CN111570559A - 一种低碳高强度奥氏体不锈钢连续管及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低碳高强度奥氏体不锈钢连续管及其制备方法，各组分百分含量按质量百分比为：C:≤0.03％、Si:≤1.00％、Mn:4.00～8.00％、P:≤0.050％、S:≤0.005％、Cr:18～20％、Ni:3～5.0％、Cu:1.2～3.5％、N:0.20～0.30％、Mo≤0.3％，其余为Fe和不可避免的杂质。制备方法的步骤包括：(1)制造卷板；(2)卷板纵剪和钢带接长；(3)钢带成型，利用激光焊接，焊后快速冷却制造成不锈钢连续管。本发明奥氏体不锈钢连续管通过优化合金含量，改进制造工艺，生产出的连续管具有高强度、低成本、良好的耐蚀性能。

Description

一种低碳高强度奥氏体不锈钢连续管及其制备方法

技术领域：

本发明属于石油天然气管材技术领域，涉及一种具有高强度、低成本、良好的耐蚀性能的低碳高强度奥氏体不锈钢连续管及其制备方法。

背景技术：

连续管(CT，Coiled tubing)不同于常规螺纹连接的油管，是一种单根长度可达数千米、无螺纹连接的新型石油管材，缠绕在卷筒上运输、使用，与连续管作业机配合，可进行油气田修井、测井、钻井、完井、油气输送等领域数十种作业，在油气田勘探、开发、作业、增产中发挥着重要的作用，被称为“万能管”，是世界油气作业领域研究和应用的热点。

目前，国内外制造连续管的材质主要是低合金碳钢，使用低合金碳钢生产的连续管在含有H₂S、CO₂等腐蚀介质中，易发生腐蚀速率高的失重腐蚀和局部腐蚀，低合金碳钢连续管在作业过程中会受到自重的拉应力、周期性的塑性应变，与井内H₂S、CO₂等腐蚀的协同作用下，造成材料性能退化，塑性降低，容易导致管体开裂，或管材会在受力远低于其本身屈服强度时突然发生脆断，严重制约着油气田的开发。

部分制造商也生产少量高合金材质(双相不锈钢、奥氏体不锈钢)的连续管。其中双相不锈钢兼具了铁素体不锈钢和奥氏体不锈钢的优良特性，具有较高的强塑性，在H₂S、CO₂腐蚀介质中抗应力腐蚀、点蚀、缝隙腐蚀性能较强，但双相不锈钢连续管的价格是碳钢连续管的3倍甚至4倍以上，价格昂贵大规模推广应用较为困难。普通奥氏体不锈钢(如304、316)强度较低，单根管柱长度受限，严重制约连续管入井深度，应用范围有限。

在制造工艺方面，“一种奥氏体不锈钢连续管及其制造方法”(CN201410181954.7)中公开的一种奥氏体连续管制造方法，焊接方式采用HFW高频焊，该种焊接方式具有不用添加填充金属，焊接速度快，生产效率高等优点。但是在焊接过程中，常伴有金属氧化物没有随熔融金属挤出而被夹在熔合面上形成夹杂物；焊接中加热温度高，温度梯度大易形成脆性组织，大大降低了焊缝综合力学性能。并且通过HFW高频焊制造的连续管内壁会形成毛刺，内壁毛刺不仅影响管内油气流通内径，而且毛刺周边易产生微区沟槽，形成沟槽腐蚀大大降低连续管使用寿命。

“一种奥氏体不锈钢连续管及其制造方法”(CN 201410181954.7)中公开的奥氏体不锈钢连续管制造方法，管柱纵焊缝焊后需要通过中频感应加热设备，将焊缝加热到1050-1150℃进行固溶热处理。但是，该方法存在以下问题：(1)焊缝受热时，焊缝两边母材会形成热影响区，焊缝受热量将延热影区连续扩展，造成部分热影区母材处于奥氏体不锈钢敏化温度(400-850℃)范围内，母材易形成M₂₃C₆等金属间化合物，使管柱塑性降低易形成开裂，且大幅度降低管柱耐腐蚀能力。(2)在焊缝中频感应加热时，奥氏体不锈钢焊缝及热影响区强度将明显下降，管柱的抗压性能将大幅度降低，直接影响管柱使用性能。(3)在焊缝中频感应加热时，采用纯度≥99.7％的氮气进行连续气体保护，易在焊缝表面形成渗氮层，造成焊缝硬度升高塑性下降。

发明内容：

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种低碳高强度奥氏体不锈钢连续管及其制备方法，通过优化合金含量、改进制造方法，生产出的连续管具有高强度、低成本、良好的耐蚀性能，适合在含有较高的CO₂和适量H₂S环境的油气田开发中长期使用。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种低碳高强度奥氏体不锈钢连续管，该不锈钢连续管的化学成分按质量百分比为：C:≤0.03％、Si:≤1.00％、Mn:4.00～8.00％、P:≤0.050％、S:≤0.005％、Cr:18～20％、Ni:3～5.0％、Cu:1.2～3.5％、N:0.20～0.30％、Mo≤0.3％，其余为Fe和不可避免的杂质。

所述低碳高强度奥氏体不锈钢连续管的屈服强度≥483MPa、抗拉强度≥552MPa、延伸率≥30％、外径范围为Φ25.4～Φ88.9mm、壁厚范围为1.9～6.4mm、长度大于61米、硬度≤28HRC。

上述一种低碳高强度奥氏体不锈钢连续管的制造方法，包括的步骤有：

步骤1：卷板的制备：

以铁水作为主原料，加合金在转炉中加热到1450～1550℃初熔，脱碳、钢包精炼后在1500～1550℃浇注成连铸坯；将铸坯加热到1150～1260℃，采用连铸技术应用电磁搅拌控制铸成20～60mm厚度的板坯，在1000～1050℃温度下终轧成2.4～6.35mm厚度的热轧板，水冷、酸洗后卷曲，最后制成长度超过200米卷板；

步骤2：卷板纵剪和钢带接长：

将制备好的卷板按照连续管规格要求，通过纵剪机组剪成50～300mm的钢带，将前后两条钢带的端头加工成45°后，合理加工坡口，坡口为I型、V型或U型，采用气体保护的激光焊、氩弧焊或等离子焊方法将钢带进行对接焊，焊后进行水冷或气冷，当焊缝冷却后，打磨和清理焊缝表面；然后将焊缝及热影响区在保护气氛中重新加热到≤400℃温度，保温30～300s后自然冷却至常温。

步骤3：成型与焊接：

根据最终连续管外径和壁厚要求，采用铣边的方法将钢带侧面刨成I型坡口，精确控制钢带宽度和板边垂直度，采用UOE排辊成型方法控制钢带成型；利用激光焊接技术，精确控制离焦量、激光功率和焊接速度等参数，控制成型坡口间隙≤0.1mm，离焦量为-2～8mm，激光功率为2Kw～15Kw，焊接速度为1.5～10m/min，对成型的钢带进行纵向焊接，确保焊接质量；焊后采用水冷或气冷的方式，立即对焊缝进行快速冷却；制成管径为Φ25.4～Φ88.9mm，壁厚为1.9～6.4mm的低碳高强度奥氏体不锈钢连续管；

步骤4：连续卷曲：

将成型焊接后的连续管进行精定径，然后通过卷取机缠绕到适当芯径的卷筒上，连续生产长度为61～10000m的低碳高强度奥氏体不锈钢连续管。

本发明的有益效果在于：

1、本发明采用Cr-Mn-N体系设计化学成分，提高Mn、N元素合金含量，利用Mn和N部分代替昂贵的Ni元素，从而获得稳定的奥氏体组织，有效降低了奥氏体不锈钢连续管的成本。合金体系中N、Mn元素提高，既有利于产生强烈的间隙固溶强化和析出强化作用，从而大幅提高材料的强度，又可以细化晶粒、避免铁素体和形变诱导马氏体的形成，改善不锈钢的韧塑性，对提高奥氏体不锈钢连续管的强度、低周疲劳性能具有重要作用，有限提高了整管下井深度，作业次数。

2、合金体系中还增加了Cu、Mo元素含量，严格控制S、P元素含量，有效提高了奥氏体不锈钢的耐蚀性能。

3、卷板成型后采用激光焊接，焊接效率高、接头冷却速度快，热影响区小，在气体保护下避免了焊缝接头中氧化物形成夹杂物。同时，合金体系中C≤0.03％，焊后冷却过程中，C始终固溶于奥氏体组织内，不会形成M₂₃C₆等金属间化合物，无需开展焊后固溶热处理，避免了中频感应高温加热对焊缝带来的一系列不良影响。激光焊后，焊缝成型美观，管柱内壁无明显毛刺，有效的提高了连续管内油气流通内径，避免沟槽腐蚀等现场出现。

4、本发明制造的低碳高强度奥氏体不锈钢连续管的屈服强度≥483MPa、抗拉强度≥552MPa、延伸率≥30％、外径范围为Φ25.4～Φ88.9mm、壁厚范围为1.9～6.4mm、长度大于61米、硬度≤28HRC，具有高强度、低成本、良好的耐蚀性能，适合在含有较高的CO₂和适量H₂S环境的油气田开发中长期使用。

具体实施方式：

下面结合具体实施例对本发明做进一步详细说明：

1、本发明采用Cr-Mn-N体系，具体化学成分如表1，将铁水作为主原料，加合金在转炉中加热到1450～1550℃间初熔，脱碳、钢包精炼，铁水的成分质量百分数达到表1要求后，在1500～1550℃浇注成连铸坯。将铸坯加热到1150～1260℃，采用连铸技术应用电磁搅拌控制铸成20～60mm厚度的板坯，在1000～1050℃温度下终轧厚度2.8mm，宽度1180mm的热轧板，水冷、酸洗后卷曲，最后制成长度300米卷板。

表1具体化学成分

C	Si	Mn	P	S	Cr	Ni	Cu	N	Mo	Fe
											0.02	0.65	6.94	0.030	0.002	17.83	3.89	1.6	0.25	0.2	其余

2、卷板纵剪和钢带接长

将制备好的奥氏体卷板通过纵剪机组剪成94.4mm的钢带；为满足连续管长度要求，将前后两条钢带的端头加工成45°斜边，并在45°斜边开I型坡口。采用氩气保护激光焊方法将前后两条钢带斜边进行对接焊，焊后立即对焊缝水冷至常温，然后对焊缝打磨和清理焊缝表面，最后，将焊缝及热影响区在保护气氛中重新加热到300℃温度，保温300s后自然冷却至常温；

3、连续管的成型与焊接

采用铣边的方法将钢带侧面刨成I型坡口，精确控制钢带宽度和板边垂直度，采用UOE排辊成型方法进行钢带成型；对成型的钢带采用氩气保护激光焊接技术进行纵向焊接，精确设计离焦量、激光功率和焊接速度，离焦量为+4mm，激光功率为3.5Kw，焊接速度为2m/min，焊后确保焊缝无气孔、微裂纹等缺陷，焊后立即对焊缝水冷至常温；制成管径为Φ38.1mm，壁厚为2.8mm的直缝低碳高强度奥氏体不锈钢连续管。

4、连续卷曲

将成型焊接后的奥氏体不锈钢连续管精定径后，通过卷取机缠绕到适当芯径的卷筒上，连续生产长度为3500m的低碳高强度经济型奥氏体不锈钢连续管，以便运输和使用。

5、通过测试低碳高强度奥氏体不锈钢连续管的主要性能：屈服强度570MPa、抗拉强度762MPa、硬度24HRC、延伸率52％。

Claims (3)

1.一种低碳高强度奥氏体不锈钢连续管，其特征在于：所述不锈钢连续管的化学成分按质量百分比为：C:≤0.03％、Si:≤1.00％、Mn:4.00～8.00％、P:≤0.050％、S:≤0.005％、Cr:18～20％、Ni:3～5.0％、Cu:1.2～3.5％、N:0.20～0.30％、Mo≤0.3％，其余为Fe和不可避免的杂质。

2.根据权利要求1所述的一种低碳高强度奥氏体不锈钢连续管，其特征在于：所述低碳高强度奥氏体不锈钢连续管的屈服强度≥483MPa、抗拉强度≥552MPa、延伸率≥30％、外径范围为Φ25.4～Φ88.9mm、壁厚范围为1.9～6.4mm、长度大于61米、硬度≤28HRC。

3.根据权利要求1或2所述的一种低碳高强度奥氏体不锈钢连续管的制备方法，其特征在于：包括的步骤有：

步骤1：卷板的制备：

以铁水作为主原料，加合金在转炉中加热到1450～1550℃初熔，脱碳、钢包精炼后在1500～1550℃浇注成连铸坯；将铸坯加热到1150～1260℃，采用连铸技术应用电磁搅拌控制铸成20～60mm厚度的板坯，在1000～1050℃温度下终轧成2.4～6.35mm厚度的热轧板，水冷、酸洗后卷曲，最后制成长度超过200米卷板；

步骤2：卷板纵剪和钢带接长：

将制备好的卷板按照连续管规格要求，通过纵剪机组剪成50～300mm的钢带，将前后两条钢带的端头加工成45°后，合理加工坡口，坡口为I型、V型或U型，采用气体保护的激光焊、氩弧焊或等离子焊方法将钢带进行对接焊，焊后进行水冷或气冷，当焊缝冷却后，打磨和清理焊缝表面；然后将焊缝及热影响区在保护气氛中重新加热到≤400℃温度，保温30～300s后自然冷却至常温；

步骤3：成型与焊接：

根据最终连续管外径和壁厚要求，采用铣边的方法将钢带侧面刨成I型坡口，精确控制钢带宽度和板边垂直度，采用UOE排辊成型方法控制钢带成型；利用激光焊接技术，精确控制离焦量、激光功率和焊接速度等参数，控制成型坡口间隙≤0.1mm，离焦量为-2～8mm，激光功率为2Kw～15Kw，焊接速度为1.5～10m/min，对成型的钢带进行纵向焊接，确保焊接质量；焊后采用水冷或气冷的方式，立即对焊缝进行快速冷却；制成管径为Φ25.4～Φ88.9mm，壁厚为1.9～6.4mm的低碳高强度奥氏体不锈钢连续管；

步骤4：连续卷曲：

将成型焊接后的连续管进行精定径，然后通过卷取机缠绕到适当芯径的卷筒上，连续生产长度为61～10000m的低碳高强度奥氏体不锈钢连续管。