CN111647815B - 165ksi级高强韧耐蚀钢及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种165ksi级高强韧耐蚀钢，其特征在于，其化学成分按重量百分比计，包括：0.06‑0.17wt％的C、0.15‑0.40wt％的Si、0.40‑1.00wt％的Mn、0.80‑1.20wt％的Mo、7.0‑9.5wt％的Ni、0.40‑0.80wt％的Cr、0.07‑0.15wt％的V，其余化学成分为Fe、杂质元素和气体元素；本发明所提供的165ksi级高强韧耐蚀钢不但可达到165Ksi级(钢抗拉强度1250MPa，屈服强度1137MPa)以上，而且还具有优良的塑韧性和耐腐蚀性能，以及良好的耐疲劳性能。

Description

165ksi级高强韧耐蚀钢及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于钢材制造领域，具体涉及一种165ksi级高强韧耐蚀钢及其制备方法和应用。
背景技术
目前，国内制造的150ksi、155ksi级油井管，主要用于在高压气井、高压深井、高温高压井中，有的井底压力高达130MPa以上，井口压力也超过70MPa。由于井深，使得井底温度一般在130℃-180℃，有的甚至到200℃。但，均属于无硫化氢或低硫化氢油气田。众所周知，材料强度越高，耐硫化氢腐蚀的性能越差，往往会在受力远低于其本身的屈服强度时就突然发生脆断，这种现象被称作为硫化物应力腐蚀，简称SSC。开发高强度耐硫化氢腐蚀的材料极其困难，属于国内外公认的技术瓶颈。
另外，海洋油气田的开发，还需要考虑海水腐蚀。开发出150ksi甚至更高级别的高强钢材料并具备耐硫化氢和氯化钠腐蚀，更是困难重重。
承压元件除了考虑材料的强度外，其韧性性能关乎高压下的安全裕度和耐疲劳性能。目前，国内外承压用材料都在追求高韧性，以避免材料的脆性断裂。在压力容器和气瓶等承压设备制造过程中，甚至要求对产品进行常温爆破试验，以验证其韧性。目前，P110级(110ksi级)材料0℃下的冲击韧性约为65-85J，Q125级(125ksi级)材料0℃下的冲击韧性约为58J，V150(150ksi级)和V155(150ksi级)材料0℃下的冲击韧性为100J。
现有150ksi级150ksi级石油井管，普遍采用CrMo钢体系，被适当配以Nb和V元素，从该类专利技术看也仅仅是钢中成分配比量存在细微差异，并无本质区别。碳含量均在0.22wt％以上，随着碳含量的提高，材料的强度、硬度提高，但塑性、韧性下降，因此碳含量偏高是不利于保证材料的韧性性能的。
综上，目前用于制造承压元件的钢材主要存在如下几个问题：(1)强度和韧性难以平衡；(2)不耐海水腐蚀；(3)不耐硫化物腐蚀。
发明内容
针对现有技术中上述的不足，本发明第一方面提供了一种165ksi级高强韧耐蚀钢，其化学成分按重量百分比计，包括：0.06-0.17wt％的C、0.15-0.40wt％的Si、0.40-1.00wt％的Mn、0.80-1.20wt％的Mo、7.0-9.5wt％的Ni、0.40-0.80wt％的Cr、0.07-0.15wt％的V，其余化学成分为Fe、杂质元素和气体元素。
进一步地，所述杂质元素包括：P、S、As、Sn、Pb、Sb、Bi；其中，P≤0.02wt％，S≤0.01wt％，As≤0.025wt％、Sn≤0.010wt％，Pb≤0.010wt％，Sb≤0.010wt％，Bi≤0.010wt％，且As+Sn+Pb+Sb+Bi≤0.045wt％。
进一步地，所述气体元素包括：H、O、N；其中，H≤2ppm、O≤40ppm、N≤80ppm。
本发明第二方面提供了一种165ksi级高强韧耐蚀钢的制备方法，包括如下步骤：
S1、电炉冶炼
将协议坯、生铁、废钢、合金和辅料投入到电炉中进行初炼；
S2、LF精炼
入罐喂A1线100～200m/炉，测温并调节好氩气流量，送电后分批次补加石灰，还原初期分批加入C粉还原，C粉还原后，补加Fe-Si粉+Al粉进行深度脱氧去硫；
S3、VD真空精炼
在极限真空度的环境下保持8min，真空处理过程吹氩曲线，破空后测温，调小氩气并静吹，吊包，加谷壳完全覆盖渣面；
S4、将步骤S3所制得的钢铸型制得钢锭；
S5、电渣重熔
对步骤S4所得钢锭进行电渣重熔。
进一步地，在步骤S1中，电炉冶炼的脱碳量ΔC≥0.30wt％，终点碳含量为0.05wt％。
进一步地，在步骤S2中，石灰加量为300kg/炉，C粉加量为1-2kg/t。
进一步地，在步骤S3中，静吹的时间≥10min，吊包的温度为1545℃-1555℃。
进一步地，在步骤S4中，钢锭的锭型分别为渣量为120kg的φ550锭型和渣量为190kg的φ730锭型。
进一步地，在步骤S5中，电渣重熔的渣系为CaF2:Al2O3:CaO＝70％:20％:10％(均为wt％)，渣系的渣量为120kg；
其中，若需处理的钢锭的锭型为φ550，则电渣重熔的充填时间≥40min，炉冷时间≥50min，罩冷时间≥36h；
若需处理的钢锭的锭型为φ730，则电渣重熔的充填时间≥55min，炉冷时间≥60min，罩冷时间≥48h。
本发明第三方面提供了一种165ksi级高强韧耐蚀钢的应用，应用于制造包括石油套管、油管、钻杆、方钻杆、钻铤和耐海水腐蚀的高压钢瓶。
本发明的有益效果是：
本发明所提供的165ksi级高强韧耐蚀钢不但可达到165Ksi级(钢抗拉强度1250MPa，屈服强度1137MPa)以上，而且还具有优良的塑韧性和耐腐蚀性能，以及良好的耐疲劳性能。材料成分设计的思路是采用多元合金化设计，主要是在低碳钢中添加Cr、Ni、Mo、V等多种合金元素，利用合金元素提高淬透性、细化晶粒、固溶强化等作用，并充分发挥每种合金元素各自的功能与作用，实现各种添加元素在性能调控方面的优势互补，以实现本发明的超高强特种钢具有优秀的强度、塑韧性、耐腐蚀性能、耐疲劳性能等综合性能。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
一种165ksi级高强韧耐蚀钢，其化学成分按重量百分比计，包括：0.06-0.17wt％的C、0.15-0.40wt％的Si、0.40-1.00wt％的Mn、0.80-1.20wt％的Mo、7.0-9.5wt％的Ni、0.40-0.80wt％的Cr、0.07-0.15wt％的V，其余化学成分为Fe、杂质元素和气体元素。
其中，所述杂质元素包括：P、S、As、Sn、Pb、Sb、Bi；其中，P≤0.02wt％，S≤0.01wt％，As≤0.025wt％、Sn≤0.010wt％，Pb≤0.010wt％，Sb≤0.010wt％，Bi≤0.010wt％，且As+Sn+Pb+Sb+Bi≤0.045wt％。
其中，所述气体元素包括：H、O、N；其中，H≤2ppm、O≤40ppm、N≤80ppm。
上述165ksi级高强韧耐蚀钢的抗拉强度为1255MPa-1287MPa，屈服强度为1139MPa-1183MPa，断后伸长率为18.2％-20.6％，断面收缩率为70.5％-78.0％，抗冲击强度大于200J，海水腐蚀速率小于0.1200mm/年，进行抗硫化物应力腐蚀性能测试，采用A溶液和A法，加载应力为80％SMYS＝910MPa条件下进行试验，拉伸表面在10倍显微镜下无裂纹。
一种165ksi级高强韧耐蚀钢的制备方法，包括如下步骤：
S1、电炉冶炼
将协议坯、生铁、废钢、合金和辅料投入到电炉中进行初炼，所有还原期加入的合金、辅料必须按规定进行烘烤。做到低温脱磷，高温氧化，保证材料有效的去除钢中的夹杂物和气体，提高钢液的纯净度。要求脱碳量ΔC≥0.30wt％，终点碳控制在0.05wt％附近。出炉过程注意钢渣分离，避免下渣导致钢液回磷。
S2、LF精炼
入罐喂A1线100～200m/炉，测温并调节好氩气流量，送电后分批次补加石灰300kg/炉。还原初期分批加入少量C粉还原，要求C粉还原时间≥15min，C粉用量为1～2kg/t。C粉还原后，补加适量Fe-Si粉+Al粉进行深度脱氧去硫。还原彻底，渣白，白渣保持时间≥15min，温度≥1580℃，可根据取样结果。按内控目标值：
当S≤0.020％，温度≥1620℃时取样全分析，成分满足技术条件要求，用大流量吹氩搅拌深度脱S。当温度≥1660℃时视全Al含量喂Al线，将[Al]调至0.05％，除渣1/2，进行真空处理。
S3、VD真空精炼
进罐后测温取样Ca-Si线200m(Ca-Si线根据钢中Si含量可适度增减)。极限真空度≤67Pa，极限真空下保持时间8min。真空处理过程吹氩曲线。破空后测温，取样全分析报Al。成分合适，最后调小Ar气，静吹Ar时间≥10min。吊包温度1545～1555℃，加谷壳完全覆盖渣面。
S4、将步骤S3所制得的钢铸型制得钢锭，包括渣量为120kg的φ550锭型和渣量为190kg的φ730锭型。
S5、电渣重熔
对步骤S4所得钢锭进行电渣重熔，具体条件设置如下：
1、锭型：Φ550锭型的渣量120kg，Φ730锭型的渣量190kg
2、渣系：CaF2:Al2O3:CaO＝70:20:10(wt％)，渣量120kg。
3、设定电压和设定电流
A3、All、A7、A8、A12、A14电渣炉设定电压及设定电流按现有规定值进行设定。
4、充填、炉冷及罩冷时间
Φ550锭型：充填时间≥40min，炉冷≥50min，罩冷≥36h。
Φ730锭型：充填时间≥55min，炉冷≥60min，罩冷≥48h。
5、退火制度
保温温度610℃，保温时间不少于20小时。
上述所制备的165ksi级高强韧耐蚀钢主要应用于制造包括石油套管、油管、钻杆、方钻杆、钻铤和耐海水腐蚀的高压钢瓶。
实施例1
采用上述方法制备钢材样件X1，控制其成分为：C＝0.06wt％，Si＝0.4wt％，Mn＝0.84wt％，Mo＝0.92wt％，Ni＝8.2wt％，Cr＝0.5wt％，V＝0.12wt％；另外，各杂质元素的含量为：P＝0.01wt％，S＝0.01wt％，As＝0.0013wt％，Sn＝0.01wt％，Pb＝0.004wt％，Sb＝0.005wt％，Bi＝0.002wt％；另外，各气体元素的含量为：H＝2ppm、O＝20ppm、N＝45ppm。
实施例2
采用上述方法制备钢材样件X2，控制其成分为：C＝0.11wt％，Si＝0.15wt％，Mn＝1wt％，Mo＝1.2wt％，Ni＝9.5wt％，Cr＝0.4wt％，V＝0.15wt％；另外，各杂质元素的含量为：P＝0.02wt％，S＝0.005wt％，As＝0.025wt％，Sn＝0.001wt％，Pb＝0.005wt％，Sb＝0.003wt％，Bi＝0.008wt％；另外，各气体元素的含量为：H＝1.5ppm、O＝40ppm、N＝80ppm。
实施例3
采用上述方法制备钢材样件X3，控制其成分为：C＝0.15wt％，Si＝0.31wt％，Mn＝0.75wt％，Mo＝0.8wt％，Ni＝7wt％，Cr＝0.8wt％，V＝0.07wt％；另外，各杂质元素的含量为：P＝0.005wt％，S＝0.008wt％，As＝0.0008wt％，Sn＝0.005wt％，Pb＝0.01wt％，Sb＝0.01wt％，Bi＝0.004wt％；另外，各气体元素的含量为：H＝0.2ppm、O＝1ppm、N＝8ppm。
实施例4
采用上述方法制备钢材样件X4，控制其成分为：C＝0.17wt％，Si＝0.25wt％，Mn＝0.4wt％，Mo＝1.12wt％，Ni＝7.8wt％，Cr＝0.6wt％，V＝0.09wt％；另外，各杂质元素的含量为：P＝0.015wt％，S＝0.004wt％，As＝0.0016wt％，Sn＝0.004wt％，Pb＝0.006wt％，Sb＝0.008wt％，Bi＝0.01wt％；另外，各气体元素的含量为：H＝0.6ppm、O＝15ppm、N＝25ppm。
对比例1
按公开方案“150ksi钢级高强韧油气井井下作业用钢管及其生产方法”(公开号为CN101613829B)中最优方案制备钢材样件Y1，其成分为：C＝0.21wt％，Si＝0.24wt％，Mn＝0.52wt％，P＝0.006wt％，S＝0.002wt％，Ni＝0.04wt％，Cr＝1.01wt％，Mo＝0.78wt％，Cu＝0.07wt％，Al＝0.028wt％，V＝0.13wt％，Ca＝0.0012wt％。
对比例2
按公开方案“V150钢级高强韧性套管钢的制备方法”(公开号为CN104831153B)中最优方案制备钢材样件Y2，其成分为：以铁水和废钢为原料，铁水成分：C：3.80％，S：0.030％，P：0.100％，As：0.008％，Sn：0.004％，As+Sn+Pb+Sb+Bi：0.017％，入电炉铁水温度T：1300℃；废钢中S：0.008％，As：0.007％，Sn：0.004％，As+Sn+Pb+Sb+Bi：0.016％；将铁水和废钢按一定比例进行配比，控制配碳量1.7％。
对比例3
按公开方案“155ksi钢级高强韧性套管钢、套管及其制备方法”(公开号为CN104789875B)中最优方案制备钢材样件Y3，其成分为：C＝0.26wt％，Si＝0.25wt％，Mn＝0.56wt％，Cr＝1.08wt％，Mo＝0.84wt％，Nb＝0.046wt％，V＝0.091wt％，P＝0.008wt％，S＝0.002wt％，Al＝0.025wt％，Ti＝0.018wt％，Ni＝0.08wt％，Cu＝0.05wt％，O＝0.0018wt％，N＝0.0066wt％，As＝0.008wt％，Sn＝0.004wt％，As+Sn+Pb+Sb+Bi＝0.017wt％。
实验例
对上述钢材样件X1、X2、X3、X4、Y1、Y2、Y3分别进行抗拉强度测试、屈服强度测试、断后伸长率测试、断面收缩率测试、冲击韧性测试、海水腐蚀速率测试以及抗硫化物应力腐蚀性能测试，相关数据见表一。
其中，抗拉强度测试、屈服强度测试和断后伸长率测试参照国标GB/T228.1。
冲击韧性测试参照国标GB/T229。
海水腐蚀速率测试参照JB/T 7901-2001《金属材料试验室均匀腐蚀全浸试验方法》。
抗硫化物应力腐蚀性能测试参照GB/T4157-2017《金属在硫化氢环境中抗硫化物应力开裂和应力腐蚀开裂的实验室试验方法》，采用A溶液、A法，加载应力：80％SMYS＝910MPa条件进行试验，在10倍显微镜下观察拉伸表面是否存在裂纹。
表一钢材样件的相关性能
Figure BDA0002586139310000091
Figure BDA0002586139310000101
根据表一的测试数据可知，与现有技术相比，本发明所提供的165ksi级高强韧耐蚀钢在确保较低C含量(小于0.2wt％)的情况下实现了165Ksi级材料的性能(抗拉强度1250MPa，屈服强度1137MPa)，另外，在钢材保持较高的强度的前提下，其冲击韧性高达200J以上，而现有技术所生产的同强度下的钢材的冲击韧性仅为100J以下，说明本发明所提供的165ksi级高强韧耐蚀钢在材料强度和韧性方面具有良好的平衡性能。
本实验例还对各钢材样件进行了海水腐蚀速率测试和抗硫化物应力腐蚀性能测试，经试验发现，现有技术中的三种钢材(Y1、Y2、Y3)在该两方面性能极差，而本发明所提供的165ksi级高强韧耐蚀钢海水腐蚀速率能达到0.12mm/年以下，其抗硫化物应力腐蚀性能极佳，拉伸表面在10倍显微镜下无裂纹，低的碳含量、高的镍含量和适量铬含量的协同作用，提升了钢的耐海水腐蚀性能和抗硫化物的腐蚀性能，这两种性能目前国内150Ksi级、155Ksi级油井管均不能满足。由此说明，本发明所提供的165ksi级高强韧耐蚀钢适用于高含硫或海水环境的应用，例如可以用于制造包括石油套管、油管、钻杆、方钻杆、钻铤和耐海水腐蚀的高压钢瓶。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种165ksi级高强韧耐蚀钢，其特征在于，其化学成分按重量百分比计，包括：0.06-0.17wt%的C、0.15-0.40wt%的Si、0.40-1.00wt%的Mn、0.80-1.20wt%的Mo、7.0-9.5wt%的Ni、0.40-0.80wt%的Cr、0.07-0.15wt%的V，其余化学成分为Fe、杂质元素和气体元素；
其中，所述的165ksi级高强韧耐蚀钢的制备方法，包括如下步骤：
S1、电炉冶炼
将协议坯、生铁、废钢、合金和辅料投入到电炉中进行初炼；
S2、LF精炼
入罐喂A1线100～200m/炉，测温并调节好氩气流量，送电后分批次补加石灰，还原初期分批加入C粉还原， C粉还原后，补加Fe-Si粉+Al粉进行深度脱氧去硫；
S3、VD真空精炼
在极限真空度的环境下保持8min，真空处理过程吹氩曲线，破空后测温，调小氩气并静吹，吊包，加谷壳完全覆盖渣面；
S4、将步骤S3所制得的钢铸型制得钢锭；
S5、电渣重熔
对步骤S4所得钢锭进行电渣重熔；
其中，所述的165ksi级高强韧耐蚀钢的抗拉强度为1255MPa-1287MPa，屈服强度为1139MPa-1183MPa，断后伸长率为18.2%-20.6%，断面收缩率为70.5%-78.0%，抗冲击强度大于200J，海水腐蚀速率小于0.1200mm/年。
2.根据权利要求1所述的165ksi级高强韧耐蚀钢，其特征在于，所述杂质元素包括：P、S、As、Sn、Pb、Sb、Bi；其中，P≤0.02wt%，S≤0.01wt%，As≤0.025wt%、Sn≤0.010wt%，Pb≤0.010wt%，Sb≤0.010wt%，Bi≤0.010wt%，且As+Sn+Pb+Sb+Bi≤0.045wt%。
3.根据权利要求1所述的165ksi级高强韧耐蚀钢，其特征在于，所述气体元素包括：H、O、N；其中，H≤2ppm、O≤40ppm、N≤80ppm。
4.根据权利要求1所述的165ksi级高强韧耐蚀钢，其特征在于，在步骤S1中，电炉冶炼的脱碳量ΔC≥0.30wt%，终点碳含量为0.05wt%。
5.根据权利要求1所述的165ksi级高强韧耐蚀钢，其特征在于，在步骤S2中，石灰加量为300kg/炉，C粉加量为1-2kg/t。
6.根据权利要求1所述的165ksi级高强韧耐蚀钢，其特征在于，在步骤S3中，静吹的时间≥10min，吊包的温度为1545℃-1555℃。
7.根据权利要求1所述的165ksi级高强韧耐蚀钢，其特征在于，在步骤S4中，钢锭的锭型分别为渣量为120kg的φ550锭型和渣量为190kg的φ730锭型。
8.根据权利要求1所述的165ksi级高强韧耐蚀钢，其特征在于，在步骤S5中，电渣重熔的渣系为CaF2:Al2O3:CaO=70%:20%:10%（均为wt%），渣系的渣量为120kg；
其中，若需处理的钢锭的锭型为φ550，则电渣重熔的充填时间≥40min，炉冷时间≥50min，罩冷时间≥36h；
若需处理的钢锭的锭型为φ730，则电渣重熔的充填时间≥55min，炉冷时间≥60min，罩冷时间≥48h。
9.如权利要求1-8任意一项所述的165ksi级高强韧耐蚀钢的应用，其特征在于，应用于制造包括石油套管、油管、钻杆、方钻杆、钻铤和耐海水腐蚀的高压钢瓶。
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