CN106048421A - 一种110ksi级不锈钢油管及其制造方法 - Google Patents

一种110ksi级不锈钢油管及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种110ksi级不锈钢油管及其制造方法，其化学成分按照质量百分数的组成为：C：≤0.02，Si：≤0.20，Mn：1.00‑1.50，Cr：18‑20，Ni：9‑12，N：0.1‑0.3，其余为Fe及微量杂质元素；该化学成分经过冶炼、锻造、制管坯、挤压与轧制、固溶处理、冷变形、热处理、无损检测和管端加工的工序，最终获得的110ksi级不锈钢油管的屈服强度Rp0.2为758‑828MPa，抗拉强度Rm＞862MPa，延伸率A50＞12％，满足API Spec 5CT标准中110ksi强度级别要求，适用于深‑超深井和苛刻腐蚀环境的油井需求。

Description

一种110ksi级不锈钢油管及其制造方法
技术领域：
本发明属于金属材料和石油天然气工业领域，涉及一种110ksi级不锈钢油管及其制造方法。
背景技术：
随着石油天然气工业的发展，油气勘探朝着深度增加、腐蚀环境越来越复杂苛刻的方向发展。一些深井和超深井也将纷纷出现。这些深-超深井通常是含有CO2、H2S和Cl-的高温高压和超高温高压井。这对油井用管材提出了更高的要求，即在具备高强高韧性能的同时还应具备优良的耐腐蚀性能。传统的普通碳钢和低Cr合金钢已不能满足要求。超低碳奥氏体不锈钢因C含量比较低，材料本身不会发生不锈钢类材料常见的晶间腐蚀，较高的Cr、Ni含量使其具有优良的抗CO2、H2S和Cl-腐蚀性能，且该类钢的耐高温高压性能良好。可用来制作110ksi级耐腐蚀油井用管，以满足深-超深井和苛刻腐蚀环境的要求。
目前采用不锈钢制作高强度油井管的专利主要是马氏体不锈钢和双相不锈钢等。这类钢的显微组织呈马氏体或双相组织，普遍采用调质处理工艺。而采用奥氏体不锈钢这种耐腐蚀性能优良且具有稳定高温性能的钢种制作高强度石油用管材则很少见。这主要是因为奥氏体不锈钢室温下的显微组织呈奥氏体，塑韧性很好，但强度偏低，限制了其在高强度管材行业的应用。尤其是超低碳奥氏体不锈钢，较低的碳含量虽然有利于耐腐蚀性能的提高，但却进一步降低了钢材本身的强度。另一方面，奥氏体不锈钢的冷作硬化效果比较明显，可通过形变强化使强度大幅提高。本发明即是利用奥氏体不锈钢的形变强化特点，结合成分设计和热处理，设计制造出一种110ksi级奥氏体不锈钢油管。
发明内容：
本发明的目的是提供一种110ksi级不锈钢油管及其制造方法，通过合理的成分设计并结合不锈钢的冶炼锻造、轧制、冷变形和热处理工艺生产出抗拉强度在862MPa以上，屈服强度在758MPa以上，延伸率在12％以上的110ksi级不锈钢油管。
为实现上述目的，本发明的技术方案为一种110ksi级不锈钢油管，其化学成分(质量百分数，wt.％)为：C：≤0.02，Si：≤0.20，Mn：1.00-1.50，Cr：18-20，Ni：9-12，N：0.1-0.3；其余为Fe及微量杂质元素。
各元素作用说明如下：
C是固溶强化元素，固溶于基体当中可有效钢材提高强度，但C容易与不锈钢中的耐蚀合金元素Cr形成诸如Cr23C6等碳化物并在晶界上析出，造成晶界贫Cr，发生晶间腐蚀。因此，为避免晶间腐蚀现象的发生，将碳含量设计在0.02％以下。
Cr是不锈钢中的主要耐蚀合金元素，显著提高钢的耐腐蚀性能，Cr还能提高钢的强度、硬度和耐磨性，但同时降低钢的塑性和韧性。本发明将Cr含量设计为18-20％。
Ni是能够扩大并稳定奥氏体区的元素，与Cr以合理的成分配比，可使不锈钢在室温下呈奥氏体组织。Ni同时也具有防腐作用，与Cr协同耐腐蚀效果更加明显。Ni含量设计为9-12％。
N与C有类似的强化作用，以N代C可弥补由于C含量的减少而引起的强度不足，并且，N也是倾向于形成奥氏体的元素。N的加入还能对钢的耐腐蚀性能等进行改善。N含量设计为0.1-0.3％。
Mn是固溶强化元素，显著提高钢的强度和耐磨性，可降低钢的临界淬火速度。Mn除了能够脱氧脱硫之外，还能够稳定奥氏体并改善钢的热塑性和低温韧性，但Mn含量过高会引起塑性和韧性下降。Mn含量为1.00-1.50％。
Si元素的加入可进一步改善不锈钢的耐晶间腐蚀性能，还能提高钢的弹性极限。含量在0.20％以下。
本发明还提供了上述110ksi级不锈钢油管的制造方法，包括以下步骤：
(1)冶炼：钢水经转炉或电炉冶炼后进行AOD或VOD精炼，连铸或模铸成钢坯；采用氩气保护进行电渣重熔，对最终钢坯进行均质化退火；
(2)锻造：将钢坯加热至1100-1250℃，保温30min以上，对钢坯进行多道次锻造，制成锻坯；
(3)制管坯：对锻坯进行扒皮、定心和穿孔处理制成管坯；
(4)挤压与轧制：管坯进入感应炉加热，加热温度为1000-1150℃，保温时间为10-30min；对管坯内外表面进行玻璃粉润滑后扩孔，并在挤压机上挤压成无缝管坯，空冷；
(5)固溶处理：将无缝管坯加热至1050-1150℃，保温10-30min后水冷；
(6)冷变形：对固溶后的不锈钢管坯进行冷变形，使断面收缩率控制在20-40％之间；
(7)对冷变形之后的不锈钢油管进行热处理；
(8)无损检测：对不锈钢无缝钢管进行外观剂内外表面的超声波探伤和涡流检验，检验等级参考API Spec 5CT标准中的L2级；
(9)管端加工：将无损检测合格的不锈钢无缝钢管截成长度8.5-12.5m的管段，在钢管的两端加工设计丝口。
若上述冷变形之后的不锈钢油管的屈服强度Rp0.2为758-828MPa，抗拉强度Rm＞862MPa，延伸率A50＞12％，则冷变形之后的热处理温度为150-250℃，保温时间为120-300min；若冷变形之后的的不锈钢油管的延伸率＜12％，则冷变形之后的热处理温度为500-700℃，保温时间为10-120min。进行150-250℃热处理的目的是消除管材残余应力，稳定性能；进行500-700℃热处理的目的是在保证强度的前提下进一步提高不锈钢油管的塑韧性，使性能达到要求。
本发明的有益效果：
(1)采用超低碳奥氏体不锈钢制作油管，材质本身具备优良的抗腐蚀性能；低碳含量避免了普通不锈钢常见的晶间腐蚀现象的发生；以N代C，可弥补由于C含量降低引起的强度不足；合金含量的优化配比使钢材在室温下呈均一稳定的奥氏体组织，有利于后续形变强化获得高强高韧的力学性能。
(2)在冷变形之前对管材进行固溶化处理，可使碳化物充分溶解，使组织均一化，为后续的冷变形做准备。
(3)变形量较小时强度达不到要求；变形量过大时组织中产生形变马氏体，造成塑性下降，本发明的断面收缩率控制在20-40％范围，可保证所制得的油管获得足够强度的同时，也符合现有无缝钢管设备条件可达到的冷变形能力，易于实现工业化生产。
(4)对奥氏体不锈钢管进行冷变形和热处理可使不锈钢油管的抗拉强度达到862MPa以上，屈服强度在758Mpa以上，延伸率在12％以上，满足API Spec 5CT标准110ksi级高强度耐腐蚀油管性能要求。
具体实施方式：
下面结合实施例详细说明110ksi级不锈钢油管及其制造方法的具体实施方式。
实施例1，本实施例各成分质量百分比(wt.％)为：C：0.010，Si：0.05，Mn：1.25，Cr：18.30，Ni：9.70，N：0.12，制造方法如下：
(1)冶炼：钢水经电炉冶炼后进行VOD精炼，模铸成钢坯；采用氩气保护进行电渣重熔，对最终钢坯进行均质化退火。
(2)锻造：将钢坯加热至1150-1200℃，保温45分钟，对钢坯进行多道次锻造，制成锻坯。
(3)制管坯：对锻坯进行扒皮、定心和穿孔处理制成管坯。
(4)挤压与轧制：管坯进入感应炉加热，加热温度为1050-1150℃，保温时间为30分钟；对管坯内外表面进行玻璃粉润滑后扩孔，并在挤压机上挤压成无缝管坯，空冷。
(5)固溶处理：将无缝管坯加热至1150℃，保温30分钟后水冷。
(6)冷变形：对固溶处理后的不锈钢管坯进行冷轧，断面收缩率为30％。
(7)对冷变形之后的不锈钢油管进行热处理，温度为550-650℃，保温时间60分钟。
(8)无损检测：对不锈钢油管进行外观及内外表面的超声波探伤和涡流检验，检验等级参考API Spec 5CT标准中的L2级；
(9)管端加工：将无损检测合格的不锈钢油管截成长度10m的管段，在钢管的两端加工设计丝口。
按照该成分和制造方法所制得规格为88.90×6.45mm的110ksi级不锈钢油管，屈服强度可达780MPa以上，抗拉强度可达890MPa以上，延伸率可超过20％。
实施例2，本实施例各成分质量百分比为：C：0.012，Si：0.04，Mn：1.20，Cr：18.10，Ni：9.85，N：0.15，制造方法如下：
(1)冶炼：钢水经电炉冶炼后进行VOD精炼，模铸成钢坯；采用氩气保护进行电渣重熔，对最终钢坯进行均质化退火。
(2)锻造：将钢坯加热至1150-1200℃，保温40分钟，对钢坯进行多道次锻造，制成锻坯。
(3)制管坯：对锻坯进行扒皮、定心和穿孔处理制成管坯。
(4)挤压与轧制：管坯进入感应炉加热，加热温度为1000-1100℃，保温时间为25分钟；对管坯内外表面进行玻璃粉润滑后扩孔，并在挤压机上挤压成无缝管坯，空冷。
(5)固溶处理：将无缝管坯加热至1100℃，保温25分钟后水冷。
(6)冷变形：对固溶后的不锈钢管坯进行冷轧，断面收缩率为25％。
(7)对冷变形之后的不锈钢油管进行热处理，温度为200℃，保温时间300分钟。
(8)无损检测：对不锈钢油管进行外观及内外表面的超声波探伤和涡流检验，检验等级参考API Spec 5CT标准中的L2级；
(9)管端加工：将无损检测合格的不锈钢油管截成长度10m的管段，在钢管的两端加工设计丝口。
按照该成分和制造方法所制得规格为88.90×6.45mm的110ksi级不锈钢油管，屈服强度可达800MPa以上，抗拉强度可达900MPa以上，延伸率可超过15％。

Claims (4)

1.一种110ksi级不锈钢油管，其特征在于：所述110ksi级不锈钢油管的化学成分按照质量百分数为：C：≤0.02，Si：≤0.20，Mn：1.00-1.50，Cr：18-20，Ni：9-12，N：0.1-0.3，其余为Fe及微量杂质元素。
2.如权利要求1所述的110ksi级不锈钢油管，其特征在于：所述110ksi级不锈钢油管的屈服强度Rp0.2为758-828MPa，抗拉强度Rm＞862MPa，延伸率A50＞12％。
3.如权利要求1所述的110ksi级不锈钢油管的制造方法，其特征在于：所述制造方法包括以下步骤：
(1)冶炼：钢水经转炉或电炉冶炼后进行AOD或VOD精炼，连铸或模铸成钢坯；采用氩气保护进行电渣重熔，对最终钢坯进行均质化退火；
(2)锻造：将钢坯加热至1100-1250℃，保温30min以上，对钢坯进行多道次锻造，制成锻坯；
(3)制管坯：对锻坯依次进行扒皮、定心和穿孔处理制成管坯；
(4)挤压与轧制：管坯进入感应炉加热，加热温度为1000-1150℃，保温时间为10-30min；对管坯内外表面进行玻璃粉润滑后扩孔，并在挤压机上挤压成无缝管坯，空冷；
(5)固溶处理：将无缝管坯加热至1050-1150℃，保温10-30min后水冷；
(6)冷变形：对固溶后的不锈钢管坯进行冷变形，使断面收缩率控制在20-40％之间；
(7)对冷变形之后的不锈钢油管进行热处理；
(8)无损检测：对不锈钢油管进行外观及内外表面的超声波探伤和涡流检验；
(9)管端加工：将无损检测合格的不锈钢油管截成长度8.5-12.5m的管段，在钢管的两端加工设计丝口。
4.如权利要求3所述的110ksi级不锈钢油管的制造方法，其特征在于：若冷变形之后的不锈钢油管的屈服强度Rp0.2为758-828MPa，抗拉强度Rm＞862MPa，延伸率A50＞12％，则冷变形之后的热处理温度为150-250℃，保温时间为120-300min；若冷变形之后的的不锈钢油管的延伸率＜12％，则冷变形之后的热处理温度为500-700℃，保温时间为10-120min。
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