CN105063324B - 高强度耐硫化氢腐蚀油井用无缝钢管的热处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供高强度抗硫化氢腐蚀油井用无缝钢管的热处理方法，该方法包括步骤1)适用该方法的油井管成分按重量％为：0.20～0.40％C、0.10～0.80％Mn、0.3～1.5％Cr、0.2～1.5％Mo、0～0.2％V、0～0.08％Nb、0～0.030％Ti、0～0.0050％B、P≤0.015％、S≤0.003％；油井管的长度为6～12m，规格外径为60.32～339.72mm，壁厚为4.83～38.00mm；步骤2)适用步骤1油井管的热处理方法为：高温淬火—中温回火—热矫直—低温淬火—高温回火—热矫直—去应力回火。有益效果是该热处理方法钢管具有均匀的回火索氏体组织、10um以下的晶粒尺寸，该晶粒度达到了ASTM E112 10.0级以上；屈服强度在724MPa(105ksi)以上，0.93以上的高屈强比。

Description

高强度耐硫化氢腐蚀油井用无缝钢管的热处理方法

技术领域

本发明涉及一种低合金无缝钢管的热处理方法，尤其一种高强度耐硫化氢腐蚀油井用无缝钢管的热处理方法。

现有技术

国内外许多地区储藏着丰富的石油、天然气资源，但较多储藏地质中含有H₂S腐蚀性气体。H₂S腐蚀可导致油套管在一定应力下发生不可预料的脆性断裂。在油气勘探开发中，由于地层液体中含有大量的H₂S等腐蚀介质，油套管的脆性腐蚀断裂等现象时有发生，造成巨大的财产与安全损失。

随着材料强度的升高，材料的位错密度也增加，导致更多的氢离子在位错上聚集，从而使硫化氢应力腐蚀开裂敏感性急剧增大，因此生产高强度(尤其是大于100ksi)抗硫化氢腐蚀的材料非常困难，需要在成分设计、纯净度冶炼、轧制控制和热处理，显微组织控制等方面综合考虑。

关于高强度耐硫化氢腐蚀油套管的国内外专利有很多，但大都集中在材料的成分设计方面，而在热处理方面基本采用传统的调质处理，如专利授权号CN102251189B专利。然而，热处理工艺的设计对最终材料的组织有着决定性的影响。根据SSC开裂机理及以往国内外的研究报道，抗SSC性能的理想微观组织是完全的回火索氏体组织、细小的晶粒尺寸和基体上均匀分布的细小的碳化物以防止沿晶开裂。

另外，由于为了保证10m多长的钢管热处理后的直度，一般会在回火处理后进行热矫直处理，而矫直会使钢管产生残余应力，残余应力的大小通过割缝法测得，一般在100～300MPa，对于回火温度在650℃以上的高强抗腐蚀钢管，残余应力也有60～200MPa。残余应力的存在会使得钢管圆周方向和纵向的力学性能产生波动，这不利于热处理对钢管力学性能的整体控制。 申请公布号CN102719752A的专利虽然通过热处理方法的改进使残余应力降到100MPa以下，但还是有60～80MPa的残余应力存在。

发明内容

鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的是提出一种高强度抗硫化氢腐蚀油井用无缝钢管的热处理方法，以利于油井管的晶粒尺寸降低到10μm以下，进一步提高屈强比，使钢管残余应力降到最低以使管体力学性能更加均匀，最终进一步提高材料的抗H₂S应力腐蚀性能。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是提出一种高强度抗硫化氢腐蚀油井用无缝钢管的热处理方法，该方法包括以下步骤：

(1)适用该方法的油井管成分按重量％为：0.20～0.40％C、0.10～0.80％Mn、0.3～1.5％Cr、0.2～1.5％Mo、0～0.2％V、0～0.08％Nb、0～0.030％Ti、0～0.0050％B、P≤0.015％、S≤0.003％；油井管的长度为6～12m，规格外径为60.32～339.72mm，壁厚为4.83～38.00mm；

(2)适用步骤(1)油井管的热处理方法为：高温淬火—中温回火—热矫直—低温淬火—高温回火—热矫直—去应力回火，工艺参数为高温淬火温度为920～1000℃，中温回火温度为550～650℃，热矫直的矫直温度不低于回火温度100℃，低温淬火温度为Ac3+10～30℃，高温回火温度为680℃～Ac1，热矫直的矫直温度不低于回火温度100℃，去应力回火温度为620～700℃，其中两次淬火工艺均满足以下关系式：

其中：T(℃)奥氏体化温度，t(min)为保温时间，b(mm)为钢管壁厚，α为系数，取0.8～1.2；

(3)热处理后检测技术指标为：油井管具有均匀的回火索氏体组织、10μm以下的晶粒尺寸、屈服强度在724MPa(105ksi)以上，0.93以上的 高屈强比、零残余应力以及可按95％实际屈服强度加载的抗硫化氢应力腐蚀开裂性能。

本发明的效果是该热处理方法可以达到：

(1)钢管具有均匀的回火索氏体组织、10um以下的晶粒尺寸，该晶粒度达到了ASTME11210.0级以上；

(2)屈服强度在724MPa(105ksi)以上，0.93以上的高屈强比。高屈强比使钢管在相同的屈服强度下，抗拉强度和硬度进一步降低；

(3)零残余应力。通过在较高的温度下矫直和再一次的去应力回火完全消除了钢管的残余应力，通过分析，零残余应力可使周向屈服强度差小于10MPa；

(3)优异的抗腐蚀性能。可以通过标准NACE TM0177A法按95％材料实际屈服强度加载的腐蚀试验，而API 5CT对C110抗腐蚀套管的要求仅是按85％名义最小屈服强度加载。

本发明的热处理方法可以广泛应用到油气开采用105ksi以上高强抗腐蚀油管、套管、钻杆等油井管生产制造上，可以使高钢级抗腐蚀油井管具有更加优异的抗H₂S腐蚀开裂性能和稳定的整管力学性能。

附图说明

图1本发明热处理方法的简明流程图；

图2高强抗H2S腐蚀无缝钢管残余应力与周向强度差的关系。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的高强度耐硫化氢腐蚀油井用无缝钢管的热处理方法作进一步阐述。

随着材料强度的升高，材料的位错密度也增加，导致更多的氢离子在位错上聚集，从而使硫化氢应力腐蚀开裂敏感性急剧增大，因此生产高强度(尤其是大于100ksi)抗硫化氢腐蚀的材料非常困难，需要在成分设计、钢的纯 净度和显微组织控制方面综合考虑。

本发明的热处理方法需要结合特定化学成分一起使钢管达到高强度耐硫化氢腐蚀的特性，根据对本发明的热处理方法长期实践和研究，该高强度耐硫化氢腐蚀油井管的化学成分范围为：0.20～0.40％C，0.10～0.80％Mn，0.3～1.5％Cr，0.2～1.5％Mo，0～0.2％V，0～0.08％Nb，0～0.030％Ti，0～0.0050％B，P≤0.015％，S≤0.003％。

具有以上成分的钢坯经连轧或其它轧管方式得到无缝钢管，钢管长度为6～12m，规格外径：60.32～339.72mm，壁厚：4.83～38.00mm。然后进行本发明的热处理流程，如图1所示，具体步骤为：

一、高温淬火

将无缝钢管在步进式高温炉里进行加热和保温，保温温度为920～1000℃。高温淬火是为了使钢管充分奥氏体化，由于该钢的成分设计中，含有较高的Cr、Mo合金和Nb、V、Ti微合金，一方面高温保温会使这些元素更加均匀化，减少成品的成分偏析；另一方面，这些元素都是碳化物形成元素，在轧制过程中以碳化物形式析出，为了在奥氏体化过程中充分溶解这些碳化物，以便在淬火回火中发挥作用，因此使用较高的奥氏体化温度，但是过高的奥氏体化温度又会使奥氏体晶粒迅速长大，对抗腐蚀性能不利，因此高温奥氏体化淬火的温度为920～1000℃。

二、中温回火

将高温淬火后的钢管进步进式低温炉进行回火处理，回火温度为550～650℃。本次回火的目的是使合金碳化物析出而又不过分长大，回火中析出的细小弥散的Nb(C,N)，VC，Ti(C,N)以及Cr、Mo的碳化物在再次进行奥氏体化时对奥氏体的长大将起到强烈的拖拽和钉扎效应，阻止奥氏体晶粒的长大，为产品最终得到10um以下的晶粒打下基础。由于在500～700℃时，合金元素才具有足够的能量进行扩散以形成合金碳化物，又不能使它们过分 长大，因此中温回火温度设为550～650℃，保温时间根据钢管规格为30～60min。

三、热矫直

回火后，加快辊道速度，在不低于(回火温度－100℃)的条件下，通过3点6辊矫直机进行热矫直，保证钢管的直度和低矫直应力。

四、低温淬火

为了得到细小的晶粒，对钢管进行第二次淬火，为了不使奥氏体晶粒长大，奥氏体化保温温度为Ac3+10～30℃。二次淬火和低温淬火都对都可以使奥氏体晶粒得到细化，将二者结合使晶粒得到进一步的细化。由于本发明使用的钢种为中碳铬钼钢，淬透性都非常好，因此在出奥氏体化炉到淬火前，即使钢管温度降低30～100℃，也不会发生铁素体或珠光体等高温转变，因此低温淬火可以保证钢管得到完全的马氏体组织。

五、高温回火

高温回火得到设计的强度范围(100ksi～135ksi)，根据具体的成分和需要的力学性能，回火温度为680℃～Ac1，根据规格保温时间为40～90min。

六、热矫直

回火后，加快辊道速度，在不低于回火温度－100℃的条件下，通过三点六辊矫直机进行热矫直，保证钢管的直度的同时，由于在较高的温度进行矫直，矫直产生的残余应力会非常小，为最终实现零残余应力提供条件。

七、去应力回火

虽然不进行冷加工，但是调质后的钢管仍然存在着残余应力，一般在60～200MPa，而这种残余应力会使得钢管圆周方向上的力学性能产生不均，如图2所示，只有将这种应力消除，才能将圆周方向上力学性能不均度降低到最小。经研究和实践经验表明，这种残余应力是由热矫直产生的。因此为了得到零残余应力的钢管，则需要进行再一次的回火。为了避免影响力学性 能，去应力回火温度比高温回火温度低30～60℃，根据具体的高温回火温度，去应力回火温度为620～700℃，根据规格保温时间为30～70min。由于钢管进行高温回火和高温矫直后，残余应力已经很小了，为30～100MPa，经过本次去应力回火后，钢管的残余应力可以完全消除。

由于没有再次淬火，不会产生淬火变形，因此，去应力后不再进行矫直，也避免了新的残余应力的产生。

以上热处理过程中的淬火介质根据具体成分和钢管规格，主要是壁厚管，以保证全壁厚淬成完全马氏体而又不发生淬火裂纹为目的采用水(含C、Mn较低，或较大壁厚)或水基淬火液(含C、Mn较高，或较小壁厚)。

为避免奥氏体化过程中晶粒长大，经过大量的实践经验和理论研究，本发明热处理方法过程中淬火时的奥氏体化保温时间t(min)应满足下式：

其中：α为系数，取0.8～1.2；T(℃)为奥氏体化温度；b(mm)为钢管壁厚。

具有本发明指定如上所述化学成分的油井用无缝钢管经过本发明的热处理方法后，具有以下特征：

一、均一的回火索氏体组织、平均晶粒尺寸在10μm以下；

二、0.93以上高屈强比、零残余应力和整管均一的力学性能；

三、优良稳定的抗硫化氢应力腐蚀开裂性能，可按95％实际屈服强度进行加载通过NACE TM0177 A法试验。

根据本发明的热处理方法的实施例如下：

具有表1化学成分的钢轧成不同规格的无缝钢管后，按照本发明的热处理方法进行热处理，具体工艺见表2，其中B1为比较例，为钢种B经一般调质工艺处理。表3为通过相应热处理后的力学性能、金相组织以及抗硫化 氢应力腐蚀性能，通过表示可以看出：A～D钢屈服强度均达到了724MPa(105ksi)以上，相比于传统的调质处理，本发明的热处理方法提高了屈强比，使屈强比达到了0.94以上，同强度钢级下具有更低的硬度，管体残余应力为零，平均晶粒尺寸小于10μm，为同钢种一般调质下的晶粒尺寸的一半，这些区别使得通过本发明热处理方法的钢具有更优秀的抗H₂S应力腐蚀性能，可以通过标准NACE TM0177 A法按95％材料实际屈服强度加载的腐蚀试验。

表1实例钢的化学成分

Claims (1)

1.一种高强度耐硫化氢腐蚀油井管的热处理方法，该方法适用的油井用无缝钢管成分按重量％为：0.20～0.40％C、0.10～0.80％Mn、0.3～1.5％Cr、0.2～1.5％Mo、0～0.2％V、0～0.08％Nb、0～0.030％Ti、0～0.0050％B、P≤0.015％、S≤0.003％；油井管的长度为6～12m，规格外径为60.32～339.72mm，壁厚为4.83～38.00mm，针对所述油井用无缝钢管进行热处理，该方法包括以下步骤：

(1)首先对所述油井用无缝钢管进行高温淬火—中温回火—热矫直—低温淬火—高温回火—热矫直—去应力回火，工艺参数为高温淬火温度为920～1000℃，中温回火温度为550～650℃，热矫直的矫直温度不低于回火温度100℃，低温淬火温度为Ac3+10～30℃，高温回火温度为680℃～Ac1，热矫直的矫直温度不低于回火温度100℃，去应力回火温度为620～700℃，其中两次淬火工艺均满足以下关系式：

$t=\mathrm{\α}(\frac{1500}{T-800}+0.8(b-10\left)\right)$

其中：T(℃)奥氏体化温度，t(min)为保温时间，b(mm)为钢管壁厚，α为系数，取0.8～1.2；

(2)热处理后检测技术指标为：油井用无缝钢管具有均匀的回火索氏体组织、10μm以下的晶粒尺寸、屈服强度在724MPa(105ksi)以上，0.93以上的高屈强比、零残余应力以及按95％实际屈服强度加载的抗硫化氢应力腐蚀开裂性能。