CN104651591A - 一种高强度低硬度连续油管及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高强度低硬度连续油管及其制备方法，所述连续油管的屈服强度621-689MPa、硬度≤22HRC。按照质量百分比，硫含量控制在0.005％以内，Ni含量小于1％。所述连续油管单根长度大于61米。通过合理合金设计改善焊缝的组织和性能，开发出屈服强度621-689MPa、硬度≤22HRC的连续管，提高连续管在硫化氢环境中的抵抗氢致开裂和硫化氢应力腐蚀能力，从而提高连续管在更深的井深条件下进行作业的安全性。

Description

一种高强度低硬度连续油管及其制备方法

技术领域：

本发明属于石油天然气管材技术领域，涉及一种连续油管，尤其是一种高强度低硬度连续油管。

背景技术：

连续油管是一种可用于油气田修井、测井、钻井等方面的可缠绕低碳微合金钢管。具有效率高、作业成本低、作业范围广、占地面积小等一系列优点。

宝鸡石油钢管有限责任公司发明的“大规格低碳微钢合金连续油管”(CN 202300215)其屈服强度379MPa～621MPa，抗拉强度≥455MPa。该产品在国内外油田已经广泛应用。对于浅井而言，上述连续管可满足要求，但是随着井深的增加，采用上述连续管已经不能完全满足作业需要。

特别是，当连续油管在含有硫化氢气体的油气井中应用时，硫化氢介质导致的氢致开裂和应力腐蚀是连续油管失效的一个重要方面。通常情况下，随着管材强度的增加，管材的硬度也随之增加。而根据NACE MR 01-75标准要求，暴露于酸性环境下的低合金钢具有良好抗SSC性能的要求是硬度≤22HRC,且Ni含量小于1％。

“一种高强度高塑韧性连续油管制备方法”(CN 101898295)公布的连续管制备方法中，由于对钢带对接位置缺乏合理处理，其热影响区和焊接残余应力使其成为整盘连续管的一个薄弱环节，特别是在含有硫化氢的酸性环境中使用时，其安全性是无法保证的。此外，对纵向焊缝的热处理效果有限，在高内压条件使用时，存在较大的安全隐患。

发明内容：

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种高强度低硬度连续油管及其制备方法，通过合理的合金设计改善焊缝的组织和性能，开发出屈服强度621-689MPa、硬度≤22HRC的连续管，提高连续管在硫化氢环境中的抵抗氢致开裂和硫化氢应力腐蚀能力，从而提高连续管在更深的井深条件下进行作业的安全性。

本发明采取的技术方案是：

一种高强度低硬度连续油管，所述连续油管的屈服强度621-689MPa、硬度≤22HRC。

按照质量百分比，硫含量控制在0.005％以内，Ni含量小于1％。

所述连续油管单根长度大于61米。

所述连续油管的制备方法，按照如下步骤：

(1)根据拟制造的连续管外径和壁厚，轧制出规定壁厚和宽度的热轧钢卷，并将卷板纵剪为一定尺寸的钢带，将钢带两端斜切成一定角度，合理加工侧边坡口，并将前后两条具有相同厚度或不同厚度的钢带头尾沿一定角度切口精确拼接，焊接引、息弧板后采用搅拌摩擦焊、等离子填丝焊或氩弧焊等方法将其焊接；

(2)清理焊渣后，将焊缝及热影响区加热到两相区后，对焊缝区域进行局部热轧制，热轧制后将其快速冷却；随后将热轧制区域加热到AC3以上，根据板材的受热历程对加热区域进行控制冷却，并进行低温退火；

(3)通过多次对接使钢带长度达到所需长度后，根据最终连续管的外径和壁厚，将钢带侧面刨成I型、V型或X型坡口，采用UOE方法成型，精确控制开口角和挤压量及焊接参数，确保焊接质量；焊接工艺采用高频焊，也可采用氩弧焊、等离子焊或激光焊；

(4)焊接完成后，将焊缝局部加热到AC3以上，并采用挤压辊对其管材采用定径的方式对焊缝施加一定的形变量，随后对其淬火；在淬火完后，采用中频或其他快速加热方式，将整管加热到两相区，热透后对其进行控制冷却；

(5)对全管体进行去应力退火处理，以消除成型过程中产生的残余应力，获得高强度低硬度连续油管。

本发明的有益效果在于：

本发明提供了一种高强度低硬度连续油管解决方案，该方法制造的连续管具有高强度、低硬度的特性，具有良好的抗硫化氢氢致开裂(HIC)和应力腐蚀(SSC)能力,克服了现有技术的缺点。所发明的连续管具有以下特性：

(1)管材强度提高，使作业能力相比“大规格低碳微钢合金连续油管”连续管提高约12.5％。

(2)硬度满足小于22HRC的要求，提高了连续管在硫化氢环境中的抵抗氢致开裂和硫化氢应力腐蚀能力，从而提高了连续管在更深的井深、含硫化氢条 件下的作业的安全性。

(3)增加连续管在含硫化氢的油井中的下入深度和作业安全性。

(4)制造的连续油管耐蚀性符合NACE MR 01-75标准要求。

附图说明：

图1为本发明的连续油管维氏硬度压痕位置图；

图2为本发明的母材轴向试样外观图；

图3为本发明的沿焊缝试样外观图；

图4为本发明的SSCC试样外观图；

其中：1为工件段，2为夹持部位。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

A板材设计及制造工艺：

根据以下化学成分重量百分比冶炼、浇铸成板坯：

表1

板材设计采用低碳微合金钢设计体系，硫含量控制在0.005％以内，Ni含量小于1％。

将温度加热到1150-1250℃；采用TMCP工艺对板坯实施粗轧和精轧，终轧温度：780℃～880℃；卷曲温度400-600℃，最后制成长度超过300米、厚度符合应用要求的卷材，其中，厚度可随长度有规律的变化。

B：连续管制造工艺：

(1)轧制出规定壁厚和宽度的热轧钢卷，并根据拟制造的连续管外径、壁厚等因素，将卷板纵剪为一定尺寸的钢带，将钢带两端斜切成一定角度，合理加工坡口(I型、V型或U型)，并将前后两条具有相同厚度或不同厚度的钢带头尾 沿一定角度切口精确拼接，焊接引、息弧板后采用搅拌摩擦焊、等离子填丝焊或氩弧焊等方法将其焊接，所需焊丝为针对该成分板材专门研制的焊丝。

(2)清理焊渣后，将焊缝及热影响区加热到两相区后，对焊缝区域进行热轧制，热轧制后将其快速冷却；随后将热轧制区域加热到AC3以上，根据板材的受热历程对加热区域进行控制冷却，并进行低温退火。

(3)通过多次对接使钢带长度达到所需长度后，根据最终连续管的外径和壁厚，将钢侧面刨成I型、V型或X型坡口，采用UOE方法成型，精确控制开口角和挤压量及焊接参数，确保焊接质量。焊接方法可采用高频焊，也可采用氩弧焊、等离子焊或激光焊。

(4)为了保证连续管的任何区域的硬度小于22HRC，须对纵向焊缝和管体进行适当的热处理。

(a)为了改善纵向焊缝质量，应当在焊接完成后，将焊缝区域局部快速加热到AC3以上，并采用挤压辊对其管材采用沿周向对加热区域施加一定量的周向形变，随后对其淬火；在淬火完后，采用中频或其他快速加热方式将整管加热到两相区，热透后保温一定时间或直接对其进行控制冷却，从而达到消除焊缝劣汰组织、降低硬度，改善整体性能的目的。

(b)随后再对全管体进行去应力退火处理，以消除成型、热处理过程中产生的残余应力。

本发明的优点在于：

(1)设计了如下成分的卷板：

表2

元素	C	Si	Mn	P	S	Cr+Mo+Ni+Nb+Ti+Cu
							设计要求	0.100	0.381	0.80	0.006	0.004	0.92

将上述钢坯轧制成为1120×3.18mm的钢卷，将其根据Φ38.1×3.18mm的连续管所需板宽，纵剪成钢带。

将纵剪后的钢带两端沿45度斜切，然后采用TIG焊方法焊接，并对焊缝进行热轧制和退火处理。将该钢带进行连续的UOE成型、焊接并经过适当的热处理后，缠绕至卷筒上，对其进行全面的性能检测分析。结果表明，连续管整管拉伸屈服强度为647MPa，最大硬度243HV(21HRC)，小于22HRC。该管材在西南油气 田含硫化氢井况中应用良好。

(a)硬度

表3 维氏硬度实验结果

压痕位置	1	2	3	4	5	6	7	8	9
										硬度值(HV10)	213	223	219	215	210	215	233	233	225
压痕位置	10	11	12	13	14	15	16	17	18
										硬度值(HV10)	229	231	221	214	219	218	218	219	214

(b)抗氢致开裂(HIC)性能

在Ф38.1×3.18mm规格连续管上直接取样，依据美国腐蚀工程师协会NACE标准TM0284-2003，并参照国标GB/T 9711.3-2005(石油天然气工业输送钢管交货技术条件第三部分：C级钢管)抗氢致开裂(HIC)试验方法，在A溶液(饱和硫化氢的0.5％醋酸+5％NaCl混合溶液)，溶液体积和试样面积比大于3mL/cm2。试验时间规定为96小时，溶液温度保持在25±3℃。

母材和焊缝经HIC试验后的宏观照片如图2和图3所示，由图可知，焊缝和母材表面均未发生氢鼓泡现象。

用100倍显微镜观察带焊缝试样和母材试样截面的金相剖面，均未发现开裂现象，裂纹敏感率(CSR)、裂纹长度率(CLR)、裂纹厚度率(CTR)均为0，表明焊缝和母材对HIC不敏感。

表4 连续管母材、焊缝HIC敏感性测试结果

(c)抗SSCC性能

依据美国腐蚀工程师协会标准NACE TM 0177-1996(金属材料在含H2S环境中抗硫化物应力腐蚀开裂性能试验方法)(等效于中华人民共和国标准GB/T4157-2006(金属在硫化氢环境中抗特殊形式环境开裂实验室试验))进行试验，加载方式采用静态拉伸法(试样如图所示)，腐蚀溶液为标准中规定的A溶液(硫化氢饱和5％NaCl+0.5％冰乙酸水溶液)。硫化氢应力腐蚀试验的应力加载水平为连续管的屈服强度的90％，即583MPa。

连续管在硫化物环境应力腐蚀敏感性的试验结果表明：该连续管母材和焊缝试样在90％σ_s拉应力水平下均未发生应力腐蚀开裂，表明该连续管在该条件下具有良好的抗硫化物应力腐蚀(SSCC)性能。

表5 连续管母材、焊缝SSCC敏感性测试结果

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 (4)

1.一种高强度低硬度连续油管，其特征在于：所述连续油管的屈服强度621-689MPa、硬度≤22HRC。

2.如权利要求1所述连续油管，其特征在于，按照质量百分比，硫含量控制在0.005％以内，Ni含量小于1％。

3.如权利要求1所述连续油管，其特征在于，所述连续油管单根长度大于61米。

4.如权利要求1、2或3所述连续油管的制备方法，其特征在于，按照如下步骤：

(1)根据拟制造的连续管外径和壁厚，轧制出规定壁厚和宽度的热轧钢卷，并将卷板纵剪为一定尺寸的钢带，将钢带两端斜切成一定角度，合理加工侧边坡口，并将前后两条具有相同厚度或不同厚度的钢带头尾沿一定角度切口精确拼接，焊接引、息弧板后采用搅拌摩擦焊、等离子填丝焊或氩弧焊等方法将其焊接；

(2)清理焊渣后，将焊缝及热影响区加热到两相区，对焊缝区域进行局部热轧制，热轧制后将其快速冷却；随后将热轧制区域加热到AC3以上，根据板材的受热历程对加热区域进行控制冷却，并进行低温退火；

(3)通过多次对接使钢带长度达到所需长度后，根据最终连续管的外径和壁厚，将钢带侧面刨成I型、V型或X型坡口，采用UOE方法成型，精确控制开口角和挤压量及焊接参数，确保焊接质量；焊接工艺采用高频焊，也可采用氩弧焊、等离子焊或激光焊；

(4)焊接完成后，将焊缝局部加热到AC3以上，并采用挤压辊对其管材采用定径的方式对焊缝施加一定的形变量，随后对其淬火；在淬火完后，采用中频或其他快速加热方式，将整管加热到两相区，热透后对其进行控制冷却；

(5)对全管体进行去应力退火处理，以消除成型过程中产生的残余应力，获得高强度低硬度连续油管。