CN100372965C - 耐高温抗腐蚀隔热油管用钢及其制造方法 - Google Patents
耐高温抗腐蚀隔热油管用钢及其制造方法 Download PDFInfo
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Abstract
耐高温抗腐蚀隔热油管用钢，其成分质量百分比为：C0.01～0.15、Si0.10～0.5、Mn0.40～1.0、Cr0.5～3.0、Mo0.10～1.0、W0.1～1.0、Cu0.10～1.0、Ni0.1～1.0、其余为Fe和不可避免的杂质。本发明的制造方法，包括如下步骤：1)冶炼、浇铸和热轧形成无缝钢管；2)淬火处理，在920℃～1000℃温度区进行奥氏体化充分处理后进行淬火处理；3)回火处理，淬火后钢管在620℃～720℃温度区间进行回火处理，完成成品管制造。本发明通过复合加入少量的Cr-Mo-W等元素，明显提高了400℃以下尤其是250℃～400℃温度下的高温强度和抗蠕变性能，最终使得钢在上述温度范围的强度超过了600MPa，可用于耐长期高温汽驱稠油开采。
Description
技术领域
本发明涉及一种耐高温抗腐蚀隔热油管用钢及其制造方法，特别是适合温度在300～400℃之间、气压在20Mpa左右并长期在含有CO2、Cl-腐蚀环境使用的汽驱抗腐蚀隔热油管用钢。
背景技术
随着石油开采工业的不断发展和石油消耗量的不断增加，开采稠油已成为国内外许多石油公司的主要产量来源。目前，我国稠油的年产量达1500万吨以上，其中辽河油田、新疆克拉玛依油田，其稠油产量分别占原油总产量的1/2和1/3。稠油开采通常有蒸汽吞吐和汽驱等两种开采方式。蒸汽吞吐是指在本井中完成注蒸汽、焖井和开井生产三个过程的稠油开采方法，从注蒸汽开始到油井不能正常生产为止，称为一个吞吐周期；蒸汽吞吐注汽参数主要是指周期注汽量、注汽速度、蒸汽干度和焖井时间。注汽时间一般为10～15天，焖井时间一般为3～5天，生产时间可长达上百天。但是蒸汽吞吐通常只能采出井点周围油层中有限区域内的原油，井间存在大量蒸汽难以波及到的死油区，蒸汽吞吐的原油采收率一般只有10％～20％。蒸汽驱是指通过适当井网，由注汽井连续注汽，在注入井周围形成蒸汽带，注入的蒸汽将地下原油加热并驱到周围生产井后产出。蒸汽驱一般持续5年或更长时间，其配套设备和管材应满足长期使用工况的要求。蒸汽驱阶段的原油采收率一般可达20％～30％。对于整个稠油油藏，有计划地实施蒸汽吞吐向蒸汽驱转换，可以巧妙地避开蒸汽吞吐和蒸汽驱的低效期，保持稠油油藏的稳产。
九十年代以前，我国稠油开采主要以蒸汽吞吐井为主。对于蒸汽吞吐井，油层注入蒸汽后，在近井地带，油层的局部压力升高，在一定的采油区间内，增加了油藏能量，使得稠油在油层内的流动能力增加，进一步提高了稠油层的产出能力。但是，国内油田采用蒸汽吞吐开采技术进行稠油开发已普遍进入高轮次、后续开采阶段，因地层压力下降，开发效果变差，产量降低。寻求新的稠油开发方式，保持稠油稳产、增产，是进入高轮吞吐后的稠油油田急需解决的问题。而采用稠油蒸汽驱井开发方式，可以有效地提升稠油油田进入高轮次开采阶段后的采收率，对提高稠油产量有突出效果。
与此同时，目前我国胜利、辽河等油田部分稠油区块存在严重的CO2腐蚀问题，而且每年因CO2腐蚀所产生的问题给油田生产造成了很大不便并带来较大经济损失。从材料的防腐学角度看，在高CO2含量、氯离子、产出水量、铁离子含量、低pH值以及井中高温、高压和流体冲刷形成的强腐蚀环境中，要保证油田安全、高效地生产，最有效的办法是使用价格昂贵的13Cr以上的高铬不锈钢管材。但是由于我国多数油田属贫矿低渗透油田，油井的开采寿命大多在10年以下，使用价格昂贵的高铬不锈钢油管，油田无法接受，经济性较差。此外，高Cr不锈钢在这种高氯离子的环境中仍然存在较为严重的局部腐蚀。因此大多数油田目前只好使用一般的普碳钢管材，从而导致了油田CO2腐蚀事故。因此，研究开发抗CO2腐蚀性能较好、钢管成本适中的“经济型”低合金耐高温隔热油套管具有重大的经济和社会效益。
原有隔热油管产品主要以25Mn2、25CrMo4等C-Mn、Cr-Mo钢种为主，其对于蒸汽吞吐井而言基本可以满足用户的使用要求。但随着稠油开采方式由蒸汽吞吐井向汽驱井的转变以及CO2、Cl-等腐蚀井的出现，对隔热油管用管材也提出了更高要求，特别是在长期350℃、20Mpa蒸汽压力和含有CO2、Cl-腐蚀环境下使用要求具有良好的高温性能和抗腐蚀性能等，表1是现有隔热油管钢种的化学成分。
表1现有隔热油管用钢的化学成分
| 材料 | 化学成分(wt％) | |||||||
| C | Si | Mn | P | S | Cr | Mo | ||
| 美国成品管 | 内管 | 0.26 | 0.26 | 1.47 | 0.008 | 0.009 | 0.03 | - |
| 外管 | 0.26 | 0.23 | 1.53 | 0.022 | 0.011 | 0.02 | - | |
| NKK管材 | 内管 | 0.22 | 0.20 | 1.20 | 0.022 | 0.014 | - | - |
| 外管 | 0.19 | 0.16 | 1.24 | 0.012 | 0.015 | - | - | |
| 宝钢25CrMo | 内管 | 0.26 | 0.23 | 0.64 | 0.023 | 0.013 | 0.96 | 0.21 |
| 宝钢25Mn2 | 内管 | 0.24 | 0.25 | 1.57 | 0.018 | 0.005 | - | - |
| 外管 | 0.22 | 0.27 | 1.52 | 0.017 | 0.006 | - | - |
通过专利检索，没有检索到有关的耐高温隔热油管钢种及制造方法的发明专利，只是查到电站锅炉、热交换器等耐高温低合金钢管的钢种成分及其制造方法等。但由于上述领域用材的使用环境与稠油开采有很大区别，钢种的具体成分、性能要求以及制造方法等均与本发明专利有较大区别，特别是钢中Cr、W等抗氧化和耐高温持久元素W含量较高。宝钢曾先后申报过抗CO2腐蚀用低合金钢的发明专利，专利号为01126575.2和00125882.6。但是上述专利钢设计时因不要求耐热性能和焊接性能，仅考虑到抗CO2腐蚀性能而没有加入元素W，此外钢的碳含量也较高，其耐长期高温性能和焊接性较差。
发明内容
鉴于现有25Mn2、25CrMo4等常规隔热油管钢在350℃、20Mpa气压下长期使用时高温性能很差，不适合汽驱抗腐蚀井开采用隔热油管的使用要求。本发明的目的在于提出一种新的耐长期高温汽驱抗腐蚀隔热油管用钢及其制造方法，最终用以解决油气田汽驱井用隔热油管高温性能差、易腐蚀并容易变形的问题。
为达到上述目的，本发明的技术方案是，耐高温抗腐蚀隔热油管用钢，其成分质量百分比为：
C 0.01～0.15
Si 0.10～0.50
Mn 0.40～1.00
Cr 0.50～3.00
Mo 0.10～1.00
W 0.1 0～1. 00
Cu 0.10～0.50
Ni 0.10～0.50
其余为Fe和不可避免的杂质。
进一步，本发明还包括Al、Nb、V等元素中的一种或一种以上，其含量为0.01～0.05wt％。
其中，不可避免杂质元素的总量低于0.05wt％。
本发明的耐高温抗腐蚀隔热油管用钢制造方法，包括如下步骤：
1)冶炼、浇铸和热轧形成无缝钢管；
2)淬火处理，在920℃～1000℃温度区进行奥氏体化充分处理后进行淬火处理，
3)回火处理，淬火后钢管在620℃～720℃温度区间进行回火处理，完成成品管制造。
进一步，热处理后的内外成品管再经过CO2气体保护焊接成隔热油管。
管体室温屈服强度最终大于650Mpa，强度级别分别达到美国石油协会API 5CT规范中所要求的80、90、95、110、125等钢级的强度和性能水平。
C是保证钢管室温强度和淬透性所必需的成分，但当碳含量低于0.05％时淬透性和强度不够，高于0.15％则韧性变坏，焊接性变差。
Mo的加入提高了材料的室温、高温强度和淬透性。如加入量低于0.10％，效果不明显，高于1.0％，加工性能、焊接性能恶化。
Si加入钢中起到了脱氧的作用。低于0.1％含量效果不明显。当含量超过0.5％后，加工性和韧性恶化。
Cr为碳化物形成元素，可以提高钢的室温、高温强度、抗CO2腐蚀性能和淬透性，但是，Cr含量小于0.5％时，效果不明显，超过3.0％时会大大降低钢的韧性，焊接性能也变差。
Mn为奥氏体形成元素，可以提高钢的淬透性，含量小于0.4％时作用不明显，含量大于1.0时，组织偏析倾向加重，影响热轧组织的均匀性。
W为碳化物形成元素，可以提高明显提高钢在高温下的瞬时和持久强度和淬透性，但是，W含量小于0.1％时，效果不明显，超过1.0％时会大大降低钢的韧性，焊接性能也变差。
Cu是抗CO2和Cl腐蚀性能提高的主要元素之一，加入量低于0.1％，效果不明显，高于0.5％，热加工性变差。
Ni能提高钢的强韧性和抗腐蚀性能，但是加入量低于0.1％时，效果不明显，超过0.5％时合金成本会明显增加。
Nb、V：能够细化晶粒，形成碳化物，提高钢的强度和韧性。但含量达到一定量时，其效果增加便不明显了，同时因为价格很高，所以要限制使用量。
Al在钢中起到了脱氧作用和细化晶粒的作用，当加入量低于0.01％时，效果不明显，加入量超过0.10％，力学性能变差。
本发明的有益效果
本发明通过复合加入少量的Cr-Mo-W等元素，明显提高了400℃以下尤其是250℃～400℃温度下的高温强度和抗蠕变性能，最终使得钢在上述温度范围的强度超过了600Mpa。此外，本发明的合金钢因合金量较低，成本和现有电站锅炉、热交换器等高温耐热钢相比，成本有大幅度下降。
采用上述成分和制造方法生产的隔热油管的高温强度相比常规产品提高了30％，产品可焊接性好，抗CO2腐蚀性能和常规产品相比提高了2倍以上，完全可以用于耐长期高温汽驱稠油开采。
本发明钢种属低合金钢范畴，和原有钢种相比，在降低碳含量的基础上复合加入少量的Cr、Mo、W、Cu、Ni等元素，一方面改善了焊接性能，使油田现场生产时更易控制，另一方面明显提高了钢在室温和高温下的屈服强度和抗CO2、Cl-腐蚀性能，特别是改善了钢在长时间高温下的持久性能。
具体实施方式
实施例见表2，A1-A7为本发明的合金钢，B1-B2为对照钢。
表2 本发明钢和现有隔热油管钢的化学成分，wt％
| 钢号 | C | Si | Mn | Cr | Mo | W | Al | Cu | Ni | Nb | V |
| 实施例A1 | 0.15 | 0.25 | 0.50 | 1.00 | 0.20 | 0.20 | 0.03 | 0.20 | 0.10 | ||
| 实施例A2 | 0.10 | 0.10 | 0.40 | 1.80 | 0.30 | 0.30 | 0.05 | 0.25 | 0.40 | 0.01 | |
| 实施例A3 | 0.08 | 0.20 | 0.60 | 0.95 | 0.45 | 0.25 | 0.18 | 0.15 | 0.01 | ||
| 实施例A4 | 0.10 | 0.30 | 0.80 | 0.50 | 0.60 | 0.50 | 0.50 | 0.25 | 0.03 | 0.03 | |
| 实施例A5 | 0.01 | 0.50 | 0.40 | 3.00 | 0.10 | 0.10 | 0.01 | 0.45 | 0.30 | 0.05 | |
| 实施例A6 | 0.12 | 0.20 | 1.00 | 2.00 | 0.5 | 0.20 | 0.035 | 0.25 | 0.50 | 0.05 | |
| 实施例A7 | 0.06 | 0.15 | 0.50 | 2.80 | 1.0 | 0.35 | 0.05 | 0.10 | 0.20 | ||
| 对比例B1 | 0.25 | 0.30 | 1.60 | ||||||||
| 对比例B2 | 0.25 | 0.30 | 0.80 | 1.00 | 0.40 | 0.03 |
上述试验钢经冶炼、浇铸和热轧的无缝钢管首先在920℃～1000℃温度区进行奥氏体化充分处理后进行淬火处理，淬火管随后在620℃～720℃温度区间进行回火处理。管体室温屈服强度最终大于650Mpa，强度级别分别达到美国石油协会API 5CT规范中所要求的80和90、95、110、125等钢级的强度和性能水平。热处理后的内外成品管配上合适的焊材再经过CO2气体保护焊接成隔热油管。
表3 本发明实施例和对比钢的力学性能和抗CO2、Cl-腐蚀性能对比
| 钢号 | 室温力学性能 | 350℃高温力学性能 | 抗CO<sub>2</sub>、Cl<sup>-</sup>腐蚀性能 | ||||
| σ<sub>b</sub>，Mpa | σ<sub>0.5</sub>，Mpa | δ<sub>50.8</sub>，％ | σ<sub>b</sub>，Mpa | σ<sub>0.5</sub>，Mpa | δ<sub>50.8</sub>，％ | 腐蚀速率，mm/a | |
| 实施例A1 | 850 | 725 | 16.0 | 684 | 620 | 16.5 | 2.8 |
| 实施例A2 | 830 | 735 | 17.5 | 685 | 615 | 16 | 2.4 |
| 实施例A3 | 845 | 740 | 16.5 | 695 | 605 | 15.5 | 2.1 |
| 实施例A4 | 1050 | 850 | 15.5 | 840 | 720 | 16.5 | 2.5 |
| 实施例A5 | 825 | 735 | 16 | 670 | 615 | 17.0 | 2.5 |
| 实施例A6 | 836 | 730 | 15.5 | 683 | 630 | 16.0 | 2.0 |
| 实施例A7 | 854 | 736 | 15.8 | 690 | 608 | 15.8 | 2.6 |
| 对比例B1 | 800 | 690 | 16.0 | 610 | 440 | 22.5 | 12.0 |
| 对比例B2 | 829 | 700 | 15.5 | 650 | 500 | 20.5 | 6.21 |
从表3的试验结果可以看出本发明的合金钢的抗腐蚀性能、高温强度和抗高温变形能力明显比对照钢要好。
Claims (5)
1.耐高温抗腐蚀隔热油管用钢，其成分质量百分比为：
C 0.01～0.15
Si 0.10～0.50
Mn 0.40～1.00
Cr 0.5～3.0
Mo 0.10～1.00
W 0.1～1.0
Cu 0.10～0.50
Ni 0.1～0.5
其余为Fe和不可避免的杂质。
2.如权利要求1所述的耐高温抗腐蚀隔热油管用钢，其特征是，还包括Al、Nb、V元素中的一种或一种以上，每一种元素的含量为0.01～0.05，以质量百分比计。
3.如权利要求1所述的耐高温抗腐蚀隔热油管用钢，其特征是，不可避免杂质元素的总量低于0.05，以质量百分比计。
4.一种如权利要求1所述耐高温抗腐蚀隔热油管用钢的制造方法，包括如下步骤：
1)冶炼、浇铸和热轧形成无缝钢管；
2)淬火处理，在920℃～1000℃温度区进行奥氏体化充分处理后进行淬火处理；
3)回火处理，淬火后钢管在620℃～720℃温度区间进行回火处理，完成成品管制造。
5.如权利要求4所述的耐高温抗腐蚀隔热油管用钢的制造方法，其特征是，热处理后的内外成品管再经过CO2气体保护焊接成隔热油管。
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| CNB200510028262XA CN100372965C (zh) | 2005-07-28 | 2005-07-28 | 耐高温抗腐蚀隔热油管用钢及其制造方法 |
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