CN1043960A - 油井管件用铬-镍奥氏体合金 - Google Patents

油井管件用铬-镍奥氏体合金 Download PDF

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Abstract

一种奥氏体合金，具有高的强度和抗腐蚀性能，含有27～32(重量)％镍和24～28(重量)％铬，为使该合金具有特别适用于制造油井管件的合金具有的各种特性，在合金中加入高达2.75(重量)％的硅、3(重量)％的铜和钼以及2(重量)％的锰。该合金只含有很低的氮、碳、磷和硫。

Description

本发明主要涉及高强度抗腐蚀合金，具体地说，涉及一种有用的新型奥氏体合金，该合金含有一定数量的镍、铬、硅、铜、钼和锰，并含有铁以及伴随的杂质元素。
随着易于开采的无硫油的储藏量的减少，越来越需要一种高强度的并且耐腐蚀的合金，这种合金要在恶劣的含硫深油井的环境下保持其完整性。由于含硫井管在高温高压条件下含有大量的硫化氢、二氧化碳和氯化物溶液，所以需要采用在应力和腐蚀条件下具有较好性能的合金。
为了减少腐蚀，在其他的应用方面正采用着多种高合金不锈钢和镍基合金，但是，这些合金大多数都有一些缺点：由于合金化元素增加使成本提高;制造工艺较复杂;而且这些合金也仍然遭受应力腐蚀开裂。有许多冶金因素影响着这些合金的力学性能和抗腐蚀特性，这些因素包括显微组织、化学成分和强度。所有这些因素都是互相关联的，并且对于含硫井管的应用来说，必须严格控制。
Kudo等人提出的美国专利4，400，209、4400210、4，400，211、4，400，349和4，421，571公开了几种对于深井筒、管道系统和钻井管很适合的高强度合金，这些合金的成分包括镍、铬、锰和钼。上述专利也依靠添加钨来满足与成分中的铬和钼的一种特殊的关系，以便在整体上形成合金的主要部分。
Asphahani等人的美国专利4，489，040也公开了一种含有镍和铬加上钨的抗腐蚀合金。
钛也用作抗腐蚀镍-铬合金的添加剂，如Sugitani等人提出的美国专利4，409，025和4，419，129以及Ehrlich等人的美国专利4，385，933所公开的那样。
铌是抗腐蚀合金的一种添加剂，这在Usami等人的美国专利4，505，232、DeBold等人的美国专利4，487，744以及Sugitani等人的美国专利4，444，589中已公开过。
Moroishi等人提出的美国专利公开了一种提倡含有较低的铬和镍含量的抗氧化奥氏体钢。
镧也可作为奥氏体不锈钢的一种添加剂，正如Rossomme等人的美国专利4，421，557所公开的那样。
上述参考文献中的几个含铬量较高的专利已证实加入氮是适宜的，在某些合金中加入氮用来代替铬，以保持稳定的奥氏体组织。铬通常存在于铁素体中。
本发明的主要目的在于提供一种含有多种化学元素的完全奥氏体合金，这些元素的叠加作用使合金十分理想地同时兼有力学性能和抗腐蚀性能。由于本发明的合金打算主要用于油管制件，所以成本是一个重要的考虑因素。因此，本发明的另一目的是提供一种同时具有高的强度、延性、应力下的抗腐蚀性能，以及好的冶金稳定性的合金，同时合金的成本又是合算的。
本发明提供的合金无论在热加工方面或是在冷加工方面都是容易制造的。这种高强度合金在试验条件下具有良好的抗应力腐蚀开裂的性能，该试验条件与合金在使用中经历的条件相当，或者更为苛刻。该合金也具有改进的抗点腐蚀和抗磨损的性能。为了降低成本，合金中最昂贵的元素（特别是镍）的含量降到较低的水平，但不损失所要求的合金的特性。
因此，根据本发明，一种具有高的强度和在应力下有高的抗腐蚀性能的特别用于油井管件的奥氏体合金主要由下列元素组成（重量%）：27～32Ni;24～28Cr;1.25～3.0Cu;1.0～3.0Mo;1.5～2.75Si;1.0～2.0Mn;≤0.015N;≤0.10B;≤0.10V;≤0.10C;≤0.30Al;≤0.03P;≤0.02S;其余为Fe及伴随的杂质。
该合金实质上不含W、Ti、Nb和La，它的含N量低于现有合金常见的含量。
在发明上述临界的综合成分中，曾对46种不同的合金进行过比较筛选试验。在所试验的合金中，有一种命名为825合金的商用合金，它含有38～46（重量）%的镍，这使得本发明的合金在制造上比它便宜大约17%。而本发明的合金的性能实际上与825合金一样好，在某些情况下还比它更好。
所试验的其他合金在其他各方面都是不适宜的。例如，如果锰含量太低或太高，合金的锻造就会很困难。这一点在合金采用电渣重熔（ESR）的情况下尤其明显。
通过计算机设计得到的并从许多试验的合金中筛选出的一个本发明的合金，达到了上面所述的提供一种高强度抗腐蚀合金的目的。
表1示出了本发明的试验室样品的成分，以及合金中每个元素的最佳范围和允许范围（皆为（重量）%）。
表1 合金成分（重量%）
试验室样品 最佳范围 容许范围
CMnSiPSCrNiMoCuAlBVNO 0.011.422.200.0090.00425.330.31.531.880.17<0.0010.0140.005353ppm .01～.031.25～1.751.75～2.25≤.02≤.00925.5～26.529.5～30.51.4～1.61.75～2.25≤.05--≤.006- ≤.101.0～2.01.5～2.75≤.03≤.0224～2827～321.0～3.01.25～3.0≤.30≤.10≤.10≤.015-
本发明的合金是奥氏体合金，尽管碳和氮是强有力的奥氏体稳定化元素，但在本合金成分中碳和氮都不是主要的。镍保证合金的奥氏体稳定及合金所要求的性能，特别是热加工性能和抗腐蚀性能。更高的镍含量会提高合金成本却不会相应带来更多的好处，因而这种成本的提高是不必要的。镍含量不高于30.5（重量）%是有利的。这与含镍量为38～40（重量）%的825合金不同。大约25.3（重量）%的铬是合金获得抗腐蚀性能的主要添加元素。更高的铬含量会使合金有析出铁素体和б相的危险。
磷和硫含量特意地保持在低的水平，以避免这些元素对抗腐蚀性和可锻性产生不利影响。硅可提高抗应力腐蚀开裂的性能。铜也被认为对抗腐蚀性能有贡献，特别是在酸性环境下更为明显。铜像镍那样，对奥氏体基体起到稳定化的作用。加入钼是为了改善总的抗腐蚀性能和抗点腐蚀性能。锰在所规定的含量内可改善高温下的加工性能，并且对于获得合适的合金组织也是有用的。
进行了下列试验，以鉴定该合金的有益的性能。
将表1所列成分的合金铸成一个20磅的锭子。合金是通过真空感应熔炼制备的。铸锭在2200°F加热1小时后，便在1800～2050°F温度范围内锻造成直径为0.920英寸的棒材。这些棒材冷锻压下量为43%和72%。然后在冷锻状态下测定其室温拉伸性能。测定的结果列于表2。
Figure 891085440_IMG1
Figure 891085440_IMG2
本发明的合金的特征在于它具有抗腐蚀介质的独特的综合性能。将从冷锻棒材切取的试样加工成直径为0.200英寸的光滑拉伸试样并进行应力腐蚀试验，试验结果列于表3。
这个合金除了具有良好的抗应力腐蚀的性能以外，在氯化物环境（5%FeCl3-10%NaCl（75°F）溶液）中还具有改善了的抗点腐蚀的性能，并且它的抗磨损性能也比进行类似试验的825合金要好得多。
本发明的合金主要是供高强度的管件以及要进行冷加工的其他类似零件用。该合金与其他的较昂贵的合金（如：825合金）相比，具有好得多的热加工性、冷模锻塑性以及抗应力腐蚀开裂的能力（特别是在MgCl2溶液中），并且具有较好的抗点腐蚀和抗磨损的能力。虽然本发明合金主要是为管件而发展的，但也可以供其他形状的零件应用。
表4列出了为比较而制备的一些合金的成分。
表5列出了对上述一些合金以及一些现有的商用合金所进行的磨损试验的综合结果，表中也含有本发明合金试验结果，以资比较。表6示出了上述一些合金的拉伸性能，也列出了对本发明合金进行的4次试验的结果。
Figure 891085440_IMG3
Figure 891085440_IMG4
Figure 891085440_IMG8

Claims (3)

1、一种特别用于油井管件的具有高的强度、抗磨性和抗应力腐蚀性能的奥氏体合金，主要由下列成分组成(重量%)：27～32Ni；24～28Cr；1.25～3.0Cu；1.0～3.0Mo；1.5～2.75Si；1.0～2.0Mn；≤0.015N；≤0.10B；≤0.10V；≤0.10C；≤0.30Al；≤0.03P；≤0.02S；其余为Fe及伴随的杂质元素。
2、根据权利要求1的合金，其特征在于其基本成分是：29.5～30.5Ni，25.5～26.5Cr，1.75～2.25Cu，1.4～1.6Mo，1.75～2.25Si，1.25～1.75Mn，≤0.006N，≤0.009S和≤0.02P。
3、根据权利要求2的合金，其特征在于它含有作为伴随的杂质元素的53ppm氧。
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