CN104651723A

CN104651723A - 一种含稀土耐硫化氢腐蚀高抗挤毁石油套管及其生产方法

Info

Publication number: CN104651723A
Application number: CN201510089008.4A
Authority: CN
Inventors: 李春龙; 贺景春; 丰小冬
Original assignee: Baotou Iron and Steel Group Co Ltd
Current assignee: Baotou Iron and Steel Group Co Ltd; Inner Mongolia Baotou Steel Union Co Ltd
Priority date: 2015-02-27
Filing date: 2015-02-27
Publication date: 2015-05-27
Anticipated expiration: 2035-02-27
Also published as: CN104651723B

Abstract

本发明涉及一种含稀土耐硫化氢腐蚀高抗挤毁石油套管及其生产方法，属于冶金及成型技术领域，管坯化学成分及含量(Wt％)为：C0.12-0.20；Si0.10-0.30；Mn1.20-1.50；P≤0.015；S≤0.005；Cr1.20-1.50；Mo0.20-0.40；Al 0.01-0.03；稀土元素RE 0.0005-0.0100；Cu≤0.10；其工艺流程为：铁水预处理→转炉冶炼→精炼→真空处理→连铸→切割→管坯加热→穿孔→连轧→定径→冷却→锯切→热处理→矫直→探伤→车丝扣；屈服强度为780～870MPa、0℃时的横向冲击值≥70J/cm²。本发明的产品具有生产成本低、强韧性能匹配高、组织均匀细小、残余应力低、耐硫化氢腐蚀性能高、抗挤毁性能高的特点。

Description

一种含稀土耐硫化氢腐蚀高抗挤毁石油套管及其生产方法

技术领域

本发明涉及黑色金属冶炼及金属压力加工领域，具体涉及一种含稀土耐硫化氢腐蚀高抗挤毁石油套管及其生产方法。

背景技术

处于岩盐层、泥岩层、膏岩层等高地层压力状况下的油井，经常会发生套管被挤毁的失效事故。同时，原油中所含的硫化氢气体也会对套管造成强烈的腐蚀性破坏，这两种破坏形式均给油田生产带来巨大的经济损失，为适应这种特殊地质工况条件对石油套管的苛刻要求，特开发一种含稀土耐硫化氢腐蚀高抗挤毁石油套管。

专利申请号：201310111616.1“一种耐蚀高抗挤毁石油套管及其生产方法”，其存在以下问题和缺点：由于钢中含有贵重元素Ni、V、Nb、Ti和B，生产成本相对较高、生产工艺相对复杂、生产难度相对较大；

专利申请号：200710037599.6“高抗挤毁和耐硫化氢腐蚀低合金石油套管及其生产方法”，其存在以下问题和缺点：由于钢中含有贵重元素Ni、Cu、V和Nb，且贵重元素Mo含量相对较高，生产成本相对较高、生产工艺相对复杂、生产难度相对较大。

发明内容

本发明的目的是提供一种生产成本相对较低、强韧性能匹配相对较高、组织均匀细小、残余应力相对较低、耐硫化氢应力腐蚀性能高、受挤压而不易毁损的含稀土耐硫化氢腐蚀高抗挤毁石油套管及其生产方法。

为达以上目的，本发明一种含稀土耐硫化氢腐蚀高抗挤毁石油套管，所述石油套管化学成分按重量百分比含量分别为：C 0.12-0.20％；Si 0.10-0.30％；Mn 1.20-1.50％；P≤0.015％；S≤0.005％；Cr 1.20-1.50％；Mo 0.20-0.40％；Al0.01-0.03％；稀土元素RE 0.0005-0.0100％；Cu≤0.10％；余量为基体Fe；其中稀土元素RE组分为：67％的Ce和33％的La制成。

其中所述含稀土耐硫化氢腐蚀高抗挤毁石油套管，其包括以下重量份的组分制备而成：

高炉铁水：90份；

废钢：10份；

预脱氧合金：3.5-4.5份；

铝铁合金：0.03-0.10份；

白灰块：0.2份；

钼铁合金：0.36-0.72份；

稀土丝：0.02份；

硅钙线：0.06份；

其中所述稀土丝由稀土元素RE组分为67％的Ce和33％的La制成。

其中所述预脱氧合金选自硅锰合金、锰铁合金和铬铁合金两种或两种以上任意比例的混合物。

一种生产所述含稀土耐硫化氢腐蚀高抗挤毁石油套管的方法，包括如下步骤：

(1)高炉铁水预处理：将所述高炉铁水中S含量降低到重量百分比0.010％以下；

(2)顶底复吹转炉冶炼：将所述处理后的高炉铁水和所述废钢加入顶底复吹转炉冶炼，出钢过程中采用所述预脱氧合金进行预脱氧合金化，终脱氧采用铝铁合金进行有铝脱氧工艺，出钢过程进行挡渣或扒渣，出钢过程中合金加完以后加入所述白灰块；

(3)LF炉精炼：将步骤(2)冶炼后的钢水加入LF炉精炼，精炼时吹氩气，采用从低级数到高级数逐渐提高升温速度的方式将温度从1530℃升至1620℃；采用造白渣操作并加入所述钼铁合金；最后保持底部软吹氩气，加入所述稀土丝；

(4)VD真空处理：真空处理的真空度≤0.10KPa，深真空时间≥13分钟后，喂入所述硅钙丝，喂丝后进行10-15分钟软吹氩气；

(5)圆坯连铸：采用低拉速的恒速控制和电磁搅拌工艺并控制钢水过热度≤30℃进行圆坯连铸：铸坯出二次冷却区域后进行矫直，然后切割为圆管坯；

(6)之后进行管坯加热、穿孔、连轧管、定径、冷却、锯切、热处理、矫直、探伤、车丝扣，其中热处理工艺为：890±10℃保温30～50min进行水淬，680±20℃保温60～80min进行空冷；回火后执行带温矫直，矫直温度≥500℃；然后对钢管逐支进行探伤检测，合格者在两端进行车丝扣加工。

钢种成分设计依据如下：

C是提高强度和淬透性最有效的元素之一，但为防止淬火变形及开裂，考虑套管耐硫化氢腐蚀性能和冲击性能的要求，尽量提高Mn/C比，C含量控制在0.12～0.20％之间；

Si有脱氧的作用，但含量超过0.30％时不利于抗硫化氢腐蚀，因此Si含量控制在0.10～0.30％之间；

Mn有固溶强化的作用，可扩大奥氏体区、降低奥氏体向铁素体的转变温度，进而细化铁素体晶粒、提高钢的强韧性，并可补偿低碳所造成的强度损失，但Mn含量过高会产生偏析，容易产生对HIC裂纹敏感的MnS夹杂物，因此，将Mn含量控制在1.20～1.50％之间；

Cr能提高钢的强度和淬透性，并能在钢表面形成一层钝化膜，具有抗硫化氢腐蚀和抗氧化能力，同时Cr可提高耐二氧化碳腐蚀，并能抑制S的吸附，因此添加1.20～1.50％的Cr；

Mo能增加淬透性、并能提高回火稳定性，同时还能在表面形成致密的钝化膜，具有抗硫化氢腐蚀的能力，并可改善点腐蚀，因此加入0.20～0.40％的Mo；

P会造成微观偏析，容易导致淬火马氏体形成显微裂纹，成为氢的聚集源，因此，将P含量控制在0.015％以下；

S含量的增加会显著增加HIC的敏感性，为了达到理想的抗硫化氢腐蚀效果，钢中S含量应控制在0.005％以下；

Al具有良好的脱氧能力，并可细化奥氏体晶粒，提高钢的耐腐蚀能力，将Al含量控制在0.01～0.03％之间；

加入RE元素能够起到净化钢液、改善非金属夹杂物形态、减少点腐蚀和强化晶界等作用，从而取得提高钢材的冲击韧性和抗硫化氢腐蚀性能的效果。

本发明与现有技术不同之处在于本发明取得了如下技术效果：

①由于本产品基本不含有贵重元素Ni、Cu、V、Nb、Ti和B，且贵重元素Mo含量也相对较低，因此生产成本相对较低、生产难度相对较小；

②由于在500℃以上进行带温矫直，钢管的残余应力较低，残余应力：≤50MPa(采用环切法)；

③由于“含稀土元素的独特成分设计”结合成熟生产工艺，使得钢管的各项性能优异，具体性能指标如下：

屈服强度780～870MPa；抗拉强度900～1000MPa；屈强比≤0.90；延伸率≥19％；0℃时的横向冲击值a_KV≥70J/cm²；晶粒度≥8.0级。

④按照NACE Standard TM 0177-2005标准A方法，采用光滑拉伸试样法，本发明基于P110钢级设计，试验恒定应力为0.8R_t0.6(608MPa)，经过H₂S饱和的A溶液连续720小时浸泡，试样未出现开裂、也未出现破坏性裂纹。

本发明针对背景技术中存在的问题，通过“独特的化学成分设计和以高炉铁水为原料的独特生产工艺”等技术措施，很好地解决了上述问题，取得了显著的进步。

具体实施方式

以下结合实施例1～实施例3和对比例，对本发明上述的和另外的技术特征和优点作更详细的说明。

实施例1～实施例3和对比例的整个冶炼工艺、轧制工艺及热处理工艺完全相同，所不同的只是合金加入量及化学成分，实施例1～实施例3的具体实施过程如下：

将90吨高炉铁水用0.03吨“金属镁粉”作脱硫预处理，使铁水中的含S量降低到(重量百分比)0.010％以下；

将所述的90吨预处理铁水兑入100吨级的顶底复吹转炉中，再加入10吨优质废钢，然后采用单渣工艺进行冶炼，终渣中氧化钙与二氧化硅的重量百分比按3.0控制，采用硅锰、锰铁和铬铁进行脱氧合金化，在出钢时采用铝铁合金进行终脱氧，出钢过程必须挡渣，挡渣失败必须扒渣，出钢过程中合金加完以后加入0.2吨白灰块；

将冶炼好的钢水装入钢水包进入LF炉工位进行精炼：精炼时按要吹氩气(氩气流量为每分钟100标升)，采用从低级数到高级数逐渐提高升温速度的方式将温度从1530℃升至1620℃；根据转炉钢水成分及温度进行造渣脱硫、成分调整及升温操作；采用造白渣操作，加入钼铁合金；

当LF炉精炼结束后要保持底部软吹氩气(流量为每分钟40标升)，同时加入0.02吨稀土丝；

然后对精炼好的钢水再进行VD真空处理：深真空度≤0.10KPa，深真空时间≥13分钟；再喂入240米长(质量为0.06吨)的硅钙线，喂丝后保持13分钟软吹氩气(流量为每分钟40标升)。

将经过VD真空处理后的钢水大包吊上钢包回转台进行5机5流圆坯连铸，钢水过热度ΔT≤30℃；铸坯出二次冷却区域后进行矫直，然后用火焰切割为圆管坯。

实施例1～实施例3的具体合金加入量见表1。

表1实施例1～实施例3中的合金加入量(公斤)

	硅锰	锰铁	铬铁	铝铁	钼铁
						实施例1	1300	450	2000	100	600
实施例2	900	950	2150	70	550
						实施例3	500	1450	2350	50	450

对实施例1～实施例3及对比例中规格为的管坯取样进行化验、检验，其化学成分化验结果(重量百分比含量)见表2。

表2化学成分检测结果(重量％)

所述稀土元素RE为：67％的Ce+33％的La构成的混合稀土金属，其化学成分及其含量合格。

硫印：均不超过1.0级，低倍检验合格。

将化、检验合格的管坯进行制管，制管过程如下：

为了使管坯具有良好的轧制性能，要连续检测并控制加热炉的各加热段温

度，保证加热透彻均匀而不过热，环形炉各段的温度见表3：

表3环形加热炉各段温度控制(℃)

加热一段	加热二段	加热三段	加热四段	加热五段	加热六段
						1050～1120	1150～1250	1250～1290	1240～1300	1240～1300	1240～1300

用计算机对加热炉各段温度进行自动控制并自动记录。

热工具在使用前必须测量，轧前必须检查、处理辊道，避免划伤管壁。

将加热好的管坯穿孔后在φ180mmMPM连轧管机组上轧制成规格为ф177.8mm×10.36mm的无缝钢管，每批进行一次热取样，检查几何尺寸；在冷床上冷却之后进行定尺锯切；尺寸精度检查合格的钢管再进行热处理：严格控制淬火加热炉的炉温、加热稳定性和冷却水流量，保证淬火质量；严格控制回火加热炉的炉温以及回火稳定性。

热处理制度为：890℃保温45min后出炉进行水淬，680℃保温70min后出炉进行空冷。

钢管回火后进行带温矫直，矫直温度控制在520～530℃。对矫直后的钢管逐支进行探伤检测、水压试验和通径检验，合格者经车丝扣加工。

经过上述工艺生产及无损探伤过程，合格者即成为本发明所述的“含稀土耐硫化氢腐蚀高抗挤毁石油套管”的成品，用其制取试样进行力学性能检验。

经过检验，实施例1～实施例3所产石油套管以及对比例的力学性能及金相组织检测值见表4、SSC性能检验结果见表5。

表4钢管力学性能及金相组织检测结果

	R_t0.6(MPa)	R_m(MPa)	R_t0.6/R_m	A(％)	a_KV(J/cm²)	压溃值(MPa)	晶粒度	残余应力
									实施例1	795	915	0.87	23.0	102	76.9	10.0级	35MPa
实施例2	826	952	0.87	22.0	95	79.5	10.0级	37MPa
									实施例3	852	981	0.87	21.5	88	82.7	10.0级	39MPa
对比例	817	912	0.90	19.5	63	77.5	9.5级	46MPa

注：冲击试样均为横向、试验温度为0℃，组织均为回火索氏体；对比例与实施例1～实施例3所产石油套管的规格和热处理工艺完全相同。

表5SSC性能检验结果

实施例1	光滑拉伸试样、恒定应力608MPa、经过H₂S饱和溶液连续浸泡、720小时试样不开裂
		实施例2	光滑拉伸试样、恒定应力608MPa、经过H₂S饱和溶液连续浸泡、720小时试样不开裂
实施例3	光滑拉伸试样、恒定应力608MPa、经过H₂S饱和溶液连续浸泡、720小时试样不开裂
		对比例	光滑拉伸试样、恒定应力608MPa、经过H₂S饱和溶液连续浸泡、259小时试样开裂

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims

1.一种含稀土耐硫化氢腐蚀高抗挤毁石油套管，其特征在于：所述石油套管化学成分按重量百分比含量分别为：C 0.12-0.20％；Si 0.10-0.30％；Mn1.20-1.50％；P≤0.015％；S≤0.005％；Cr 1.20-1.50％；Mo 0.20-0.40％；Al0.01-0.03％；稀土元素RE 0.0005-0.0100％；Cu≤0.10％；余量为基体Fe；其中稀土元素RE组分为：67％的Ce和33％的La制成。

2.根据权利要求1所述含稀土耐硫化氢腐蚀高抗挤毁石油套管，其特征在于其包括以下重量份的组分制备而成：