CN101270445A

CN101270445A - 耐高温隔热油管用钢、隔热油管及其制造方法

Info

Publication number: CN101270445A
Application number: CNA2007100383899A
Authority: CN
Inventors: 张忠铧; 孙元宁; 蔡海燕
Original assignee: Baoshan Iron and Steel Co Ltd
Current assignee: Baoshan Iron and Steel Co Ltd
Priority date: 2007-03-23
Filing date: 2007-03-23
Publication date: 2008-09-24
Anticipated expiration: 2027-03-23
Also published as: CN101270445B

Abstract

一种耐高温隔热油管用钢，其化学成份为C 0.05～0.20％，Si 0.01～0.6％，Mn 0.10～1.0％，P≤0.015％，S≤0.015％，W 0.10～1.0％，Cr 0.10～1.0％，Mo 0.10～1.0％，余量为铁元素；以该钢种为材质的耐高温隔热油管；以及该油管的制造方法，包括冶炼、浇注、轧制、热处理、扩口及内管和外管端部的焊接工序，所述焊接工序采用合适的焊接参数、预、后热处理及合适的焊丝。本发明所用钢种制成的隔热油管具有优良的高温性能，可成功地在温度为350℃、气压为20MPa的蒸汽驱的高温条件下使用。

Description

耐高温隔热油管用钢、隔热油管及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种耐高温隔热油管用钢、用这种钢制成的隔热油管及其制造方法。

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，我国稠油年产量达1500万吨以上，稠油开采通常有蒸汽吞吐和蒸汽驱两种开采方式。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。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，而且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气井连续注汽，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，蒸汽驱阶段的原油采收率一般可达20～30％。而且，根据整个稠油的油藏量可有计划地实施蒸汽吞吐向蒸汽驱转换，从而巧妙地避开蒸汽吞吐的低效期，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，但是，目前国内油田采用蒸汽吞吐开采技术进行稠油开采已普遍进入高轮次，而采用稠油蒸汽驱井开采方式，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。但是随着稠油开采方式由蒸汽吞吐井向蒸汽驱井的转变，对油管也提出了更高的要求，目前国内使用的油管25Mn₂、25CrMo因其碳当量较低，合金元素含量少，加之没有适宜的焊材和焊接工艺，故高温性能差，容易变形，不能在蒸汽驱井温度为350℃、气压为20Mpa的条件下长期使用。

国外，未见报道采用稠油蒸汽驱井开采方式，因此至今未检索到有关蒸汽驱隔热油管的材质及其生产制造和焊接技术工艺的报道。

宝钢曾于2005年申请过一项蒸汽隔热油管用钢的专利，具体成份为：碳0.05～0.20％，硅0.10～0.6％，锰0.10～1.0％，铬0.5～1.0％，钼0.10～1.0％，钨0.1～1.0％，同时还包括含有铝、铌、钒、等元素中的一种或一种以上，含量为0.10～0.05％。该专利申请中涉及的钢材成份相对复杂，制造成本较高，而且也没有涉及油管的焊接制造方法。

发明概述

本发明的第一个目的在于提供一种耐高温隔热油管用钢。

本发明的第二个目的在于提供用这种钢制成的耐高温隔热油管。

本发明的第三个目的在于提供这种耐高温隔热油管的制造方法。

本发明提供的耐高温隔热油管用钢为低合金钢，其所含元素的重量百分比含量为：C0.05～0-20％，Si0.01～0.6％，Mn0.10～1.0％，p≤0.015％，s≤0.015％，w0.10～1.0％，Cr0.10～1.0％，Mo0.10～1.0％，余量为铁元素。

本发明的耐高温隔热油管以上述耐高温隔热油管用低合金钢为材质，其所含元素的重量百分比含量为C0.05～0.20％，Si0.01～0.6％，Mn0.10～1.0％，P≤0.015％，S≤0.015％，W0.10～1.0％，Cr0.10～1.0％，Mo0.10～1.0％，余量为铁元素；所述隔热油管包括内管和外管，所述内管的端部扩口后与外管端部焊接相连，所述内管和外管之间有一层隔热层。

本发明提供的耐高温隔热油管制造方法包括冶炼、浇注、轧制、热处理、扩口及内管和外管端部的焊接工序，其中所述内管和外管端部的焊接工艺包括：

采用上披焊，焊接层数为4层，焊接工艺参数为：焊接电流200～400A，焊接电压20～30V，焊接速度300～600mm/min，气流量10～20l/min，在保护气体下焊接；

采用低碳低合金钢为焊丝；

焊接的预、后热处理为：焊前预热温度200～400℃，焊后回火温度600～750℃。

发明详述

本发明的第一个方面提供一种耐高温隔热油管用钢，这种耐高温隔热油管用钢为低合金钢，其所含元素的重量百分比含量为：C0.05～0.20％，Si0.01～0.6％，Mn0.10～1.0％，P≤0.015％，S≤0.015％，W0.10～1.0％，Cr0.10～1.0％，Mo0.10～1.0％，余量为铁元素。

各化学成份含量范围的选择原理如下：

C是保证钢管室温强度和淬透性所必需的成份，但当碳含量低于0.05％时淬透性和强度不够，高于0.20％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0.6％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、高温强度和淬透性，但是，Cr含量小于0.1％时，效果不明显，超过1.0％时成本增加并且会降低钢的韧性，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0.1％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。

在一个优选实施方式中，本发明的耐高温隔热油管用钢其主要元素的重量百分比含量为：C0.08～0.15％，Si0.15～0.35％，Mn0.4～0.8％，W0.1～0.2％，Cr0.5～0.8％，Mo0.2～0.4％。杂质元素的总量低于0.05％。

本发明的第二个方面提供一种耐高温隔热油管，这种耐高温隔热油管以上述耐高温隔热油管用低合金钢为材质，其所含元素的重量百分比含量为C0.05～0-20％，Si0.01～0.6％，Mn0.10～1.0％，P≤0.015％，S≤0.015％，W0.10～1.0％，Cr0.10～1.0％，Mo0.10～1.0％，余量为铁元素；所述隔热油管包括内管和外管，所述内管的端部扩口后与外管端部焊接相连，所述内管和外管之间有一层隔热层。

在一个优选实施方式中，本发明的耐高温隔热油管以上述耐高温隔热油管用低合金钢为材质，其中主要元素的重量百分比含量为：C0.08～0.15％，Si0.15～0.35％，Mn0.4～0.8％，W0.1～0.2％，Cr0.5～0.8％，Mo0.2～0.4％。杂质元素的总量低于0.05％。

在一个优选实施方式中，本发明的耐高温隔热油管所包括的内管的规格为Φ73mm×5.5mm，外管的规格为Φ114.3×6.35mm。

在一个更优选的实施方式中，本发明的耐高温隔热油管所包括的内管和外管之间的隔热层为真空隔热层。

本发明的第三个方面提供一种耐高温隔热油管的制造方法，包括冶炼、浇注、轧制、热处理、扩口及内管和外管端部的焊接工序，其中所述内管和外管端部的焊接工艺包括：

采用低碳低合金钢为焊丝；

焊接的预、后热处理为：焊前预热温度200～400℃，焊后回火温度600～750℃

本发明的耐高温隔热油管制造方法中，焊接工艺参数最佳控制范围为：焊接电流250～300A，焊接电压23～25V，焊接速度400～500mm/min，气流量12～17l/min。

在一个优选实施方式中，焊接过程所采用的保护气体为CO₂和Ar混合气体。

在一个优选实施方式中，焊丝所采用的低碳低合金钢为H08Cr Mn Si Mo A，该低碳低合金钢的主要化学成份为：碳0.04～0.05％，硅0.2～0.3％，锰1.0～1.2％，铬0.9～1.1％，钼0.5～0.8％，硫≤0.015％，磷≤0.015％。

在一个优选实施方式中，焊接的最佳预后热处理为：焊前预热温度280～300℃，焊后回火温度650°～700℃。

在一个优选实施方式中，冶炼采用电弧炉冶炼及LF+VOD炉外精炼；轧制采用热轧，管坯的加热温度为1200～1300℃，开轧温度为1150～1250℃，终轧温度为≥850℃，轧制成的内管和外管在850～950℃范围水淬后再经600～750℃温度回火；扩口是对内管端部感应加热至1150℃后进行扩口。

在一个更优选的实施方式中，采用如下生产工艺：先经150吨电弧炉冶炼及LF+VOD炉外精炼，然后经连铸和热轧制造成规格为Φ73mm×5.5mm的内管及规格为Φ114.3×6.35mm的外管，在热轧过程中，管坯的加热温度为1200～1300℃，开轧温度为1150～1250℃，终轧温度为≥850℃；轧制成的内管和外管在850～950℃范围水淬后再经600～750℃等不同温度回火成适当钢级后，再对内管端部感应加热至1150℃后进行扩口，随后将内管和外管端部按所述的焊接工艺焊接相连成新型隔热油管。

采用上述技术方案，具有下列效果：本发明所用钢种属低合金钢范畴，与原有钢种25Mn₂相比，在降低碳含量的基础上复合加入了少量的Cr、Mo、W等元素；与原有钢种25CrMo相比，在降低碳含量的基础上复合加入了W元素。因此，本发明所用钢种，明显提高了250～400℃温度下的高温强度，抗蠕变性能。另外，本发明所用钢种的焊接制造方法在国内外没有相关技术的报道，通过采用该焊接制造方法的新型焊材和焊接工艺，保证了焊接力学性能。

通过合适的冶炼、炉外精炼、连铸、轧制、热处理工艺及专门研制的焊接工艺制造成的上述低合金钢的隔热油管的350℃的高温性能与一般常规的油管产品相比：高温强度明显提高，稳态蠕变速度(ε％小时)明显降低，油管焊接性能良好，满足用户要求。

在石油开采工业中，一般要求开采稠油的油管拉伸屈服强度σ_0.5(MPa)不能低于美国石油协会标准API 5CT规定的拉伸屈服强度σ_0.5(Mpa)为552Ma的要求，原有钢材25CrMo及25Mn₂的σ_0.5(Mpa)在350℃下的高温拉伸屈服强度明显低于API 5CT规定的552Mpa的要求，25Mn₂的最低拉伸屈服强度σ_0.5(Mpa)仅为440Mpa。而本发明所用钢种350℃的高温拉伸屈服强度σ_0.5(Mpa)为585～720Mpa之间明显大于API 5CT规定的σ_0.2(Mpa)为552Mpa的要求。

综合上述，原有钢种25CrMo及25Mn₂不能用于蒸汽驱的高温条件下，而本发明所用钢种制造成的隔热油管具有优良的高温性能完全可以成功地在温度为350℃，气压为20Mpa的蒸汽驱条件下使用。

附图的简要说明

图1为内外管端部焊接的剖视示意图。

具体实施方式

下面用实施例对本发明作进一步阐述，但这些实施例绝非对本发明有任何限制。本领域技术人员在本说明书的启示下对本发明实施中所作的任何变动都将落在权利要求书的范围内。

表1列出了用于蒸汽驱稠油开采的本发明新型隔热油管所用钢种实际冶炼的5个钢号A₁～A₅、用于吞吐稠油开采的美国成品油管所用钢种25Mn₂、日本成品油管所用钢种25CrMo、国内成品油管所用钢种25Mn₂及25CrMo的化学成份标准控制范围。

本实施例的隔热油管用钢种坯料经150吨电弧炉冶炼、LF+VOD炉外精炼、连铸而成的，该连铸坯经热轧制成Φ73mm×5.5mm及Φ114.3mm×6.35的内外管，管坯加热温度和开轧温度分别在1200～1300℃和1150℃～1250℃之间，终轧温度850℃以上。钢管在850～950℃范围水淬后再经600～750℃等不同温度回火成适当钢级后先对内管端部感应加热至1150℃后进行扩口，随后将其和外管进行焊接。

焊接的技术方案为：采用上坡焊、材料的厚度为内管的壁厚5.5mm，焊接层数为4层，如图1所示，1为第一层焊接，2为第二层焊接，3为第三层焊接，4为第四层焊接，5为外管，6为内管，7为真空隔热层，8为第一、二、三层焊接的焊缝，9为第四层焊接的焊缝。焊接工艺参数的控制见表2。

蒸汽驱隔热油管工作在温度为350℃，气压为20Mpa环境中，因此，在制定焊接工艺时，选择既要保证焊接接头的高温热强性又要防止焊接时发生冷震的焊丝是焊接工艺规范制定的原则，经过对国内外多种焊丝成份，性能等方面进行比较分析，最终选定了表2所示的H08CrMn₂SiMoSA低碳低合金钢焊丝，该焊丝的主要化学成份见表3所示。

表3

H08CrMn₂SiMoA焊丝的主要化学成份(wt％)

C	Si	Mn	Cr	Mo	S	P
C	Si	Mn	Cr	Mo	S	P	0.044	0.25	1.18	1.08	0.54	0.011	0.014

表3所示H08CrMn₂SiMoA焊丝极低的含碳量主要是为了改善钢材的焊接性，低的含碳量可以提高钢材的抗冷震性以及低温韧性，从而改善材料的焊接性；而高的Mn、Cr、Mo合金元素含量则保证了焊接接头的高温热强性。因此，极低的含碳量、高的合金元素含量既保证了焊缝性能与母材匹配，具有必要的高温热强性，同时又改善了钢材的焊接性。

蒸汽驱隔热油管合金元素含量很高，淬硬性和冷裂倾向严重，为了防止冷裂纹及近缝区硬化现象，制定合理的预热温度和焊后回火温度是非常重要的。通过一系列试验确定本发明蒸汽驱隔热油管所用钢的最佳预后热处理为：焊接前的预热温度为280～300，焊后回火温度为650～700℃。

表4所示为本发明蒸汽驱隔热油管所用钢实际冶炼钢号A₁～A₅的80钢级与原蒸汽吞吐隔热油管所用钢25Mn₂及25CrMo的力学性能对比。从表4所列的数据中可以看出本发明蒸汽驱隔热油管所用钢的80钢级350℃的高温性能与原蒸汽吞吐隔热油管相比高温强度明显提高，蠕变速率明显降低，这是因为本发明蒸汽驱隔热油管所用钢复合加入少量Cr、W、Mo元素的缘故，这些合金元素会明显提高，250℃-400℃温度下的高温强度和抗蠕变性能。从表4还看出钢号A₁～A₅的350℃高温强度σ_b为695～732Mpa，高温屈服强度σ_0.5为585～720Mpa全部达到API5CT(美国石油协会标准)规定的350℃下σ_b≥689Mpa，σ_0.5≥552Mpa的要求。尤其350℃下钢号A₁～A₅的屈服强度全部达到API 5CT(美国石油协会标准)的要求从而保证本发明的隔热油管能成功地在蒸汽驱温度为350℃，气压为20Mpa的条件下使用，而原蒸汽吞吐隔热油管25Mn₂及25CrMo的350℃高温屈服强度σ_0.5(Mpa)均低于552Mpa，其中25Mn₂的σ_0.5(Mpa)只有440Mpa，所以25Mn₂及25Cr Mo不能使用在蒸汽驱温度为350℃气压为20Mpa的高温条件下。

表4

本发明蒸汽驱隔热油管所用钢80钢级与原油管所用钢的力学性能对比

表5所示为本发明所用钢焊缝接头高温拉伸性能的试验结果，表6所示为焊缝接头弯曲试验结果，表7所示为焊缝接头室温冲击试验结果。从表达5看出焊缝接头高温拉伸的试验结果，断裂位置在母材。从表6看出焊缝接头弯曲180度的试验结果无裂纹，符合要求，从表7看出焊缝接头室温冲击性能超过30J完全满足用户要求。这说明采用上述焊接工艺后本发明的隔热油管的焊接部份的性能完全能使用在蒸汽驱温度为350℃，气压为20Mpa的高温条件，满足用户要求。

表5

焊缝接头高温拉伸试验结果

拉伸温度	σ_b，Mpa	断裂位置
拉伸温度	σ_b，Mpa	断裂位置	室温	1000	母材
300℃	972.26	母材	室温	1000	母材
300℃	972.26	母材	350℃	971.65	母材
400℃	902.24	母材	350℃	971.65	母材

表6

焊缝接头弯曲试验结果

表7

焊缝接头室温冲击试验结果

Claims

1. 一种耐高温隔热油管用钢，其特征在于：为低合金钢，其所含元素的重量百分比含量为：C 0.05～0.20％，Si 0.01～0.6％，Mn 0.10～1.0％，P≤0.015％，S≤0.015％，W 0.10～1.0％，Cr 0.10～1.0％，Mo 0.10～1.0％，余量为铁元素。

2. 如权利要求1所述的耐高温隔热油管用钢，其中主要元素的重量百分比含量为C 0.08～0.15％，Si 0.15～0.35％，Mn 0.4～0.8％，W 0.1～0.2％，Cr 0.5～0.8％，Mo 0.2～0.4％，杂质元素的总量低于0.05％。

3. 一种耐高温隔热油管，其特征在于：以权利要求1或2所述耐高温隔热油管用钢为材质；所述隔热油管包括内管和外管，所述内管的端部扩口后与外管端部焊接相连，所述内管和外管之间有一层隔热层。

4. 如权利要求3所述的隔热油管，其中所述内管的规格为Ф73mm×5.5mm，所述外管的规格为Ф114.3×6.35mm。

5. 如权利要求3所述的隔热油管，其中所述内管和外管之间的隔热层为真空隔热层。

6. 权利要求3所述隔热油管的制造方法，包括冶炼、浇注、轧制、热处理、扩口及内管和外管端部的焊接工序，其特征在于，所述内管和外管端部的焊接工艺包括：

采用上披焊，焊接层数为4层，焊接工艺参数为：焊接电流200～400A，焊接电压20～30V，焊接速度300～600mm/min，气流量10～201/min，在保护气体下焊接；

采用低碳低合金钢为焊丝；

7. 如权利要求6所述的制造方法，其中焊接电流为250～300A，焊接电压为23～25V，焊接速度为400～500mm/min，气流量为12～171/min。

8. 如权利要求6所述的制造方法，其中所述保护气体为CO₂和Ar混合气体。

9. 如权利要求6所述的制造方法，其中所述焊丝采用的低碳低合金钢为HO8CrMnSiMoA，该低碳低合金钢的主要化学成份为：碳0.04～0.05％，硅0.2～0.3％，锰1.0～1.2％，铬0.9～1.1％，钼0.5～0.8％，硫≤0.015％，磷≤0.015％。

10. 如权利要求6所述的制造方法，其中焊接采用的预、后热处理为：焊前预热温度280～300℃，焊后回火温度650～700℃。

11. 如权利要求6所述的制造方法，其中所述冶炼采用电弧炉冶炼及LF+VOD炉外精炼；所述轧制采用热轧，管坯的加热温度为1200～1300℃，开轧温度为1150～1250℃，终轧温度为≥850℃，轧制成的内管和外管在850～950℃范围水淬后再经600～750℃温度回火；所述扩口是对内管端部感应加热至1150℃后进行扩口。