CN103994284A

CN103994284A - 一种奥氏体不锈钢连续管及其制造方法

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Publication number: CN103994284A
Application number: CN201410181954.7A
Authority: CN
Inventors: 毕宗岳; 李鸿斌; 余晗; 张晓峰; 鲜林云; 汪海涛; 赵俊; 张国超; 晁利宁
Original assignee: Baoji Petroleum Steel Pipe Co Ltd
Current assignee: China National Petroleum Corp; Baoji Petroleum Steel Pipe Co Ltd
Priority date: 2014-04-30
Filing date: 2014-04-30
Publication date: 2014-08-20
Anticipated expiration: 2034-04-30
Also published as: CN103994284B

Abstract

本发明公开了一种奥氏体不锈钢连续管及其制造方法，按照质量百分数，其成分如下：C≤0.03％；Mn5-10％；Cr13-19％；Ni1.5-3.0％；N0.15-0.5％；P≤0.04％；S≤0.01％，其余为Fe及不可避免的杂质。通过精炼、控扎、酸洗等工艺制备出连续管用板材，采用排辊成型及高频感应焊(HFW)技术进行制管，并通过后续的热处理制造出奥氏体不锈钢连续管。本发明的奥氏体不锈钢连续管力学性能和耐蚀性较好，适用于长期与湿CO₂直接接触的环境，可用于四川、塔里木等二氧化碳含量较高的油气井下服役，耐腐蚀性能比普通的低碳微合金钢连续管提高3倍以上。

Description

一种奥氏体不锈钢连续管及其制造方法

技术领域：

本发明涉及石油天然气管材技术领域，特别涉及一种奥氏体不锈钢连续管及其制造方法。

背景技术：

连续管在石油天然气工业中已广泛应用于油田修井、钻井、完井、测井、增产等领域。由于连续管技术具有效率高、成本低、作业范围广、占地面积小等一系列技术优点和作业优势，因此连续管将在油气田勘探、开发、作业、增产中发挥着越来越重要的作用，具有广阔的应用前景。

目前，连续管产品材质主要为碳钢和低合金高强钢，一般能满足多数油田作业要求，但随着我国油气勘探开发难度加大，针对某些含CO₂、H₂S、Cl^-等腐蚀环境油气田的开发，现有碳钢和低合金高强钢材质的连续油管其抗腐蚀性能往往不能满足使用要求。因此，对于能满足某些苛刻油气能源开发环境，具有防腐性能的不锈钢材质的连续油管产品需求迫切。发明一种力学性能(强度、柔韧性)和耐蚀性符合油田工况要求。较为经济的不锈钢连续油管及其制品的制造方法对于我国发展连续管技术及苛刻环境下油气能源开发是非常必要的。

发明内容：

鉴于上述问题，本发明的目的是提供一种奥氏体不锈钢连续管及其制造方法，采用经济型的Cr-Mn-Ni不锈钢成分设计，通过精炼、控扎、酸洗等工艺制备出连续管用板材，采用排辊成型及高频感应焊(HFW)技术进行制管，并通过后续的热处理制造出奥氏体不锈钢连续管。

一种奥氏体不锈钢连续管，按照质量百分数，其成分如下：C≤0.03％；Mn5-10％；Cr13-19％；Ni1.5-3.0％；N0.15-0.5％；P≤0.04％；S≤0.01％，其余为Fe及不可避免的杂质。

所述奥氏体不锈钢连续管是管径是直缝不锈钢钢管，其屈服强度483-758MPa，抗拉强度达到552-793MPa，延伸率≥30％，外径范围为Φ25.4-Φ88.9mm，壁厚范围为2.4-6.35mm，长度范围为1000-4000m。

所述奥氏体不锈钢连续管的制造方法，按照如下步骤：

(1)制备奥氏体不锈钢卷板；

(2)奥氏体不锈钢卷板接长焊接；

(3)奥氏体不锈钢连续管成型焊接；

(4)成型焊接后热处理。

所述步骤(1)：将铁水作为主原料，经过顶底复合吹转炉与氩氧脱碳以及钢包精炼炉精炼，浇注成连铸坯，采用连铸技术应用电磁搅拌控制铸成20-60mm厚度的板坯，重新加热至约1100℃，采用热钢带轧机通过热机械控制工艺轧成2.4-6.35mm厚度的热轧板，形成奥氏体不锈钢卷板，最后经过酸洗、检测后，经张力卷曲机卷曲成卷板。

所述步骤(2)：将制备好的不锈钢卷板按照连续管规格要求，通过纵剪机组剪成80-300mm的钢带；钢带接长采用45°斜焊对接的工艺，在对接时将前后两条钢带的端头加工成45°后进行拼接，焊接工艺采用搅拌摩擦焊或等离子填丝焊；焊后对焊缝进行加热碾压处理后，对整个接头进行固溶处理。

所述步骤(3)：钢带板边采用铣边工艺，精确控制带钢宽度和板边垂直度；采用排辊成型工艺控制钢带成型；不锈钢管坯焊接采用高频感应焊接、等离子焊接或者激光焊接；焊接全过程采用纯度≥99.7％的氮气作为保护气体，在连续气体保护下进行焊接；调整电源频率、输入功率、焊接电流、焊接电压参数及焊接压力；控制焊缝的挤压量在1.0-2.5mm，开口角θ控制在4-8°，焊接速度为15-25m/min，焊接成管径为Φ25.4-Φ88.9mm，壁厚为2.4-6.35mm的直缝不锈钢钢管。

所述步骤(4)：焊后通过中频感应加热设备，将焊缝迅速加热到1050-1150℃，全过程采用纯度≥99.7％的氮气进行连续气体保护，随后控制水冷温度，使焊缝温度在350-400℃进行水冷。

C：0.03％以下

碳(C)作为间隙固溶元素，可以显著提高奥氏体不锈钢的强度。若碳含量过多，容易形成一系列复杂的碳化物，对耐蚀性不利；当含碳量低时，很难获得完全奥氏体组织。因此，本发明的C的含量定为0.03％以下，碳含有量的下限并没有特别的限定。但是，考虑到制钢工序中的脱碳处理所花费的成本优选的碳含有量为0.009％以上。

Mn：大于5％且小于等于10％

锰(Mn)是形成奥氏体的元素和奥氏体稳定元素。Mn能降低钢的临界淬火速度，在冷却时增加奥氏体的稳定性，抑制奥氏体的分解，使高温下形成的奥氏体得以保持到常温。较高的Mn含量降低了碳化物析出的敏感性，晶间腐蚀倾向降低；同时，Mn也是一种提高钢的机械强度和硬度的有效元素。但过高含量的Mn有可能恶化不锈钢的耐腐蚀性能。因而，根据连续管的使用性能要求、为了保证钢的机械强度、硬度和耐腐蚀性能，本发明中Mn的含量为5-10％。

Cr：大于13％且小于等于19％

铬(Cr)是提高奥氏体不锈钢耐蚀性能和抗氧化性能不可缺少的元素。Cr的含量越高，耐蚀性能和抗氧化性能越好，然而Cr是铁素体形成元素，如果添加过多，则需要更高的Ni来保证组织的平衡，制造成本也会大幅增加。因此，本发明中Cr的含有量大于13％且小于等于19％，优选的Cr含有量为16％。

Ni：大于1.5％且小于等于3％

镍(Ni)用于提高钢的强度和韧性，是形成奥氏体的元素。Ni的主要作用在于它能改变不锈钢的晶体结构，使奥氏体具有面心立方结构(FCC)，可显著提高不锈钢的可塑性、可焊接性、韧性等属性。此外，Ni能扩大不锈钢在非氧化性介质中的钝化范围，有效提高不锈钢的再钝化能力，从而提高耐腐蚀性能。本发明在保证不锈钢各种性能的前提下，大大减少了贵金属Ni元素的使用，通过N、Mn元素进行补偿，降低产品成本。因此，本发明中Ni的含有量大于1.5％小于等于3％。优选的Ni含有量为2％-2.5％。

N：大于0.15％小于等于0.5％

氮(N)是奥氏体稳定元素，其作用较Ni更强，用于提高钢的强度和韧性。可以通过合理的冷加工和热处理工艺，获得具有高强度、高韧性的产品，满足特定用途的需求，且不会造成晶间腐蚀点蚀性能倾向。若N含有量过多，则钢中的夹杂物增加，耐腐蚀性降低。因此，本发明中N的含有量为大于0.15％小于等于0.5％。

P:0.04％以下

磷(P)是杂质。P显著降低奥氏体不锈钢在固溶态和敏化态下耐各种浓度硝酸腐蚀的性能；磷还明显增强铬镍奧氏体不锈钢晶间腐蚀的敏感性。因此，P含有量为0.04以下。优选的P含有量为0.025％以下。因此，P含有量为0.04以下。

S：0.01％以下

硫(S)是杂质。S会降低热加工性。因此，S含有量为0.01％以下。优选的S含有量为0.005％以下。

2)奥氏体不锈钢连续管的制造工艺如下：

制备奥氏体不锈钢卷板：将铁水作为主原料，经过顶底复合吹转炉与氩氧脱碳(AOD)以及钢包精炼和炉外精炼，钢水的成分质量百分数达到上述要求即可出钢，浇注成连铸坯，采用连铸技术应用电磁搅拌控制铸成20-60mm厚度的板坯，重新加热至约1100℃，采用辊式轧机通过热机械控制轧制工艺(TMPC)，将其轧成2.4-6.35mm厚度的热轧板，再经过适当的控制冷却，形成奥氏体不锈钢卷板，最后经过酸洗、检测后，经张力卷曲机卷曲成卷板供制管使用。

卷板纵剪和接长对焊：将制备好的不锈钢卷板按照连续管规格要求，通过纵剪机组剪成80-300mm的钢带。为满足连续管长度要求，需将钢带接长。钢带接长采用45°斜焊对接的方法。在对接时，将前后两条钢带的端头加工成45°后进行拼接，焊接方法采用搅拌摩擦焊或等离子填丝焊。焊后对焊缝进行加热碾压处理后，对整个接头进行固溶处理。对接钢带长度根据所需连续管长度而定。

生产不锈钢连续管：将对接好的钢带采用铣边方法，精确控制带钢宽度和板边垂直度；采用排辊成型方法控制钢带成型；不锈钢管坯焊接可以采用高频感应焊接、等离子焊接或者激光焊接的方法；整个焊接过程采用纯度≥99.7％的氮气作为保护气体，在连续气体保护下进行焊接；调整电源频率、输入功率、焊接电流、焊接电压参数及焊接压力；控制焊缝的挤压量在1.0-2.5mm，开口角θ控制在4-8°，焊接速度为15-25m/min。焊接成管径为Φ25.4-Φ88.9mm，壁厚为2.4-6.35mm的直缝不锈钢钢管。

焊接完成后通过中频感应加热对焊缝进行去应力退火。将焊缝迅速加热到1050-1150℃，并在纯度≥99.7％的氮气保护下加热，随后控制焊缝冷却速度，当冷却到350-400℃进行水冷，最后将冷却后的连续管在连续卷取机上进行卷曲，得到所需长度的不锈钢连续管。

3)奥氏体不锈钢连续管主要技术指标：屈服强度483-758MPa，抗拉强度552-793MPa，延伸率≥30％，最高硬度30HRC；在含有CO₂腐蚀介质中，耐腐蚀性能比普通的低碳微合金钢连续管耐蚀性提高3倍以上。

奥氏体不锈钢连续管的外径范围为Φ25.4-Φ88.9mm，壁厚范围为2.4-6.35mm。16Cr奥氏体不锈钢连续管的长度范围为1000-4000m。可以缠绕到适当芯径的卷筒上，以便运输和使用。

本发明的有益效果在于：

本发明提供出一种力学性能(强度、柔韧性)和耐蚀性较好，并且比较经济的Cr-Mn-Ni奥氏体不锈钢及其连续管与连续管的制造工艺。本方法生产出的16Cr奥氏体不锈钢连续管，不但具有良好的力学性能(强度、柔韧性)，而且具有很好的耐蚀性，适用于长期与湿CO2直接接触的环境，可用于四川、塔里木等二氧化碳含量较高的油气井下服役，耐腐蚀性能比普通的低碳微合金钢连续管提高3倍以上。

具体实施方式：

本实施例制造的是16Cr奥氏体不锈钢连续管，其主要制造步骤如下：

一、制备16Cr奥氏体不锈钢卷板

将铁水作为主原料，经过顶底复合吹转炉与氩氧脱碳(AOD)以及钢包精炼炉精炼，钢水的成分质量百分数达到下述要求即可出钢，浇注成连铸坯。

C：0.025％max；Mn：8.5％；Cr：16.2％；Ni：2.5％；N：0.25％；P：0.02％；S：≤0.005％其余为Fe及不可避免的杂质。

采用连铸技术应用电磁搅拌控制铸成20-60mm厚度的板坯，重新加热至约1100℃，采用热钢带轧机通过热机械控制工艺(TMPC)轧成厚度为3.18mm、宽度为1120mm的热轧板，再经过适当的控制冷却，形成16Cr奥氏体不锈钢卷板，最后经过酸洗、检测后，经张力卷曲机卷曲成卷板供制管使用。

二、16Cr奥氏体不锈钢连续管制备

1、卷板纵剪和钢带接长

将制备好的不锈钢卷板通过纵剪机组剪成130mm的钢带。为满足连续管长度要求，将钢带进行板板对焊，通过45°斜焊方式使钢带连接起来。将前后两条钢带的端头加工成45°，采用搅拌摩擦焊方式进行焊接，焊接全过程采用纯度≥99.7％的氮气作为保护气体，在连续气体保护下进行板板对焊；焊后将焊缝进行加热碾压处理，迅速将焊缝加热到450℃，保温1.5min，用轧辊对焊缝进行挤压，挤压压力约为6MPa，整个过程采用纯度≥99.7％的氮气作为保护气体。

2、16Cr不锈钢连续管的成型与焊接

钢带板边采用铣边方法，精确控制带钢宽度和板边垂直度；采用排辊成型方法控制钢带成型；采用高频焊接技术焊接不锈钢管坯；焊接全过程采用纯度≥99.7％的氮气作为保护气体，在连续气体保护下进行焊接；调整电源频率、输入功率、焊接电流、焊接电压参数及焊接压力；控制焊缝的挤压量在2mm，开口角θ控制在6°，焊接速度为18m/min，焊接成管径为Φ38.1mm，壁厚为3.18mm的直缝电阻焊钢管。

3、焊缝热处理

焊后对管壁外毛刺进行刮除，通过中频感应加热设备，将焊缝迅速加热到1100℃，全过程采用纯度≥99.7％的氮气进行连续气体保护，随后控制水冷温度，使焊缝温度约380℃进行水冷，已获得综合性能较好的不锈钢连续管。

4、16Cr不锈钢连续管的连续卷曲

通过卷取机缠绕到适当芯径的卷筒上，连续生产制备3500m16Cr奥氏体不锈钢连续管，以便运输和使用。

5、16Cr奥氏体不锈钢连续管的主要性能

屈服强度达到580MPa，抗拉强度达到635MPa，延伸率达到41％，硬度小于30HRC。且在湿CO₂直接接触的环境有很好的抗蚀性。

对16Cr奥氏体不锈钢连续管与低碳钢连续管进行腐蚀速率试验，在CaCl₂水型、总矿化度90000mg/l，总压10MPa、CO₂分压2MPa，试验温度140℃、试验时间168h后，16Cr奥氏体不锈钢连续管平均腐蚀速率为0.38mm/a，低碳钢连续管平均腐蚀速率为1.81mm/a。试验结果表明，在含有CO₂腐蚀介质中，16Cr奥氏体不锈钢连续管耐腐蚀性能比普通的低碳钢连续管耐蚀性提高3倍以上。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员,在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的方法及技术内容作出些许的更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims

1.一种奥氏体不锈钢连续管，其特征在于，按照质量百分数，其成分如下：C≤0.03％；Mn5-10％；Cr13-19％；Ni1.5-3.0％；N0.15-0.5％；P≤0.04％；S≤0.01％，其余为Fe及不可避免的杂质。

2.如权利要求1所述奥氏体不锈钢连续管，其特征在于：所述奥氏体不锈钢连续管是管径是直缝不锈钢钢管，其屈服强度483-758MPa，抗拉强度达到552-793MPa，延伸率≥30％，外径范围为Φ25.4-Φ88.9mm，壁厚范围为2.4-6.35mm，长度范围为1000-4000m。

3.如权利要求1或2所述奥氏体不锈钢连续管的制造方法，其特征在于：

(1)制备奥氏体不锈钢卷板；

(2)奥氏体不锈钢卷板接长焊接；

(3)奥氏体不锈钢连续管成型焊接；

(4)成型焊接后热处理。

4.如权利要求3所述的制造方法，其特征在于，所述步骤(1)：将铁水作为主原料，经过顶底复合吹转炉与氩氧脱碳以及钢包精炼炉精炼，浇注成连铸坯，采用连铸技术应用电磁搅拌控制铸成20-60mm厚度的板坯，重新加热至约1100℃，采用热钢带轧机通过热机械控制工艺轧成2.4-6.35mm厚度的热轧板，形成奥氏体不锈钢卷板，最后经过酸洗、检测后，经张力卷曲机卷曲成卷板。

5.如权利要求3所述的制造方法，其特征在于，所述步骤(2)：将制备好的不锈钢卷板按照连续管规格要求，通过纵剪机组剪成80-300mm的钢带；钢带接长采用45°斜焊对接的工艺，在对接时将前后两条钢带的端头加工成45°后进行拼接，焊接工艺采用搅拌摩擦焊或等离子填丝焊；焊后对焊缝进行加热碾压处理后，对整个接头进行固溶处理。

6.如权利要求3所述的制造方法，其特征在于，所述步骤(3)：钢带板边采用铣边工艺，精确控制带钢宽度和板边垂直度；采用排辊成型工艺控制钢带成型；不锈钢管坯焊接采用高频感应焊接、等离子焊接或者激光焊接；焊接全过程采用纯度≥99.7％的氮气作为保护气体，在连续气体保护下进行焊接；调整电源频率、输入功率、焊接电流、焊接电压参数及焊接压力；控制焊缝的挤压量在1.0-2.5mm，开口角θ控制在4-8°，焊接速度为15-25m/min，焊接成管径为Φ25.4-Φ88.9mm，壁厚为2.4-6.35mm的直缝不锈钢钢管。

7.如权利要求3所述的制造方法，其特征在于，所述步骤(4)：焊后通过中频感应加热设备，将焊缝迅速加热到1050-1150℃，全过程采用纯度≥99.7％的氮气进行连续气体保护，随后控制水冷温度，使焊缝温度在350-400℃进行水冷。