CN112813359B - 一种中碳低合金高强度抗硫化氢腐蚀油井管 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种中碳低合金高强度抗硫化氢腐蚀油井管的制备方法，通过研究各合金元素在材料中的作用，权衡性价比，设计了钢种的化学成分，通过冶炼连铸、穿孔轧制、调质工艺生产出一种残余应力低、夹杂含量少、强韧性能匹配好的中碳低合金高强度抗硫化氢腐蚀油井管。

Description

一种中碳低合金高强度抗硫化氢腐蚀油井管
技术领域
本发明涉及黑色金属冶炼及金属压力加工领域，尤其涉及一种中碳低合金高强度抗硫化氢腐蚀油井管。
背景技术
随着自喷式易开采油气田消耗殆尽，超深井大位移复杂工况油气田开采提上日程，高温、高压、高腐蚀苛刻工况环境严重制约油气开采效率，其中硫化氢腐蚀造成油气开采过程中井喷事件时有发生，有毒气体硫化氢泄露后会造成非常严重的环境污染，甚至人员伤亡事件。相关文献报道，国内约有1/3的油气田均含有不同程度的硫化氢腐蚀，因此，开发满足于硫化氢腐蚀工况的油井管成为行业热门话题，相关技术人员及专家在该领域做了大量的工作，提出了一定的技术理论，开发了抗硫化氢腐蚀80S(S)、90S(S)、95S(S)中高钢级油井管，这些产品均取得了良好的市场推广应用。而高钢级抗硫化氢腐蚀油井管，由于屈服强度提高对硫化氢应力腐蚀极为敏感，采用常规Cr-Mo钢生产该产品还有一定的困难。近年来，相关技术人员研究发现，稀土对降低氢致脆性开裂敏感性有积极贡献，因此本专利在中碳CrMo钢的基础上，通过V、Nb、RE微合金化进行钢种创新设计，结合企业现有装备水平对设计的中碳Cr-Mo-Nb-V-RE低合金高强度抗硫化氢腐蚀油井管进行制备。
经过检索，发现有三篇文献专利与本实用新型技术最为相关，具体内容分述如下：
文献1为一种抗硫化氢应力腐蚀开裂的油套管及其制造方法(专利申请号：201610928451.0)，该文献专利的套管产品基于C-Mn-Cr钢系而设计，添加了微合金化元素B、Ti结合钙处理技术，制造了一种80-90ksi钢级抗硫化氢腐蚀油套管，本专利抗硫化氢腐蚀主要合金元素为Mo,微合金元素为Nb、V、RE,在成分设计上与本专利有差别,产品达到的力学性能有差别。
文献2为抗硫化氢腐蚀油套管及其制造方法(专利申请号：201610490248.X)，该文献专利的油套管产品采用中碳CrMo合金+Al细化晶粒的钢种设计，制造了一种80-95ksi钢级抗硫化氢腐蚀油套管，冶炼工艺采用电弧炉熔炼，而本发明采用转炉冶炼，本发明冶炼成本较低，另外钢的洁净度及质量稳定性控制也占明显优势。
文献3一种超高强度抗硫化氢腐蚀油井管及其生产方法(专利申请号：200810201873.3)，钢种设计上微合金化技术采用Nb+V+Ti设计思路，而本专利采用用Nb+V+RE设计思路，前者采用电弧炉冶炼、炉外精炼、真空脱气和钙处理后后连铸成圆管坯，本专利采用转炉冶炼、炉外精炼、VD真空处理后连铸成圆管坯，管坯制造成本相对较低，管坯质量保证良好。
发明内容
本发明的目的是提供一种一种残余应力低、夹杂含量少、强韧性能匹配好的中碳Cr-Mo-Nb-V-RE低合金高强度抗硫化氢腐蚀油井管。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
本发明一种中碳低合金高强度抗硫化氢腐蚀油井管，其包括如下质量百分比的化学成分：C 0.24～0.27％；Si 0.20～0.30％；Mn 0.30～0.50％；P≤0.008％；S≤0.003％；Cr 1.00～1.10％；Mo 0.70～0.90％；V 0.04～0.06％；Nb 0.01～0.02％；Al 0.010～0.030％；稀土元素RE 0.0001～0.0030％；Ni＜0.10％；Cu＜0.10％；余量为Fe及其不可避免的杂质；其具体制备过程如下：
S1、高炉铁水挑选低磷铁水，将高炉铁水进行预脱硫处理，使得铁水中的S元素的质量百分比含量降低到0.008％以下；
S2、将预处理之后的铁水兑入顶底复吹转炉，采用单渣工艺冶炼，控制终渣碱度不大于3.0，出钢过程中加入Cr、Mo合金进行合金化，出钢过程挡渣或扒渣；
S3、将钢水转入LF炉进行精炼，精炼全程吹氩，保证钢水温度控制在1580℃±10℃；加入钒铁铌铁进行微合金化，采样对钢水成分进行检测，根据检测结果进行造渣脱硫及其他合金元素成分调整；
S4、LF炉精炼结束将钢水送入VD炉进行真空处理，真空度≤0.10kPa，深真空时间≥15分钟，抽真空之后采用压入法加入稀土铁合金；
S5、经过VD炉真空处理后的钢水静置5-8分钟，送入钢包回转台进行圆坯连铸，采用低拉速恒速控制,为保证铸坯质量，结晶器和末端电磁搅拌同时进行，全程氮气保护浇注，控制钢水过热度ΔT≤27℃；
S6、铸坯经过矫直之后进行火焰切割，圆管坯放入缓冷坑缓冷，缓冷时间不小于48小时；
S7、连铸圆管坯运送到环形加热炉进行加热，环形炉各段温度的控制范围见下表：
Figure GDA0003468303580000031
S8、将加热好的管坯进行热定心，采用菌式穿孔机穿孔，利用PQF轧管机组进行连续轧制，先后经过张力减径、冷床冷却和定尺锯切，制备成轧管；
S9、经检查几何尺寸及表面质量合格的钢管进行水淬调质热处理，热处理制度为：890℃±10℃保温30min～50min，钢管出炉进行水淬到室温，720℃±20℃保温60min～80min回火、空冷；
S10、热处理后执行带温矫直，钢管矫直时的温度≥590℃。
进一步的，其包括如下质量百分比的化学成分：C 0.25％；Si 0.21％；Mn 0.50％；P 0.006％；S 0.0023％；Cr 1.01％；Mo 0.70％；V 0.050％；Nb 0.01％；Al 0.020％；稀土元素RE0.0022％；Ni＜0.10％；Cu＜0.10％；余量为Fe及其不可避免的杂质。
进一步的，其包括如下质量百分比的化学成分：C 0.25％；Si 0.22％；Mn 0.35％；P 0.006％；S 0.0023％；Cr 1.02％；Mo 0.75％；V 0.040％；Nb 0.01％；Al 0.010％；稀土元素RE 0.0018％；Ni＜0.10％；Cu＜0.10％；余量为Fe及其不可避免的杂质。
进一步的，其包括如下质量百分比的化学成分：C 0.24％；Si 0.20％；Mn 0.38％；P 0.006％；S 0.0023％；Cr 1.05％；Mo 0.71％；V 0.042％；Nb 0.01％；Al 0.0019％；稀土元素RE 0.0029％；Ni＜0.10％；Cu＜0.10％；余量为Fe及其不可避免的杂质。
进一步的，其包括如下质量百分比的化学成分：C 0.26％；Si 0.26％；Mn 0.39％；P 0.006％；S 0.0023％；Cr 1.08％；Mo 0.82％；V 0.045％；Nb 0.01％；Al 0.0020％；稀土元素RE 0.0013％；Ni＜0.10％；Cu＜0.10％；余量为Fe及其不可避免的杂质。
进一步的，其包括如下质量百分比的化学成分：C 0.27％；Si 0.29％；Mn 0.35％；P 0.006％；S 0.0023％；Cr 1.10％；Mo 0.83％；V 0.060％；Nb 0.02％；Al 0.0015％；稀土元素RE 0.0026％；Ni＜0.10％；Cu＜0.10％；余量为Fe及其不可避免的杂质。
进一步的，其包括如下质量百分比的化学成分：C 0.27％；Si 0.29％；Mn 0.35％；P 0.006％；S 0.0023％；Cr 1.10％；Mo 0.83％；V 0.060％；Nb 0.02％；Al 0.0015％；稀土元素RE 0.0017％；Ni＜0.10％；Cu＜0.10％；余量为Fe及其不可避免的杂质。
与现有技术相比，本发明的有益技术效果：
①由于以低磷高炉铁水作为原料，杂质元素含量相对较低，因此制品的非金属夹杂较低，实现了洁净钢生产，钢种设计不含Ni、Zr和B等难成型贵金属，因此，钢管的成材率较高、生产成本相对较低；
②由于采用结晶器/末端电磁搅拌+缓冷坑缓冷+缓慢加热制度+钢管在590℃以上带温矫直等一系列技术措施，因此，钢管的残余应力相对较低，残余应力≤50MPa(采用环切法)，有利于制品抗硫化氢腐蚀；
③由于含稀土元素的独特成分设计+纯净的钢质+电磁搅拌+细晶粒铸态组织+合理的轧管工艺+水淬调质处理，使得钢管的各项性能优异，具体性能指标如下：
力学性能：屈服强度798MPa～815MPa；抗拉强度887MPa～923MPa；屈强比≤0.90；延伸率≥20％；0℃时的横向冲击值≥128J/cm2；金相组织：晶粒度≥10.5级，组织均为回火索氏体，非金属夹杂物均小于0.5级；抗硫化氢腐蚀性能：按照NACE Standard TM 0177-2005标准A方法，采用光滑拉伸试样法试验恒定应力为644MPa，经过硫化氢饱和的A溶液连续720小时浸泡，试样保持完好，未出现开裂、也未出现破坏性裂纹。
具体实施方式
一种中碳Cr-Mo-Nb-V-RE低合金高强度抗硫化氢腐蚀油井管及制备方法，通过研究各合金元素在材料中的作用，权衡性价比，设计了钢种的化学成分，通过冶炼连铸、穿孔轧制、调质工艺生产出一种残余应力低、夹杂含量少、强韧性能匹配好的中碳Cr-Mo-Nb-V-RE低合金高强度抗硫化氢腐蚀油井管。
本发明的目的是这样实现的：
本发明设计的中碳Cr-Mo-Nb-V-RE低合金高强度抗硫化氢腐蚀油井管钢中化学成分(重量百分比％)如下：C 0.24～0.27；Si 0.20～0.30；Mn 0.30～0.50；P≤0.008；S≤0.003；Cr 1.00～1.10；Mo 0.70～0.90；V 0.04～0.06；Nb 0.01～0.02；Al 0.010～0.030；稀土元素RE 0.0010～0.0030；Ni＜0.10；Cu＜0.10；余量为基体Fe。
本发明制品工艺流程简述为：铁水预处理→顶底复吹转炉冶炼→LF炉精炼→VD炉真空处理→圆坯连铸→定尺切割→缓冷→管坯加热→菌式穿孔→连续轧管→张力减径→冷床冷却→定尺锯切→钢管几何尺寸及表面质量检查→调质处理→带温矫直→无损探伤→水压试验→通径检测→螺纹加工。
为了保证产品低的夹杂物及杂质，本产品采用100％的低磷高炉铁水作为原料。为了降低铁水中的S含量，对铁水进行脱硫预处理，预处理结束后倒入顶底复吹转炉进行冶炼，转炉冶炼出钢前加入Cr、Mo合金，出钢完成进入LF精炼、此过程中加入钒铁铌铁微合金化，另外根据出钢前钢水化学成分及钢水温度进行出钢温度及成分调整，精炼完成后进入VD炉工位进行真空脱气处理，脱气后加入稀土微合金，静止5-8分钟进行圆坯连铸，连铸坯切割成管坯进入缓冷坑环冷48小时，运输到环形加热炉进行加热，采用菌式穿孔机穿孔、PQF连续管机及定径机进行轧制，轧管在步进式加热炉内加热后进行水淬，通过回火保证产品的显微组织及力学性能，各项指标合格的产品进行端部螺纹加工制成油井管成品。
其具体工艺过程叙述如下：
S1、高炉铁水挑选低磷铁水(P≤0.05％)，将高炉铁水进行预脱硫处理，使得铁水中的S元素的含量(重量百分比)降低到0.008％以下；
S2、将预处理之后的铁水兑入顶底复吹转炉，采用单渣工艺冶炼，控制终渣碱度不大于3.0，出钢过程中加入Cr、Mo合金进行合金化，出钢过程挡渣或扒渣；
S3、将钢水转入LF炉进行精炼，精炼全程吹氩，保证钢水温度控制在1580℃±10℃；加入钒铁铌铁进行微合金化，采样对钢水成分进行检测，根据检测结果进行造渣脱硫及其他合金元素成分调整；
S4、LF炉精炼结束将钢水送入VD炉进行真空处理，真空度≤0.10kPa，深真空时间≥15分钟，抽真空之后采用压入法加入稀土铁合金(稀土元素的重量百分比为10％)；
S5、经过VD炉真空处理后的钢水静置5-8分钟，送入钢包回转台进行圆坯连铸，采用低拉速(≤1.5m/s)恒速控制,为保证铸坯质量，结晶器和末端电磁搅拌同时进行，全程氮气保护浇注，控制钢水过热度ΔT≤27℃；
S6、铸坯经过矫直之后进行火焰切割，圆管坯放入缓冷坑缓冷，缓冷时间不小于48小时。
按照以上制备方法生产的中碳Cr-Mo-Nb-V-RE低合金高强度抗硫化氢腐蚀油井管圆管坯各实例化学成分见表1。
表1各实例成分(质量百分数/％)
Figure GDA0003468303580000071
S7、连铸圆管坯运送到环形加热炉进行加热，环形炉各段温度的控制范围见表2。
表2环形加热炉各段温度控制(℃)
Figure GDA0003468303580000072
S8、将加热好的管坯进行热定心，采用菌式穿孔机穿孔，利用PQF轧管机组进行连续轧制，先后经过张力减径、冷床冷却和定尺锯切，制备成轧管。
S9、经检查几何尺寸及表面质量合格的钢管进行水淬调质热处理，热处理制度为：890℃±10℃保温30min～50min，钢管出炉进行水淬(淬火之后的水温＜30℃)到室温，720℃±20℃保温60min～80min回火、空冷。
S10、热处理后执行带温矫直，钢管矫直时的温度≥590℃。按照以上制备方法生产的中碳Cr-Mo-Nb-V-RE低合金高强度抗硫化氢腐蚀油井管各实例力学性能、非金属夹杂物、显微组织、晶粒度及硫化氢应力腐蚀性能见表3、表4及表5。
表3各实例力学性能
Figure GDA0003468303580000081
注：冲击试样均为横向、试验温度为0℃。
表4各实例金相组织
Figure GDA0003468303580000082
表5硫化氢应力腐蚀性能检验结果
Figure GDA0003468303580000083
Figure GDA0003468303580000091
各项指标检验合格的油井管光管，进行管端螺纹加工。经过上述工艺过程，可以生产出本发明所述的中碳Cr-Mo-Nb-V-RE低合金高强度抗硫化氢腐蚀油井管。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，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做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 (7)

1.一种中碳低合金高强度抗硫化氢腐蚀油井管的制备方法，其特征在于，其包括如下质量百分比的化学成分：C 0.24～0.27％；Si 0.20～0.30％；Mn 0.30～0.50％；P≤0.008％；S≤0.003％；Cr 1.00～1.10％；Mo 0.70～0.90％；V 0.04～0.06％；Nb 0.01～0.02％；Al 0.010～0.030％；稀土元素RE 0.0001～0.0030％；Ni＜0.10％；Cu＜0.10％；余量为Fe及其不可避免的杂质；其具体制备过程如下：
S1、高炉铁水挑选低磷铁水，将高炉铁水进行预脱硫处理，使得铁水中的S元素的质量百分比含量降低到0.008％以下；
S2、将预处理之后的铁水兑入顶底复吹转炉，采用单渣工艺冶炼，控制终渣碱度不大于3.0，出钢过程中加入Cr、Mo合金进行合金化，出钢过程挡渣或扒渣；
S3、将钢水转入LF炉进行精炼，精炼全程吹氩，保证钢水温度控制在1580℃±10℃；加入钒铁铌铁进行微合金化，采样对钢水成分进行检测，根据检测结果进行造渣脱硫及合金元素成分调整；
S4、LF炉精炼结束将钢水送入VD炉进行真空处理，真空度≤0.10kPa，深真空时间≥15分钟，抽真空之后采用压入法加入稀土铁合金；
S5、经过VD炉真空处理后的钢水静置5-8分钟，送入钢包回转台进行圆坯连铸，采用低拉速恒速控制,为保证铸坯质量，结晶器和末端电磁搅拌同时进行，全程氮气保护浇注，控制钢水过热度ΔT≤27℃；
S6、铸坯经过矫直之后进行火焰切割，圆管坯放入缓冷坑缓冷，缓冷时间不小于48小时；
S7、连铸圆管坯运送到环形加热炉进行加热，环形炉各段温度的控制范围见下表：
Figure FDA0003468303570000011
Figure FDA0003468303570000021
S8、将加热好的管坯进行热定心，采用菌式穿孔机穿孔，利用PQF轧管机组进行连续轧制，先后经过张力减径、冷床冷却和定尺锯切，制备成轧管；
S9、经检查几何尺寸及表面质量合格的钢管进行水淬调质热处理，热处理制度为：890℃±10℃保温30min～50min，钢管出炉进行水淬到室温，720℃±20℃保温60min～80min回火、空冷；
S10、热处理后执行带温矫直，钢管矫直时的温度≥590℃。
2.根据权利要求1所述的中碳低合金高强度抗硫化氢腐蚀油井管的制备方法，其特征在于，其包括如下质量百分比的化学成分：C 0.25％；Si 0.21％；Mn 0.50％；P 0.006％；S0.0023％；Cr 1.01％；Mo 0.70％；V 0.050％；Nb 0.01％；Al 0.020％；稀土元素RE0.0022％；Ni＜0.10％；Cu＜0.10％；余量为Fe及其不可避免的杂质。
3.根据权利要求1所述的中碳低合金高强度抗硫化氢腐蚀油井管的制备方法，其特征在于，其包括如下质量百分比的化学成分：C 0.25％；Si 0.22％；Mn 0.35％；P 0.006％；S0.0023％；Cr 1.02％；Mo 0.75％；V 0.040％；Nb 0.01％；Al 0.010％；稀土元素RE0.0018％；Ni＜0.10％；Cu＜0.10％；余量为Fe及其不可避免的杂质。
4.根据权利要求1所述的中碳低合金高强度抗硫化氢腐蚀油井管的制备方法，其特征在于，其包括如下质量百分比的化学成分：C 0.24％；Si 0.20％；Mn 0.38％；P 0.006％；S0.0023％；Cr 1.05％；Mo 0.71％；V 0.042％；Nb 0.01％；Al 0.019％；稀土元素RE0.0029％；Ni＜0.10％；Cu＜0.10％；余量为Fe及其不可避免的杂质。
5.根据权利要求1所述的中碳低合金高强度抗硫化氢腐蚀油井管的制备方法，其特征在于，其包括如下质量百分比的化学成分：C 0.26％；Si 0.26％；Mn 0.39％；P 0.006％；S0.0023％；Cr 1.08％；Mo 0.82％；V 0.045％；Nb 0.01％；Al 0.020％；稀土元素RE0.0013％；Ni＜0.10％；Cu＜0.10％；余量为Fe及其不可避免的杂质。
6.根据权利要求1所述的中碳低合金高强度抗硫化氢腐蚀油井管的制备方法，其特征在于，其包括如下质量百分比的化学成分：C 0.27％；Si 0.29％；Mn 0.35％；P 0.006％；S0.0023％；Cr 1.10％；Mo 0.83％；V 0.060％；Nb 0.02％；Al 0.015％；稀土元素RE0.0026％；Ni＜0.10％；Cu＜0.10％；余量为Fe及其不可避免的杂质。
7.根据权利要求1所述的中碳低合金高强度抗硫化氢腐蚀油井管的制备方法，其特征在于，其包括如下质量百分比的化学成分：C 0.27％；Si 0.29％；Mn 0.35％；P 0.006％；S0.0023％；Cr 1.10％；Mo 0.83％；V 0.060％；Nb 0.002％；Al 0.020％；稀土元素RE0.0017％；Ni＜0.10％；Cu＜0.10％；余量为Fe及其不可避免的杂质。
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