對油氣與新能源領(lǐng)域的材料科學(xué)與工程問題,從服役條件和需要的服役性能出發(fā),研究材料的合成與加工、成分與結(jié)構(gòu)、性質(zhì)和使用(服役)性能,以及他們之間的相互關(guān)系。合成與加工決定成分與結(jié)構(gòu),成分與結(jié)構(gòu)決定材料基本性質(zhì),基本性質(zhì)和器件、裝備(設(shè)備)與設(shè)施的尺寸結(jié)構(gòu)顯著影響其使用(服役)性能,研究結(jié)果就是要在特定服役條件下實(shí)現(xiàn)最佳服役性能。

3.3 油氣與新能源工程材料的研究重點(diǎn)和思路

“石油管工程學(xué)”[5]是油氣與新能源工程材料學(xué)科的核心,二者的研究方法與路徑內(nèi)涵相同。由于石油管材在油氣與新能源開發(fā)中占總成本的60%以上,因此石油管是油氣與新能源工程材料的重要研究內(nèi)容。

油氣與新能源工程材料的研究思路是從材料以及由材料制成的器件(包括石油管)、裝備(設(shè)備)、設(shè)施的服役條件和需要的服役性能出發(fā),充分考慮服役的環(huán)境、載荷、結(jié)構(gòu)和經(jīng)濟(jì)性等因素,研究滿足服役要求所需的材料使用性能(包括器件、裝備(設(shè)備)與設(shè)施的合理結(jié)構(gòu)),通過研究制定標(biāo)準(zhǔn)和研發(fā)驗(yàn)證平臺(包括研究所需的科學(xué)實(shí)(試)驗(yàn)及檢測儀器設(shè)備等),合理設(shè)計材料,以及采取相應(yīng)的合成/加工措施,得到能實(shí)現(xiàn)基本性質(zhì)的成分/結(jié)構(gòu),并與器件、裝備(設(shè)備)、設(shè)施的整體結(jié)構(gòu)相配合,確保能夠經(jīng)濟(jì)性地滿足使用(服役)需求。

先進(jìn)工程材料是油氣與新能源工程材料重點(diǎn)研究方向,包括設(shè)計材料和材料基因組學(xué)、開發(fā)具有新特性的材料、對現(xiàn)有材料的性能進(jìn)行重大改進(jìn)、材料性能表征和生命周期評估管理,并擴(kuò)展至器件、裝備(設(shè)備)、設(shè)施等完整性評價和壽命評估等。

3.4 油氣與新能源工程材料的基礎(chǔ)支撐學(xué)科

油氣與新能源工程材料是材料科學(xué)與工程在油氣與新能源領(lǐng)域的應(yīng)用,基礎(chǔ)是物理學(xué)和化學(xué),也包括數(shù)學(xué)、計算機(jī)、力學(xué)、冶金、石油天然氣工程、機(jī)械工程、安全、計量、標(biāo)準(zhǔn)化等學(xué)科。

3.5 油氣與新能源工程材料的研究領(lǐng)域

根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域,可分為油井管與管柱、輸送管與管線、煉化設(shè)備材料、新能源工程材料等。

根據(jù)專業(yè)特點(diǎn),可分為強(qiáng)度分析與校核、腐蝕與防護(hù)、完整性評價與風(fēng)險評估、失效分析與智能仿真、增材制造與焊接技術(shù)。

根據(jù)材料特點(diǎn),分出金屬、非金屬及其復(fù)合材料學(xué)科,包括金屬與金屬、金屬與非金屬、非金屬與非金屬的復(fù)合。

4 油氣與新能源工程材料的研究內(nèi)容展望

4.1 油氣與新能源工程材料基礎(chǔ)研究重點(diǎn)

基礎(chǔ)研究是創(chuàng)新的源頭活水,事關(guān)科技長遠(yuǎn)發(fā)展的根基。中國石油貫徹黨的十九屆五中全會精神和落實(shí)國家《“十四五”規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要》,組織制定了《集團(tuán)公司重大基礎(chǔ)研究十年行動計劃方案》。加強(qiáng)基礎(chǔ)和應(yīng)用基礎(chǔ)研究,就是要勇于挑戰(zhàn)最前沿的科學(xué)問題,在原創(chuàng)發(fā)現(xiàn)、原創(chuàng)理論、原創(chuàng)方法上取得突破;同時圍繞主營業(yè)務(wù)發(fā)展需求,從中發(fā)現(xiàn)重大科學(xué)問題,從科學(xué)原理、問題、方法上進(jìn)行攻關(guān),積極開辟新的技術(shù)路線,為解決“卡脖子”問題提供更多源頭支撐,為強(qiáng)化國家戰(zhàn)略科技力量和建設(shè)能源與化工創(chuàng)新高地奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

結(jié)合工程材料研究院多年的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和工作重點(diǎn),從油氣工程材料、管道材料及安全、新能源材料等方面提出了基礎(chǔ)研究的重點(diǎn)。

4.1.1 油氣工程材料基礎(chǔ)研究重點(diǎn)

4.1.1.1 油氣工程材料的基因組學(xué)和設(shè)計材料原理與方法

針對油氣開發(fā)對金屬材料(黑色金屬、有色金屬、稀土、堿土等)、高分子材料、陶瓷材料以及復(fù)合材料等先進(jìn)工程材料的需求,通過對油氣工程材料的基因組學(xué)和設(shè)計材料原理與方法進(jìn)行研究,為油氣先進(jìn)工程材料(新材料)的開發(fā)奠定基礎(chǔ)。將高通量材料實(shí)驗(yàn)方法、計算材料學(xué)理論和算法、材料數(shù)據(jù)挖掘與人工智能(建立石油工程材料數(shù)據(jù)庫,使用機(jī)器學(xué)習(xí)、數(shù)據(jù)挖掘的方法來對材料數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析并預(yù)測、設(shè)計新材料)融合引入材料開發(fā),加速材料合成加工、成分結(jié)構(gòu)與基本性質(zhì)、服役性能之間“構(gòu)效關(guān)系”的研究效率并降低研發(fā)成本,改變原有的速度慢、效率低的傳統(tǒng)“試錯法”研究,“提速降耗”,加速先進(jìn)工程材料(新材料)的研發(fā)。

4.1.1.2 油氣工程材料特殊性能增強(qiáng)機(jī)理研究

油氣與新能源開發(fā)利用的各個環(huán)節(jié)一般都會對材料有一項(xiàng)或若干項(xiàng)特殊性能提升增強(qiáng)的要求,如增強(qiáng)、增韌、增硬、耐高溫、耐低溫、耐腐蝕、耐磨損、抗疲勞等,需要研究增強(qiáng)或提升這些特殊性能的機(jī)理,然后有針對性地開發(fā)具有特殊性質(zhì)的材料。下面是一些具體的例子。

1)超高強(qiáng)度馬氏體時效鋼的沉淀強(qiáng)化機(jī)理研究

搞清楚沉淀強(qiáng)化機(jī)理,支撐超高強(qiáng)度馬氏體時效鋼的研發(fā)(“卡脖子”攻關(guān)),解決壓裂泵閥箱頻繁失效問題。

2)金屬化合物涂層材料耐高溫耐磨損抗腐蝕機(jī)理研究

研究金屬碳化物涂層、金屬氧化物涂層、碳基涂層材料等的耐高溫、耐摩擦磨損、耐腐蝕沖蝕、抗菌阻垢阻氫等機(jī)理,為開發(fā)超深井用泵筒柱塞等工具以及閥芯閥座等密封元件提供高性能防護(hù)材料支撐。

3)金屬磁性材料(鐵鎳鉬材料)的增強(qiáng)、增韌、耐高溫、抗腐蝕機(jī)理研究

研究鉬、鎳鋼的增強(qiáng)、增韌以及耐高溫、抗腐蝕機(jī)理,為特殊工況油套管和地面管材的開發(fā)奠定理論支撐。

4)寒冷(極寒)環(huán)境下材料的冷脆轉(zhuǎn)變機(jī)理研究

研究材料的冷脆轉(zhuǎn)變機(jī)理,為開發(fā)滿足寒冷環(huán)境抗冷脆管材和裝備提供支撐。

5)高溫環(huán)境下材料的蠕變機(jī)理研究

研究材料的高溫蠕變機(jī)理,為開發(fā)滿足高溫環(huán)境抗蠕變管材和裝備提供支撐。

6)高分子材料油氣環(huán)境下老化機(jī)理研究

研究高分子聚合物材料在油氣工況環(huán)境下的老化機(jī)理,為開發(fā)抗老化、長壽命的高分子材料提供支撐。

7)苛刻油氣環(huán)境非金屬密封材料增強(qiáng)機(jī)理研究

研究井口裝置及井下管柱密封用非金屬材料(如橡膠、特種工程塑料等)的密封及增強(qiáng)機(jī)理,為開發(fā)耐高溫、耐高壓、耐老化的非金屬密封材料提供支撐。

4.1.1.3 不同載荷和環(huán)境下材料的損傷和失效機(jī)理研究

研究不同工況、不同載荷、不同環(huán)境下不同材料在服役過程中的損傷和失效機(jī)理,利用大數(shù)據(jù)、機(jī)器學(xué)習(xí)、人工智能等手段,實(shí)現(xiàn)對石油管、裝備和設(shè)施的預(yù)測性維護(hù)和健康管理。

4.1.1.4 石油管連接和密封機(jī)理研究

1)石油管的環(huán)焊連接機(jī)理研究

①金屬管的環(huán)焊連接機(jī)理研究

研究同種金屬和異種金屬的環(huán)焊連接和匹配機(jī)理,為開發(fā)出保證環(huán)焊縫質(zhì)量、連接匹配的焊接材料、工藝和裝備提供原理支撐。

②熱塑性塑料管的焊接連接機(jī)理研究

研究聚乙烯、聚丙烯等熱塑性塑料管的熱熔/電熔焊接機(jī)理,為開發(fā)出保證焊接質(zhì)量的熔接材料、工藝和裝備提供原理支撐。

③復(fù)合管的焊接連接機(jī)理研究

通過金屬與金屬復(fù)合管的環(huán)焊、非金屬與非金屬復(fù)合管的熱熔/電熔焊接機(jī)理研究,為開發(fā)出保證連接質(zhì)量的焊接(熔接)材料、工藝和裝備提供原理支撐。

2)石油管的螺紋連接密封機(jī)理研究

①金屬管與金屬管的螺紋連接密封機(jī)理研究

研究金屬管與金屬管的螺紋連接密封機(jī)理,為開發(fā)出保證螺紋連接結(jié)構(gòu)和密封完整性的螺紋連接形式提供支撐。

②非金屬復(fù)合材料管的螺紋連接密封機(jī)理研究

研究玻璃鋼等非金屬復(fù)合材料管的螺紋連接密封機(jī)理,為開發(fā)出保證非金屬螺紋連接結(jié)構(gòu)和密封完整性的連接形式提供支撐。

③金屬管與非金屬復(fù)合材料管的螺紋連接密封機(jī)理研究

研究金屬管與非金屬復(fù)合材料管(玻璃鋼)的螺紋連接密封機(jī)理,為開發(fā)出保證金屬管與非金屬復(fù)合材料管螺紋連接結(jié)構(gòu)和密封完整性的螺紋連接形式提供支撐。

④內(nèi)襯復(fù)合管連接密封機(jī)理研究

研究金屬與金屬、金屬與非金屬(陶瓷內(nèi)襯管、熱塑性塑料內(nèi)襯管)等帶內(nèi)襯的雙層結(jié)構(gòu)復(fù)合管的連接和密封機(jī)理,為開發(fā)出保證內(nèi)襯復(fù)合管連接結(jié)構(gòu)和密封完整性的連接形式提供支撐。

4.1.1.5 復(fù)合管材的界面結(jié)合強(qiáng)度機(jī)理研究

復(fù)合管材是經(jīng)濟(jì)性解決油氣與新能源開發(fā)中特殊需求(耐腐蝕、耐磨損等)的方向和途徑,其結(jié)合界面的強(qiáng)度是復(fù)合管材能否達(dá)到性能要求的關(guān)鍵,必須先對其界面結(jié)合機(jī)理進(jìn)行研究,才能為復(fù)合管材開發(fā)提供理論支撐。

4.1.1.6 增材制造增強(qiáng)增韌機(jī)理研究

研究不同增材工藝及后續(xù)原位循環(huán)再熱過程對材料強(qiáng)韌性的影響機(jī)理,對現(xiàn)有材料合金體系進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計,為增材制造材料及工藝研發(fā)提供理論支撐。

4.1.1.7 材料性能表征理論和全生命周期評價方法研究

從滿足服役條件出發(fā),研究能夠表征材料及其制成品服役性能的理論,以及全生命周期評價管理的理論和方法。

4.1.2 油氣與新能源管道的基礎(chǔ)研究重點(diǎn)

4.1.2.1 超高強(qiáng)度(X90/X100)管道強(qiáng)韌機(jī)理和斷裂控制理論研究

現(xiàn)有X80管道的技術(shù)難題攻克后,建設(shè)超高強(qiáng)度(X90/X100)管道必將成為國際管道技術(shù)和實(shí)踐的發(fā)展趨勢。開展X90/X100等超高強(qiáng)度管線鋼提高強(qiáng)度、韌性與可焊性以及強(qiáng)韌匹配機(jī)理研究和管道的斷裂控制理論研究,將為管道建設(shè)的技術(shù)攻關(guān)提供超前儲備和源頭支撐,推動我國管線鋼和鋼管制造、管道技術(shù)搶占發(fā)展制高點(diǎn)。

4.1.2.2 在役管道損傷和失效機(jī)理研究

中緬管道“7.2”和“6.10”等事故對開展環(huán)焊縫斷裂的機(jī)理(裂紋萌生、擴(kuò)展)以及環(huán)焊縫與母管的強(qiáng)度匹配機(jī)理提出了需求。只有搞清管道斷裂機(jī)理,才可能對在役管道失效事故進(jìn)行預(yù)測,并通過對新建管道采取技術(shù)措施避免事故重復(fù)發(fā)生。

4.1.2.3 氫管道損傷和服役安全理論研究

根據(jù)國際能源署報告,在各種輸氫方式中,海底管道在1 500 km以內(nèi)、陸地管道在3 500 km以內(nèi),管道輸氫的經(jīng)濟(jì)性最好。為實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo),我國必將建設(shè)純氫管道或在現(xiàn)有天然氣管道中摻氫輸送。需要研究氫致?lián)p傷機(jī)理和氫管道斷裂控制理論,形成中高壓輸氫安全機(jī)理和摻氫適用機(jī)理與服役安全理論,支撐純氫和摻氫管道輸送。

4.1.2.4 氫在高分子材料中的滲透機(jī)理研究

研究氫在高分子材料中的吸附、溶解和擴(kuò)散等滲透機(jī)理,支撐以聚乙烯等高分子材料為基礎(chǔ)材料的低壓輸氫非金屬管道建設(shè)。

4.1.2.5 超臨界CO2輸送的腐蝕機(jī)理和失效控制工程

為實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo),埋碳是必然措施。開展大范圍的CCUS,必然要把CO2從富產(chǎn)地輸送到油田等既可驅(qū)油又能埋碳的使用地,CO2的超臨界輸送是最經(jīng)濟(jì)的輸送方式。需要研究CO2超臨界輸送管道的腐蝕機(jī)理、斷裂控制和完整性評價理論。

4.1.3 新能源工程材料的基礎(chǔ)研究重點(diǎn)

以提高新能源材料的轉(zhuǎn)化效率為目標(biāo),研究新能源材料效能轉(zhuǎn)化機(jī)理及新型材料制備原理。

4.1.3.1 鈣鈦礦等薄膜太陽能電池光電轉(zhuǎn)化機(jī)理研究

開展鈣鈦礦/異質(zhì)結(jié)疊層太陽能電池效率提升與轉(zhuǎn)化機(jī)理研究,為相關(guān)功能層薄膜材料的高效率與高質(zhì)量制備技術(shù)開發(fā)提供理論支撐。

4.1.3.2 高性能熱電材料作用機(jī)理研究

開展塞貝克系數(shù)和電導(dǎo)率的多熱電參數(shù)協(xié)調(diào)機(jī)理研究,建立熱電材料電子能帶結(jié)構(gòu)優(yōu)化體系,為高性能熱電材料的研發(fā)和器件制備提供理論基礎(chǔ),支撐高效率余熱發(fā)電和井下抗高溫儀器熱電制冷技術(shù)開發(fā)。

4.1.3.3 釩液流電池儲能效率提升機(jī)理研究

開展全釩液流電池儲能關(guān)鍵材料石墨氈電極和釩電解液的改性研究,開發(fā)電堆流體結(jié)構(gòu)和密封焊接等核心技術(shù),降低系統(tǒng)成本并提高儲能效率。

4.2 油氣與新能源工程材料開發(fā)與應(yīng)用研究重點(diǎn)

習(xí)近平總書記在2021年兩院院士大會、中國科協(xié)第十次全國代表大會上強(qiáng)調(diào)指出,要在石油天然氣、基礎(chǔ)原材料、高端芯片、工業(yè)軟件、農(nóng)作物種子、科學(xué)試驗(yàn)用儀器設(shè)備、化學(xué)制劑等方面關(guān)鍵核心技術(shù)上全力攻堅(jiān)。貫徹落實(shí)總書記要求,重點(diǎn)做好油氣與新能源工程材料國產(chǎn)化、應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)和新一代新材料新技術(shù)開發(fā)等工作。

4.2.1 油氣與新能源工程材料國產(chǎn)化

經(jīng)過30多年努力,中國石油作為需求提出者、標(biāo)準(zhǔn)制定者、創(chuàng)新組織者、部分技術(shù)提供者、產(chǎn)品驗(yàn)證和使用者,帶動陸上石油管材實(shí)現(xiàn)全面國產(chǎn)化、高強(qiáng)度管道應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)由跟蹤躍入國際領(lǐng)跑者行列,當(dāng)好了陸上石油管材原創(chuàng)技術(shù)策源地和現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)鏈的鏈長。同時也應(yīng)清醒地認(rèn)識到,我國在石油天然氣基礎(chǔ)原材料及關(guān)鍵裝備領(lǐng)域,仍然存在諸多“卡脖子”問題,與建設(shè)世界主要科學(xué)中心和創(chuàng)新高地的要求還存在差距。系統(tǒng)調(diào)研梳理了我國油氣工業(yè)發(fā)展的“卡脖子”技術(shù)清單,主要包括軟件、實(shí)驗(yàn)儀器、工藝技術(shù)、裝備及材料等4個方面,其中裝備及材料比例最高,約占38%。表1列出了各專業(yè)領(lǐng)域代表性的“卡脖子”裝備及材料。亟待借鑒陸上石油管材國產(chǎn)化的成功經(jīng)驗(yàn),與油田用戶、管道公司、冶金和制管企業(yè)等建立實(shí)質(zhì)性創(chuàng)新聯(lián)合體,著力關(guān)鍵核心技術(shù)突破,繼續(xù)當(dāng)好原創(chuàng)技術(shù)策源地。

表1 卡脖子石油管及裝備材料

4.2.1.1 特殊服役環(huán)境用高性能石油管材

1)高性能鉆柱與鉆具

國際上,鉆柱設(shè)計及配套工具向輕量化、集成化、可視化、信息化和智能化方向發(fā)展。我國鉆柱與鉆具研發(fā)和應(yīng)用整體上達(dá)到國際先進(jìn)水平,但在智能鉆桿、旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具方面還存在較大差距,特別是隨鉆導(dǎo)向管材用無磁材料(鈹青銅、無磁不銹鋼、PEEK工程塑料)等尚不能國產(chǎn)化,是發(fā)展的重點(diǎn)。

2)抗套損新型套管

國外泰納瑞斯(Tenaris)、法國VM公司制造的125 ksi抗頁巖氣套損套管已規(guī)?；瘧?yīng)用于北美頁巖氣開發(fā),其制管工藝成熟、密封與連接性能優(yōu)異。國內(nèi)在深層頁巖氣開發(fā)用高端套管方面,與國外先進(jìn)水平相比有一定差距,需重點(diǎn)研究成分與組織設(shè)計、高效軋制工藝、熱處理工藝和接頭高效連接工藝,開發(fā)出高抗擠、高延伸率、高密封性能的高端抗套損新型套管。

3)耐高溫非金屬管材與橡塑產(chǎn)品

據(jù)統(tǒng)計,國內(nèi)油田80 ℃以上的耐高溫非金屬管需求量為400～500 km/a。我國現(xiàn)有成熟的油氣集輸用非金屬管專用料耐溫僅能達(dá)到60 ℃,60～80 ℃非金屬管專用料正在立項(xiàng)開發(fā)過程中。80 ℃以上高性能油氣輸送管道用工程塑料如尼龍(PA)、聚酮(POK)、聚偏氟乙烯(PVDF)等全部依賴進(jìn)口且價格十分昂貴,主要廠商包括法國阿科瑪(Arkema)、德國贏創(chuàng)(EVONIC)、比利時索爾維集團(tuán)(Solvay)等,國內(nèi)企業(yè)尚無以上管材專用料的生產(chǎn)能力?；谀透邷夭牧系膹?fù)合管、連接件等管材系統(tǒng)的生產(chǎn)制備技術(shù)同樣受到嚴(yán)密封鎖。

在油井管柱及生產(chǎn)系統(tǒng)中,膠筒、膠塞、膠芯、密封圈等橡膠密封材料是必不可少的元件。目前油田使用的橡膠材料主要包括丁腈橡膠、氫化丁腈以及各種類型的氟橡膠,其中氫化丁腈和氟橡膠仍主要依賴進(jìn)口,主要的生產(chǎn)廠家包括美國杜邦公司、3M公司、日本旭硝子、大金公司、德國朗盛和日本瑞翁公司等,國內(nèi)在橡膠原材料生產(chǎn)、硫化加工、性能保障等方面均存在差距。

需針對性開發(fā)適用于油氣集輸?shù)哪透邷?80～120 ℃)工程塑料產(chǎn)品;研究突破高性能氟橡膠的原材料生產(chǎn)及硫化技術(shù),提升國產(chǎn)氟橡膠、氫化丁腈橡膠的成分結(jié)構(gòu)和加工能力,開發(fā)出與國外先進(jìn)水平相當(dāng)?shù)姆鹉z、氫化丁腈橡膠原材料;攻關(guān)建立石油工業(yè)用工程塑料復(fù)合管材與橡膠制品標(biāo)準(zhǔn)、原料開發(fā)、生產(chǎn)制造、測試評價及現(xiàn)場應(yīng)用等技術(shù)體系。

4)高性能特殊螺紋接頭

高溫高壓氣井油管柱、儲氣庫注采管柱以及隔水管柱等高性能特殊螺紋接頭90%以上依賴進(jìn)口,主要廠商包括阿根廷泰納瑞斯(Tenaris)、日本JFE、法國瓦盧瑞克(Vallourec)、日本美達(dá)王(Metalone)、美國維高(VetcoGray)等。隨著油氣開發(fā)向“深、低、海、非”發(fā)展,需開展高溫高壓高腐蝕環(huán)境下特殊螺紋接頭的密封與連接機(jī)理、設(shè)計開發(fā)、加工制造及驗(yàn)證評價技術(shù)研究。

5)高強(qiáng)度管道焊接材料

高強(qiáng)度管道現(xiàn)場焊接用高性能(高強(qiáng)度、高韌性、良好工藝性)焊條、自保護(hù)焊藥芯焊絲和氣保焊實(shí)心焊絲基本依靠進(jìn)口(歐洲、美國)。近年來,國內(nèi)焊材企業(yè)也開發(fā)了類似產(chǎn)品,但產(chǎn)品的質(zhì)量穩(wěn)定性和工藝性與國外先進(jìn)產(chǎn)品存在一定差異,并因缺乏工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn),實(shí)際工程應(yīng)用量很少。需針對性開展高性能管道焊接材料的開發(fā)、評價及應(yīng)用研究,逐步取代進(jìn)口。

4.2.1.2 海洋鉆采裝備材料

1)海洋隔水管

40多年以來,國外一些國家如美國、挪威等持續(xù)開展隔水管技術(shù)研究。目前,隔水管系統(tǒng)最大應(yīng)用深度已達(dá)3 000 m以上,供應(yīng)商主要集中在美國、挪威、法國和俄羅斯等部分國家,如美國的VetcoGray和Cameron公司、挪威的Aker Kvaerner公司等。用于隔水管主管體的主要材料為管線鋼,常用鋼級為X52、X65和X80,在超深水條件下多使用X80鋼,并且正在向更高強(qiáng)度級別的X100和X120發(fā)展[6]。鈦合金、鋁合金等輕質(zhì)合金與復(fù)合材料管也逐漸被用于深海隔水管。隔水管國產(chǎn)化的難點(diǎn)和瓶頸主要集中在隔水管接頭,因焊接熱作用,接頭區(qū)域成為隔水管系統(tǒng)最薄弱的環(huán)節(jié)。需重點(diǎn)開展隔水管接頭焊接材料、焊接工藝及檢測評價技術(shù)研究,尤其應(yīng)注重開展接頭的實(shí)物疲勞試驗(yàn)研究與標(biāo)準(zhǔn)制定工作。

2)水下防噴器

國外生產(chǎn)水下防噴器的廠家主要是美國的Shaffer公司、Cameron公司和Hydril公司,在技術(shù)和市場上處于壟斷地位。國內(nèi)的華北榮盛、上海神開等開展了水下防噴器的研制和生產(chǎn)。水下防噴器的本體材料常采用25CrNiMo、AISI 4130、AISI 8630、AISI 4330和F22鋼,密封膠芯材料主要分為天然橡膠、丁腈橡膠、氯丁橡膠和氫化丁腈橡膠。應(yīng)重點(diǎn)開展基于服役工況的實(shí)物評價技術(shù)研究,為國產(chǎn)防噴器入海提供安全技術(shù)保障。

3)水下采油樹與水下井口

美國FMC、Cameron和挪威Aker Kvaerner三大廠商占據(jù)了水下采油樹90%以上的市場份額。水下井口的設(shè)計、生產(chǎn)制造技術(shù)也主要掌握在美國和挪威等少數(shù)幾個發(fā)達(dá)國家手中。水下采油樹和水下井口的材料根據(jù)使用條件和腐蝕環(huán)境不同分為碳鋼、低合金鋼、不銹鋼和耐蝕合金。國內(nèi)水下采油樹、水下井口用F6NM馬氏體不銹鋼,654SMo超級奧氏體不銹鋼,2507、2707、3207等超級/超超級雙相不銹鋼,Inconel 625、Inconel 718、Inconel 725、Inconel 925以及Monel K500等鎳基和鐵鎳基合金等的加工制造技術(shù)尚不成熟,是攻關(guān)重點(diǎn)。

4)海洋柔性復(fù)合管

早在19世紀(jì)70年代國外便已開展海洋柔性復(fù)合管的相關(guān)研究,并成功將其應(yīng)用在海洋油氣輸送領(lǐng)域。海洋柔性復(fù)合管的生產(chǎn)廠商主要包括法國的Technip公司、英國Wellstream公司和丹麥NKT Flexibles公司,分別占據(jù)國際市場份額的75%、15%和10%。國內(nèi)科研院所、上下游企業(yè)應(yīng)開展聯(lián)合攻關(guān),突破海洋柔性復(fù)合管的標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)計、制造、檢測、評價與應(yīng)用技術(shù)難題,加快實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的國產(chǎn)化。

4.2.1.3 深井、超深井與非常規(guī)油氣開發(fā)裝備材料

1)超深井鉆機(jī)

國際上以美國NOV(國民油井)、挪威MH、德國HERRENKNECHT(海瑞克)等公司為代表,在鉆機(jī)設(shè)計、制造、評價及應(yīng)用等方面技術(shù)成熟、原創(chuàng)性強(qiáng),并向著高承載、輕量化、安全可靠及智能化方向發(fā)展。國內(nèi)攻克了12 000 m陸地鉆機(jī)系統(tǒng)集成設(shè)計與制造關(guān)鍵技術(shù),但與國外先進(jìn)鉆機(jī)相比,國內(nèi)鉆機(jī)構(gòu)件普遍存在尺寸偏大、結(jié)構(gòu)笨重、服役壽命短、安裝及搬家周期長、費(fèi)用高等問題。輕量化和延長服役壽命的關(guān)鍵在于材料,在于材料強(qiáng)度水平的提升和強(qiáng)度與塑性韌性的合理匹配。應(yīng)從鉆機(jī)服役條件出發(fā),基于現(xiàn)代材料設(shè)計理念,優(yōu)化鉆機(jī)關(guān)鍵構(gòu)件選材和制造工藝,研發(fā)應(yīng)用高性能新材料新工藝,實(shí)現(xiàn)鉆機(jī)構(gòu)件材料的性能提升,降低鉆機(jī)構(gòu)件重量,延長鉆機(jī)服役壽命,提高鉆機(jī)整體服役性能。

2)高壓管匯與壓裂泵

國際上以美國FMC等公司為代表,建立了成熟的高壓管匯及壓裂泵設(shè)計、制造與使用維護(hù)技術(shù)體系,產(chǎn)品承載能力高、性能穩(wěn)定、故障率低。我國140 MPa以上高壓管匯主要依賴進(jìn)口、5 000水馬力以上壓裂泵仍處于工程試用階段,主要存在制造工藝不成熟、產(chǎn)品性能不穩(wěn)定、服役壽命短等問題。為此,需重點(diǎn)開展高壓管匯、不銹鋼壓裂泵閥箱等關(guān)鍵材料的設(shè)計、研發(fā)、評價與應(yīng)用技術(shù)研究。

3)高溫測井儀器

深層超深層溫度達(dá)到240 ℃,壓力達(dá)到180 MPa,高溫高壓下測井儀器和測量電路等存在高溫失效、靈敏度大幅下降等問題。國外斯倫貝謝、哈里伯頓測井儀器耐溫耐壓能力達(dá)到260 ℃/210 MPa,我國耐高溫高壓隨鉆測量儀器、電纜測井及隨鉆測井關(guān)鍵零部件、耐高溫井下工具等主要依賴進(jìn)口,需重點(diǎn)研發(fā)耐高溫高壓集成芯片、耐高溫高性能傳感器(電、磁、核磁、聲)、無磁材料、耐高溫密封材料、多維度主被動復(fù)合式控溫?zé)犭姴牧吓c熱電制冷器件等關(guān)鍵材料和元器件。

4.2.2 油氣與新能源工程材料應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)

面向油氣田開發(fā)、煉油化工、油氣儲運(yùn)等對工程材料的需求,重點(diǎn)解決非API油井管服役安全、套管變形損壞、集輸管網(wǎng)泄漏、煉化裝置腐蝕磨損、長輸管道斷裂失效等嚴(yán)重影響效益的工程材料難題,為油氣田開發(fā)提供支撐。

4.2.2.1 非API油井管適用性評價與安全使用

非API油井管種類繁多,而產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)各異,油氣田采購驗(yàn)收主要依據(jù)生產(chǎn)廠提供的技術(shù)規(guī)范,缺乏統(tǒng)一的基于服役工況的設(shè)計、生產(chǎn)制造、檢測評價與現(xiàn)場使用標(biāo)準(zhǔn),不僅造成油田采購管理難度大,而且往往因管柱設(shè)計和管材選用不當(dāng),導(dǎo)致非API油井管出現(xiàn)質(zhì)量和安全問題,給油田造成巨大經(jīng)濟(jì)損失。需從油田現(xiàn)場需求出發(fā),針對不同服役工況,分別研究制定統(tǒng)一的非API油井管標(biāo)準(zhǔn)體系,進(jìn)一步規(guī)范非API油井管的生產(chǎn)制造和選用評價,從而保障非API油井管的安全高效使用。

4.2.2.2 套管變形和損壞預(yù)防及治理[7]

據(jù)統(tǒng)計,僅中石油每年因套損導(dǎo)致少產(chǎn)油達(dá)3×106t。近年來隨著開采強(qiáng)度的提高,套損率上升趨勢明顯;2012年以來頁巖氣井的套變比例更是高達(dá)40%。工程材料研究院針對長寧、威遠(yuǎn)區(qū)塊頁巖氣開發(fā)中的嚴(yán)重套變問題,初步形成了頁巖氣井套變控制技術(shù),工程試驗(yàn)15井次,套變預(yù)防效果良好。應(yīng)在前期機(jī)理研究、仿真計算、實(shí)驗(yàn)?zāi)M和現(xiàn)場試驗(yàn)基礎(chǔ)上,進(jìn)一步擴(kuò)大應(yīng)用場景和規(guī)模,不斷發(fā)展完善套變控制技術(shù),大幅度降低套變比率。同時,持續(xù)開展套損井治理,進(jìn)一步擴(kuò)大聚合物改性PMC水泥、膨脹尾管懸掛小套固井、非金屬復(fù)合管材復(fù)合貼堵、高效凝膠暫堵、膨脹管補(bǔ)貼等套損井治理新技術(shù)的推廣應(yīng)用,助力油氣田增產(chǎn)增注。

4.2.2.3 集輸管網(wǎng)泄漏防治

油氣田集輸管網(wǎng)跑冒滴漏現(xiàn)象時有發(fā)生,需重點(diǎn)開展失效分析、智能監(jiān)檢測、風(fēng)險評估、腐蝕防護(hù)與修復(fù)補(bǔ)強(qiáng)等工作,進(jìn)一步加大冶金雙金屬復(fù)合管、緩蝕劑、環(huán)氧套筒、非金屬管穿插、管網(wǎng)智能檢測等新產(chǎn)品、新技術(shù)的轉(zhuǎn)化應(yīng)用,解決地面集輸管網(wǎng)泄漏、運(yùn)行監(jiān)測和快速修復(fù)等難題,支撐無泄漏示范區(qū)建設(shè)。

4.2.2.4 煉化設(shè)施和壓力容器監(jiān)檢測

煉化設(shè)施和壓力容器容易發(fā)生腐蝕、沖蝕和磨損,許多關(guān)鍵材料仍依賴進(jìn)口。需在深入研究煉化設(shè)施材料、實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化替代的基礎(chǔ)上,持續(xù)攻關(guān)極端環(huán)境下煉化設(shè)施和壓力容器的概率風(fēng)險評價技術(shù),推廣應(yīng)用基于風(fēng)險的檢測和故障診斷等技術(shù),在保障安全的前提下,盡量延長設(shè)施的大修周期,提升煉化企業(yè)效益。

4.2.2.5 長輸油氣管道失效控制及運(yùn)行維護(hù)

天然氣在一次能源消費(fèi)中的占比將保持增長,長輸管道建設(shè)方興未艾。需圍繞中俄蒙等長輸管道建設(shè),超前儲備X90及以上鋼級長輸管道失效控制及運(yùn)行維護(hù)關(guān)鍵技術(shù),重點(diǎn)開展環(huán)焊縫斷裂控制技術(shù)研究,攻克高性能焊機(jī)和焊接材料依賴進(jìn)口、工藝質(zhì)量不穩(wěn)定、管道應(yīng)力狀態(tài)監(jiān)測、焊接缺陷檢測和容限評估技術(shù)難題,在高鋼級管道建設(shè)和安全運(yùn)行領(lǐng)域形成一批自主創(chuàng)新的領(lǐng)先科技成果。

4.2.2.6 新型非金屬管研發(fā)與應(yīng)用

近年來,非金屬管道里程持續(xù)增長,2022年中石油非金屬管道應(yīng)用已超過5×104km。需圍繞油氣田需求,深入開展橡塑原材料和新型非金屬管材的研究、開發(fā)及評價工作,制定科學(xué)合理的標(biāo)準(zhǔn)體系,擴(kuò)大非金屬管材及密封器件的使用范圍,實(shí)現(xiàn)在油氣混輸、天然氣輸送以及井下等多個領(lǐng)域的推廣。

4.2.2.7 儲氣庫完整性技術(shù)

“十四五”期間,我國地下儲氣庫建設(shè)加速,中石油新建儲氣庫調(diào)峰能力超過112×108m3。針對動載荷下儲氣庫設(shè)施失效機(jī)理認(rèn)識不足、超高精度監(jiān)測手段缺乏、完整性技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系不健全等問題,需重點(diǎn)發(fā)展管柱/管道設(shè)計選材、檢測與評價技術(shù),完善氣藏型和鹽穴型儲氣庫完整性技術(shù)體系,突破儲氣庫在線智能風(fēng)險預(yù)警技術(shù),實(shí)現(xiàn)儲氣庫在線智能安全評估。

4.2.3 新一代油氣與新能源工程材料與技術(shù)

以人工智能、大數(shù)據(jù)、云計算等為核心的信息技術(shù)以及新能源、新材料等技術(shù)不斷滲透到油氣領(lǐng)域,需面向世界科技前沿和全球能源發(fā)展趨勢,超前部署開展新一代油氣與新能源工程材料與技術(shù)攻關(guān),推動引領(lǐng)行業(yè)技術(shù)進(jìn)步。

4.2.3.1 人工智能在油氣與新能源工程材料中的應(yīng)用

工程材料研究院在多年工作中,積累了海量的石油管及裝備材料、服役環(huán)境和失效特征等方面的數(shù)據(jù)和資料。應(yīng)挖掘和利用失效分析、質(zhì)量檢驗(yàn)、駐廠監(jiān)造、現(xiàn)場檢測等積累形成的數(shù)據(jù)資料,開發(fā)全面感知、機(jī)器算法、失效研判等技術(shù),建成實(shí)時診斷、智聯(lián)決策的數(shù)字孿生體和失效預(yù)測預(yù)警智慧化平臺,實(shí)現(xiàn)對油田、管網(wǎng)和煉化管材與裝備全壽命周期的失效控制、健康管理和預(yù)測性維護(hù)。

4.2.3.2 新能源材料與技術(shù)

1)純氫/摻氫管道安全

歐美國家氫氣管道里程超過4 000 km,氫氣輸送管道技術(shù)及標(biāo)準(zhǔn)體系比較完善,我國尚未形成系統(tǒng)的純氫/摻氫管道失效控制技術(shù)及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。建議在管道標(biāo)準(zhǔn)制定、天然氣管道摻氫輸送適用性評價、輸氫管道失效控制及預(yù)測預(yù)防、全尺寸試驗(yàn)技術(shù)等方面重點(diǎn)攻關(guān)。

2)CO2管道安全集輸

CCUS、CO2-EOR過程中,CO2管道存在腐蝕、結(jié)垢、泄漏等風(fēng)險,建議開展CO2注采過程中相態(tài)變化對管柱密封性的影響規(guī)律、超臨界CO2環(huán)境多因素耦合作用的損傷機(jī)制、采輸管道腐蝕結(jié)垢損傷與防腐延壽技術(shù)以及超臨界CO2管道應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)等研究,建立CCUS注采輸全過程管材腐蝕防控、超臨界CO2管道選材、斷裂控制以及危害評估技術(shù)體系,為CCUS、CO2-EOR等技術(shù)的實(shí)施和運(yùn)行提供技術(shù)支撐。

3)氫儲運(yùn)設(shè)備及材料

低溫液態(tài)儲氫設(shè)備方面,大容積液氫球罐、罐車技術(shù)與國外存在差距,關(guān)鍵零部件仍依賴進(jìn)口,需重點(diǎn)開展300 m3以上大型液氫儲罐關(guān)鍵材料及零部件開發(fā)。高壓氣態(tài)儲氫容器方面,日本、韓國、美國與挪威等國的Ⅳ型儲氫氣瓶均已量產(chǎn),并將其作為氫燃料電池用車的首選儲能裝備,建議重點(diǎn)開發(fā)70 MPa Ⅳ型儲氫氣瓶,建立適合我國國情的氫氣瓶性能指標(biāo)體系,包括評價方法、評價準(zhǔn)則以及試驗(yàn)驗(yàn)證方法等。儲氫新材料方面,重點(diǎn)發(fā)展金屬氧化物儲氫材料、有機(jī)液體儲氫材料和多孔吸附儲氫材料等。

4)煤炭地下氣化專用管材

深層UCG工況復(fù)雜,注入井需下入高強(qiáng)度可燃套管,為煤層的可控高效氣化提供井筒環(huán)境,避免發(fā)生遇卡、汽化劑泄漏等井下復(fù)雜事故。生產(chǎn)井井筒溫度為300～800 ℃,井口溫度約200～350 ℃,存在H2S和CO2等腐蝕性氣體,面臨套管變形、腐蝕穿孔、井口抬升、環(huán)空帶壓等氣化爐完整性問題?？扇继坠懿牧虾蛯Ｓ媚透邷胤栏谘b置在國內(nèi)尚屬空白,成為煤炭地下氣化的關(guān)鍵瓶頸技術(shù)。

5)地?zé)衢_發(fā)工具及其材料

隨著地?zé)豳Y源開發(fā)向深層發(fā)展,地?zé)峋疃却笥? 000 m、溫度超過450 ℃,需研發(fā)耐高溫隨鉆測量、完井測試和腐蝕監(jiān)測工具,以及相適應(yīng)的壓裂工具及管材體系等。

6)天然氣水合物開發(fā)管材

重點(diǎn)開發(fā)應(yīng)用鈦合金管材、新型表面涂層材料,解決大狗腿度通過以及水合物堵塞等工程難題。

7)鈣鈦礦太陽能電池材料

以提升光電轉(zhuǎn)換效率為目標(biāo),開展新一代高效率鈣鈦礦/異質(zhì)結(jié)太陽能疊層電池技術(shù)研究,開發(fā)新型鈣鈦礦薄膜材料與器件。

8)新型風(fēng)機(jī)葉片

葉片是風(fēng)力發(fā)電機(jī)中最基礎(chǔ)和最關(guān)鍵的部件,葉片材料應(yīng)密度輕且具有優(yōu)異的抗疲勞性能和良好的耐腐蝕、紫外線照射和雷擊性能。隨著發(fā)電功率的提升,風(fēng)機(jī)葉片大型化成為發(fā)展趨勢。需重點(diǎn)研發(fā)100 m以上高強(qiáng)度、低密度玻璃鋼或碳纖維復(fù)合材料葉片。

4.2.3.3 新型石油管及裝備材料

1)高強(qiáng)低密石油管材

圍繞超深井、水平井、大位移井等開發(fā)需求,重點(diǎn)研發(fā)鈦合金、鋁合金、鎂合金以及碳纖維等具有低密度、高比強(qiáng)度、腐蝕速率可控和抗疲勞的高性能石油管材。

2)低成本耐腐蝕管材

重點(diǎn)開發(fā)應(yīng)用冶金結(jié)合雙金屬復(fù)合管、中低Cr耐蝕合金管、新型涂鍍層管材、非金屬及復(fù)合材料管材等兼具良好耐蝕性和經(jīng)濟(jì)性的新型石油管材,低成本解決油氣田腐蝕防護(hù)難題。

3)基于先進(jìn)制造技術(shù)的新型石油裝備材料

3D打印(增材制造)、綠色再制造等先進(jìn)技術(shù)快速發(fā)展,將為石油裝備的輕量化、綠色化和智能化奠定基礎(chǔ)。重點(diǎn)推動增材制造技術(shù)在模具制造、復(fù)雜零部件制造、小批量生產(chǎn)和快速修復(fù)等領(lǐng)域的應(yīng)用,發(fā)展高性能新型結(jié)構(gòu)鋼、先進(jìn)復(fù)合管材、管材回收再利用技術(shù)等。

5 結(jié)束語

油氣與新能源工程材料是油氣田開發(fā)、煉油化工、管道儲運(yùn)、裝備制造和新能源發(fā)展的基礎(chǔ)和關(guān)鍵,本文僅粗淺地提出研究方向與重點(diǎn)內(nèi)容,相關(guān)內(nèi)容不系統(tǒng)、不完善,甚至不準(zhǔn)確,意為拋磚引玉,需要同行們批評指正和完善。面對日益復(fù)雜苛刻的油氣田環(huán)境和新能源發(fā)展需求,我們應(yīng)堅(jiān)持從國家長遠(yuǎn)需求和急迫需要出發(fā),加強(qiáng)油氣與新能源工程材料基礎(chǔ)研究,著力攻克“卡脖子”和應(yīng)用關(guān)鍵核心技術(shù),超前儲備發(fā)展第一代新材料新技術(shù),加快油氣與新能源工程材料高水平科技自立自強(qiáng),為保障國家能源安全、建設(shè)制造強(qiáng)國和能源強(qiáng)國貢獻(xiàn)科技力量。