CN101928893B - 抗二氧化碳腐蚀低合金钢 - Google Patents

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Abstract

一种抗二氧化碳腐蚀用低合金钢，其按重量百分比计的化学成分为C：0.20～0.35％，Si：0.10～1.0％，Mn：0.20～1.5％，Cr：0.5～1.5％，Ni≤0.35％，Cu≤0.35％，Al：0.01～0.10％，其余为Fe和不可避免的杂质，其中杂质元素的总量低于0.05wt％。该合金钢的制造过程在冶炼→连铸→热轧→空冷后不进行热处理。该合金钢制成的油井管强度为55ksi级，适合用于耐二氧化碳腐蚀的浅井。

Description

抗二氧化碳腐蚀低合金钢
技术领域
本发明涉及一种低合金钢，特别是抗二氧化碳腐蚀的55ksi钢级油井管用低合金钢及其制造方法。
背景技术
在油气田发展过程中，CO2腐蚀是一个长期存在的重大问题。就材料肪腐学角度而言，针对高CO2、氯离子、产出水量、铁离子含量、低PH值以及井中高压和流体冲刷形成的强腐蚀环境，要保证油田安全、高效地生产，使用价格昂贵的超级13Cr不锈钢管材是最有效的办法。但是，我国多数油田为贫矿低渗透油田，且开采寿命较短，大多在10年以下，因此，使用昂贵的高铬不锈钢油管经济性较差，油田无法接受，在这种情况下，大多数油田目前使用的还是一般的普碳钢管材，从而导致了油田多起严重的CO2腐蚀事故。
随着开采条件的变化，在很多2km以下浅井中CO2的含量不断增加，因而目前采用的一般碳钢管在使用过程中常出现CO2腐蚀失效现象，造成的经济损失和为此采取的防护措施已严重影响了油田经济效益。一般而言，在这些浅井中采用55ksi钢级强度的油套管即可。但是，到目前为止，市场上还不存在具有抗CO2腐蚀效果且生产工艺相对简单的55ksi钢级经济型油套管产品。
现有技术的有关抗CO2腐蚀(或同时抗CO2和H2S腐蚀)用合金钢的发明专利申请很多。但是这些文献所涉及的大多是80ksi及以上钢级的中合金或超级13Cr、15Cr以及22Cr双相不锈钢等高合金的化学成分及其制造方法。如中国专利申请CN1401809A、CN1292429A、CN1487112A、EP995809A1、WO9941422、JP2001059136、JP2000063994等。
美国专利US 6648991公开了一种以Cr、Mn为主要合金元素，配以适当Mo、V元素，属于超低碳及低合金钢范围。该文献技术中合金采用热轧后正火或调质工艺处理，所得油套管强度可涵盖55～125ksi钢级以上。
从强度角度，2km以下浅井一般使用55ksi钢级油套管即可。目前这些浅井所采用的普通J55碳钢管在含有二氧化碳、氯离子等复合酸性腐蚀环境条件下因耐蚀性差，很容易失效从而导致油田经济损失。
目前市场上还不存在具有抗CO2腐蚀效果且生产工艺相对简单的55ksi钢级经济型油套管产品。
发明内容
本发明的目的是提供一种抗二氧化碳腐蚀的低合金钢，特别是55ksi钢级油井管用低合金钢。
为实现上述目的，本发明的抗二氧化碳腐蚀用低合金钢，其按重量百分比计的化学成分为C：0.20～0.35％，Si：0.10～1.0％，Mn：0.20～1.5％，Cr：0.5～1.5％，Al：0.01～0.10％，其余为Fe和不可避免的杂质，其中杂质元素的总量低于0.05wt％。
为了进一步提高抗二氧化碳腐蚀性，本发明钢还可以加入Ni≤0.35％和Cu≤0.35％。优选地Cu：0.1～0.35％，Ni：0.1～0.35％。
本发明的抗二氧化碳腐蚀的低合金钢强度为55钢级，适合用于油井管。
本发明的合金钢选择化学成分范围的理由如下：
C是保证钢管室温强度和淬透性所必需的成分。碳含量低于0.20％时淬透性和强度不够，高于0.35％则韧性变坏。
Si加入钢中起到了脱氧和改善耐蚀性的作用。低于0.10％含量效果不明显。当含量超过1.0％后，加工性和韧性恶化。
Cr的加入使钢的强度和抗CO2腐蚀性能提高。但是，Cr含量小于0.5％时，钢的淬透性不够，抗CO2腐蚀性能提高不明显。高于1.5％，加工性变差，材料成本提高。Cr含量一般控制在0.5～1.5％。
Mn是改善钢的强韧性必须的元素，小于0.2％时作用较小。当Mn含量超过1.5％后，抗CO2腐蚀性下降。
Al在钢中起到了脱氧作用和细化晶粒的作用，另外还提高了表面膜层的稳定性和耐蚀性。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。
Cu、Ni是抗CO2腐蚀性能提高的元素之一，Cu和Ni在本发明中是选择性添加元素，少量Cu和Ni的加入可以进一步提高抗二氧化碳腐蚀性，但含量高于0.35％后，热加工性变差。优选地Cu为0.1～0.35％，Ni为0.1～0.35％。
本发明的另一个目的是提供抗二氧化碳腐蚀的55钢级油井管用低合金钢的制造方法。
本发明的钢种为强度55ksi钢级(对应最小屈服强度为379Mpa)，化学成分上属于低合金范畴，且制造工艺简单，经常规的炼钢、连铸和热轧后空冷即可获得成品油井管，省略掉了调质热处理程序，节省了成本。
现有技术中具有抗CO2腐蚀性能的钢管产品强度多为80ksi及以上钢级，且化学成分属于中合金或超级13Cr、15Cr以及22Cr双相不锈钢等高合金范畴，制造过程中在热轧工序后往往需要通过高温调质的热处理方式来保证80ksi钢级以上强度和抗二氧化碳腐蚀性能，即在高于850℃以上温度水淬或油淬后再在高于650℃温度下高温长时间回火达到性能要求。
采用本发明的方法制造的抗二氧化碳腐蚀的55ksi钢级油井管用低合金钢不仅具有良好的抗二氧化碳腐蚀性能，是经济型油套管用钢种，而且其制造过程相对简单，可以节约生产成本。
附图说明
图1是本发明的合金钢和对比钢进行高压釜腐蚀试验后的试验表面形貌。其中，a为本发明钢；b为普通J55。
具体实施方式
以下通过实施例较为详细地介绍本发明的特点。
表1是本发明实施例和对比例钢的化学成分。其中，A1～A6是本发明的合金钢，B1～B2是对比钢种，都是油田目前常用的J55钢管。
表2是试验钢的力学性能和腐蚀性能。
表1
钢号 C Si Mn Cr Cu Ni V Al   热处理方式 组织
  A1   0.28   0.57   0.82   1.12   0.12   0.1   0.05   热轧态   铁素体+珠光体+索氏体
  A2   0.20   0.99   0.54   1.50   0.35   0.32   0.07   热轧态   铁素体+珠光体+索氏体
  A3   0.24   0.82   1.49   0.52   0.27   0.31   0.08   热轧态   铁素体+珠光体+索氏体
  A4   0.27   0.65   0.98   0.9   0.15   0.24   0.07   热轧态   铁素体+珠光体+索氏体
  A5   0.35   0.10   0.20   1.02   0.24   0.17   0.06   热轧态   铁素体+珠光体+索氏体
  A6   0.32   0.41   0.67   0.85   0.27   0.35   0.1   热轧态   铁素体+珠光体+索氏体
  A7   0.31   0.83   1.22   1.43   0.08   热轧态   铁素体+珠光体+索氏体
  B1   0.34   0.30   1.41   0.05   热轧态   铁素体+珠光体
  B2   0.35   0.35   1.26   热轧态   铁素体+珠光体
表2
注：试验条件为Na++K+：19673mg/L，HCO3 -：85.4mg/L，Cl-：31700.8mg/L，SO4 2-：95.1mg/L，Ca2+：1306.6mg/L，Mg2+：210.2mg/L，PH＝6.0，试验温度：60℃，CO2分压：1.5Mpa，流速：1.0m/s。
通过表2的数据可以看出本发明的钢具有一定的抗二氧化碳腐蚀性能。图1是本发明的合金钢和对比钢进行高压釜腐蚀试验后的试验表面形貌。其中，a为本发明钢；b为普通J55。图1也进一步印证了上述结果。
本发明的合金钢经冶炼、锻造、热轧后空冷处理后，经力学性能测试符合API 5CT标准的55ksi钢级性能要求(如表2所示)，力学性能测试按GB6397-86标准进行。在CO2腐蚀较突出的某油田典型腐蚀环境中进行高压釜腐蚀模拟对比试验，试验结果显示，本发明的合金钢种的年腐蚀速率较油田目前使用的J55钢管降低了1倍以上，且局部腐蚀现象得到较大程度缓解，同时吨钢成本只增加约100元，具有良好的性价比。
本发明的合金钢由于其抗CO2腐蚀性能良好、价格便宜，用其制造出的油井管，可广泛应用于需要耐CO2腐蚀的浅井。
以上通过具体实施例对本发明的特点进行了说明，但不仅仅限于这些实施例，在不脱离本发明构思的前提下，还可以有更多变化的或改进的其他实施例，这些变化和改进都属于本发明的范围。

Claims (3)

1.一种抗二氧化碳腐蚀用低合金钢，其按重量百分比计的化学成分为C：0.20～0.35％，Si：0.10～1.0％，Mn：0.20～1.5％，Cr：0.5～1.5％，Ni≤0.35％，Cu≤0.35％，Al：0.01～0.10％，其余为Fe和不可避免的杂质，其中杂质元素的总量低于0.05wt％；
所述低合金钢通过包含如下步骤的方法制造：
冶炼→连铸→热轧空冷；
其特征在于，空冷后不进行热处理；
所得到的组织为铁素体+珠光体+索氏体。
2.如权利要求1所述的抗二氧化碳腐蚀用低合金钢，其特征在于，所述的低合金钢为55ksi级。
3.如权利要求1或2所述的抗二氧化碳腐蚀用低合金钢，其特征在于，所述的低合金钢用于油井管。
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