CN102296245B - 一种高强度高抗腐蚀耐磨套管用钢及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高强度高抗腐蚀耐磨套管用钢，其成分质量百分比含量为：C：0.10～1.0、Ti：0.3～2.5、Si：0.10～1.0、Mn：0.40～1.0、P：≤0.02、S：≤0.01、Cr：12～14、Mo：0.5～1.5、Ni：3.0～4.5、余量为Fe和不可避免的杂质。采用本发明的套管用钢制造耐磨套管，可以大幅度提高套管的耐磨性。

Description

一种高强度高抗腐蚀耐磨套管用钢及其制造方法

技术领域

本发明属于耐磨钢领域，涉及一种用于油气田开采的高强度、高抗腐蚀耐磨损石油套管用钢及其制造方法。

背景技术

随着油田开发的进展，井深为4000m以上的深井、超深井以及超斜度井、水平井和大位移井大量出现，在这些油井的开发过程中套管在与钻杆管柱的长期接触过程中磨损相当严重。套管磨损的主要形式为偏磨，偏磨使套管横截面呈月牙形；偏磨后的套管在抗挤强度降低的同时其抗内压强度也随之降低，这不仅严重影响后续的钻井、完井及开采作业质量和安全性，还可能造成套管柱挤毁、变形及泄漏，引发井下事故，有时甚至造成全井报废。目前，减少套管磨损已成为亟待解决的难题。

减少套管磨损，可以通过增强套管本身的耐磨性和降低套管与钻杆之间的摩擦系数两种方式。降低套管与钻杆之间的摩擦系数，可以通过添加润滑剂，此外也可通过在钻杆的接头处敷焊耐磨带以有效降低接头基体和套管的磨损。而增强套管耐磨性能则要从套管材料本身入手，通过套管材料的成分优化，在保证套管所需强度、韧性和抗腐蚀性能的基础上提高套管的硬度，以增强套管的耐磨性能。

目前常用的耐磨套管用钢，如公开号为CN101113509的专利申请，记载了一种通过对油、套管进行氮化处理以增强油、套管耐磨性能和抗腐蚀性能的方法，通过该方法可在油套管表面形成一层0.5-2mm厚的渗氮层，该渗氮层可有效增加管体表面硬度同时可以在一定程度上改善管体抗腐蚀性能。然而该方法仅能用于长径比大于30的管子，对于大口径的技术套管该方法不能适用；同时该方法增加表面硬度的能力有限，无法切实避免套管在于钻杆接触过程中的磨损，同时一旦表面耐磨层被磨损会在被磨损部位和其他部位表面耐磨层之间形成电偶腐蚀，从而造成严重的局部腐蚀。

因此，NKK提出了一种用于挖掘机械及采矿工程的耐磨钢，与常规油套管钢相比该专利有较高的Si和Ti的含量，并强调了B和N对表面的强化作用。但该钢种以淬火态交货，这就导致了钢种难以具备良好的韧性，达不到油套管钢的要求。

因此，亟需一种具备高耐磨性能，且生产成本较低的套管用钢。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于油气田开采的高强度、高抗腐蚀耐磨套管用钢。

为实现上述目的，本发明所提供的套管用钢，其成分质量百分比含量为：C：0.10～1.0、Ti：0.3～2.5、Si：0.10～1.0、Mn：0.40～1.0、P：≤0.02、S：≤0.01、Cr：12～14、Mo：0.5～1.5、Ni：3.0～4.5、余量为Fe和不可避免的杂质。

此外，本发明还提供了制造上述套管用钢的方法，其特征在于，所述方法依次包括冶炼、浇铸、轧制和热处理。

优选地，所述冶炼在电弧炉或转炉中进行。

优选地，所述轧制温度为1200-1300℃。

优选地，所述热处理包括保温、回火、空气冷却三个步骤。

更优选地，所述保温温度为850-950℃。

进一步优选地，所述回火温度为600-750℃，时间为1小时以上。

下面将进一步说明本发明。

本发明通过优化设计合金成分形成复合材料，增强钢的强度、韧性和耐腐蚀性能。同时降低了Cu、B、N的加入，降低成本。

以下将本发明成分的设计进行说明：

C：C是对提高钢种的强度、硬度以及形成TiC原位颗粒最有效的元素，但在马氏体不锈钢中C含量低于0.1％时，原位析出的TiC颗粒较少，耐磨损效果不够明显，同时当C含量超过1.2％时容易导致冲击韧性明显下降。

Ti：在原位合成TiC陶瓷颗粒为增强体的耐磨钢中，Ti的作用与C同等重要，TiC的原位析出能够明显大幅度提高钢种的耐磨性。但是当Ti含量低于0.3％时钢种耐磨性提高不明显，Ti含量高于2.5％时过多的TiC颗粒析出会对钢种的冲击韧性造成较大负面影响。

Si：Si是有效的脱氧剂，同时0.1％以上的Si对提高钢种的强度有益，但是过多的Si会造成钢种韧性的降低。因此，设计Si的含量在0.1％～1％。

Mn：Mn能大幅提高钢种的强度和韧性，也是有效的脱氧剂，而且具有脱S的作用，但是过多的Mn也会促进碳化物的形成，从而降低钢种的韧性和耐腐蚀性。

P、S：均为伴生的杂质元素。P、S对合金的热加工性能、纯净度产生有害影响，并且P、S含量分别在0.02％、0.01％以上时，对钢种的耐腐蚀性能产生明显的破坏作用。因而，设计P、S的含量分别在0.02％、0.01％以下。

Cr：Cr是提高耐蚀性和强度的主要合金元素。Cr含量小于12％时，耐蚀性不足，Cr含量大于14％时，材料的强度和硬度过高，降低材料的韧性。铬过高也易导致高温铁素体形成，降低热加工性能。

Mo：Mo是耐腐蚀性能所必要的元素。低于0.5％效果不明显，超过1.5％成本增加且极易导致高温δ铁素体形成，高温形变性能恶化。

Ni：可以明显提高腐蚀性能和韧性，同时对降低冷脆转变温度有益。Ni加入量小于3％，抗腐蚀性能效果不明显，加入量超过4.5％，成本增加过高。

与现有套管用钢相比，本发明具有以下有益效果：

TiC弥散强化技术是以钢铁为基体，TiC陶瓷颗粒为增强体。采用本发明所述成分在冶炼过程通过原位合成技术在钢中通过Ti和C反应合成一定比例并均匀分布的TiC陶瓷颗粒，可以大幅度提高钢种的耐磨性；此外，原位生成的TiC陶瓷颗粒TiC与钢基体结合良好，尺寸在5μm以下，有较好的强化效果，而且基本不改变原有熔炼工艺。考虑到韧性的要求，通常TiC含量小于3％。材料经高温回火后仍具有较高的冲击韧性，其0℃冲击韧性值均达到40J以上。

具体实施方式

按照本发明钢种的化学成分要求，经冶炼、浇铸、轧制后通过850～950℃保温1小时淬火，并在600℃～750℃回火1小时以上后空气冷却。表1为实施例、比较例钢的化学成分，表2是实施例、比较例钢的力学和磨损性能，其中磨损条件为油润滑，1小时(里程2km)，摩擦副采用GCr15，试验载荷分别为15kg和30kg。

表1实施例、比较例的化学成分(wt％)

表2实施例、比较例钢力学性能

Claims (7)

1.一种高强度高抗腐蚀耐磨套管用钢，其成分质量百分比含量为：

C：0.51～1.0

Ti：0.3～2.5

Si：0.10～1.0

Mn：0.40～1.0

P：≤0.02

S：≤0.01

Cr：12～14

Mo：0.5～1.5

Ni：3.0～4.5

余量为Fe和不可避免的杂质。

2.制造如权利要求1所述的套管用钢的方法，其特征在于，所述方法依次包括冶炼、浇铸、轧制和热处理。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述冶炼在电弧炉或转炉中进行。

4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述轧制温度为1200-1300℃。

5.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述热处理包括保温、回火、空气冷却三个步骤。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述保温温度为850-950℃。

7.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述回火温度为600-750℃，时间为1小时以上。