CN112853214B

CN112853214B - 一种经济型含稀土80ksi钢级抗硫化氢腐蚀兼抗挤毁石油套管

Info

Publication number: CN112853214B
Application number: CN202110010745.6A
Authority: CN
Inventors: 石晓霞; 米永峰; 王鹏; 王超; 刘佳旭; 刘玉荣; 魏淼; 刘国辉; 康虹
Original assignee: Baotou Iron and Steel Group Co Ltd
Current assignee: Baotou Iron and Steel Group Co Ltd
Priority date: 2021-01-06
Filing date: 2021-01-06
Publication date: 2022-06-21
Anticipated expiration: 2041-01-06
Also published as: CN112853214A

Abstract

本发明公开了一种经济型含稀土80ksi钢级抗硫化氢腐蚀兼抗挤毁石油套管，其包括如下质量百分比的化学成分：C 0.25％～0.30；Si 0.20％～0.30％；Mn 0.50％～0.60％；P≤0.010％；S≤0.005％；Cr 0.60％～0.70％；Mo 0.10％～0.20％；Al 0.010％～0.030％；稀土元素RE 0.0005％～0.0020％；余量为Fe元素及其不可避免的杂质。还公布了其制备方法。本发明的目的是提供一种生产成本低、夹杂含量少、尺寸精度高、强韧性能匹配好的经济型含稀土80ksi钢级抗硫化氢腐蚀兼抗挤毁石油套管及其制备方法。

Description

一种经济型含稀土80ksi钢级抗硫化氢腐蚀兼抗挤毁石油套管

技术领域

本发明涉及黑色金属冶炼及金属压力加工领域，尤其涉及一种经济型含稀土80ksi钢级抗硫化氢腐蚀兼抗挤毁石油套管。

背景技术

目前，我国油气田开采工况越来越复杂，高温、高压、屈曲变形的西南部油田、西部油田和海上油田相继投入开发，国内对高抗挤毁套管的需求量也日益增多。选用高抗挤毁套管，一方面满足了在盐岩、盐膏岩、软泥岩等塑性流动地层、高地层压力或存在地应力异常段的油气井对套管挤毁性能的要求，提高了安全性；另一方面，选用较薄壁厚的高抗挤毁套管替代API系列套管，减轻了套管柱的质量，降低了成本。另外，作为油气伴生气体的硫化氢，溶于水后对油井管的腐蚀极为严重。普通碳锰钢套管在开采含硫化氢的油气资源时，套管在使用应力和硫化氢气体的共同作用下，会发生硫化氢应力腐蚀，造成套管柱或整口井的报废，甚至会造成井喷的事故，应对高挤毁、高硫化氢腐蚀的复杂工况，研发一种抗硫化氢腐蚀兼抗挤毁石油套管以满足市场需求。

经过检索，发现有三篇文献专利与本发明技术最为相关，具体内容分述如下：

文献1为一种80ksi钢级抗硫化氢应力腐蚀石油套管及其制造方法(专利申请号：201310150513.6)，该文献专利提供的套管产品以钢板为原料，经过卷制焊接而成，钢中含有贵重元素Nb和V，且产品主要针对抗硫化氢腐蚀性能而设计，因此，该文献专利的套管产品不能满足抗挤毁的工况需要，且生产成本相对较高。

文献2为一种80ksi抗硫化氢应力腐蚀的油井管用合金钢及其制造方法(专利申请号：201811032877.3)，该文献专利的钢种设计基于C-Mn-Cr-Mo-V-Ti 钢系，且元素Cr和Mo的含量相对较高，产品主要针对抗硫化氢腐蚀性能而设计，因此，该文献专利的油井管产品的生产难度相对较大、生产成本也相对较高，且产品不能满足抗挤毁的工况需要。

文献3为一种含稀土耐硫化氢腐蚀高抗挤毁石油套管及其生产方法(专利申请号：201510089008.4)，该文献钢种设计采用低碳+MnCrMo合金+稀土微合金，而本专利采用中碳+CrMo合金+稀土微合金，文献稀土微合金采用LaCe稀土线，而本专利加入稀土铁合金进行微合金，文献制造的套管强度高而韧性差，本专利生产套管有良好的综合力学性能。

发明内容

本发明的目的是提供一种生产成本低、夹杂含量少、尺寸精度高、强韧性能匹配好的经济型含稀土80ksi钢级抗硫化氢腐蚀兼抗挤毁石油套管及其制备方法。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种经济型含稀土80ksi钢级抗H2S腐蚀兼抗挤毁石油套管制品化学成分 (重量百分比％)：C 0.25～0.30；Si 0.20～0.30；Mn 0.50～0.60；P≤0.010； S≤0.005；Cr 0.60～0.70；Mo 0.10～0.20；Al 0.010～0.030；稀土元素RE 0.0005～0.0020；余量为Fe元素。

一种经济型含稀土80ksi钢级抗H2S腐蚀兼抗挤毁石油套管制备过程为：首先对来料高炉铁水进行预处理，将重量百分比90％的高炉铁水与10％的优质废钢作为原料一同加入顶底复吹转炉进行冶炼，转炉冶炼过程加入CrMo合金，冶炼完成的钢水装入钢水包进入LF炉工位进行精炼，调整钢液及钢水成分。精炼完成之后进入VD炉工位进行真空脱气处理，脱气结束加入稀土稀土铁合金，静置5分钟后进行圆坯连铸，热切后堆垛缓冷，质量及成分合格的圆管坯运送到环形炉加热，采用菌式穿孔机及MPM连轧机进行穿孔和连续轧制使其成为荒管，荒管先后经过张力减径冷床冷却和定尺锯切后，然进行水淬调质处理及带温矫直，最后对钢管先后进行无损探伤、水压试验和通径检测，合格者在两端进行螺纹加工，这样即为套管成品。

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→堆垛缓冷→管坯加热→菌式穿孔→连续轧管→张力减径→冷床冷却→定尺锯切→调质处理→带温矫直→无损探伤→水压试验→通径检测→螺纹加工。

制品化学成分的设计依据如下：

C元素是提高强度和淬透性最有效的元素之一，但为防止淬火变形及开裂，考虑套管耐硫化氢腐蚀性能和冲击性能的要求，尽量提高Mn/C之比，因此，C 元素的含量控制在0.25％～0.30％之间；Si元素有提高强度和镇静脱氧的作用，但不利于塑韧性能，含量超过0.30％时会降低抗硫化氢腐蚀性能，因此，Si元素的含量控制在0.20％～0.30％之间；Mn元素有固溶强化的作用，可扩大奥氏体区、降低奥氏体向铁素体的转变温度，进而细化铁素体晶粒、提高钢的强韧性能，并可补偿降低C元素所造成的强度损失，但Mn元素的含量过高会产生偏析，容易产生对HIC裂纹敏感的MnS夹杂物，因此，Mn元素的含量控制在0.50％～0.60％之间；P元素会造成微观偏析，容易导致淬火马氏体形成显微裂纹，成为氢的聚集源，因此，P元素的含量控制在0.010％以下；S元素能与Mn元素形成对HIC裂纹敏感的MnS夹杂物，为了达到理想的抗硫化氢腐蚀效果，因此，S元素的含量控制在0.003％以下；Cr元素有固溶强化的作用，能提高钢的强度和淬透性，并能在钢表面形成致密的钝化膜，具有抗硫化氢腐蚀和抗氧化能力，同时Cr能抑制S元素的吸附，但需要考虑成本，Cr元素的含量控制在0.60％～ 0.70％之间；Mo元素有固溶强化的作用，能提高钢的强度和淬透性，并能提高回火稳定性，同时还能在钢表面形成致密的钝化膜，具有抗硫化氢腐蚀的能力， Mo合金价格昂贵，因此，Mo元素的含量控制在0.10％～0.20％；Al元素具有良好的脱氧能力，并可细化奥氏体晶粒，提高钢的耐腐蚀能力，因此，Al元素的含量控制在0.010％～0.030％之间；稀土元素有微合金固溶强化的作用，能够净化钢液、改善非金属夹杂物的形态、减少点腐蚀和强化晶界等作用，从而提高钢材的冲击韧性和抗硫化氢腐蚀性能，但含量过高会形成大的夹杂物团絮，因此，稀土元素的含量控制在0.0005％～0.0020％之间。

制品的制造工艺过程叙述如下：

S1、将高炉铁水进行预处理，使得铁水中的S元素的含量(重量百分比) 降低到0.010％以下；

S2、将预处理之后的铁水兑入顶底复吹转炉，加入(重量百分比)10％的优质废钢，采用单渣工艺冶炼，控制终渣碱度≤3.0，出钢过程加入CrMo合金进行合金化，终脱氧采用有铝脱氧，出钢过程必须挡渣；

S3、转炉冶炼完成的钢水在LF炉进行精练，精炼全过程按要求正常吹氩气，采用从低级数到高级数逐渐提高升温速度的方式加热提温到1565℃±10℃；根据转炉钢水成分进行造渣脱硫、及化学成分调整，精炼结束之后喂入200米硅钙线，喂线后进行10～15分钟吹氩气；

S4、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、将经过VD炉真空处理之后的钢水静置5分钟，之后送入钢包回转台进行圆坯连铸，采用低拉速(1.2米/min)、结晶器电磁搅拌和全程保护浇注工艺，控制钢水过热度ΔT≤30℃，火焰切割后堆垛缓冷；

S6、圆管坯运送到环形加热炉进行加热，加热炉各段温度的控制范围见下表；

S7、将加热好的管坯进行热定心，然后进行菌式穿孔、MPM轧管机组进行连续轧制成荒管，经过张力减径、冷床冷却和定尺锯切成轧管；

S8、轧管进行水淬调质热处理，具体工艺为：890℃±10℃保温30min～ 50min、钢管出炉进行水淬(淬火之后的水温＜30℃)，660℃±20℃保温60min～ 80min回火后空冷；回火之后执行带温矫直，钢管矫直时的温度≥500℃。然后对钢管逐支进行无损探伤、水压试验和通径检测，合格者在两端进行螺纹加工。

经过上述工艺过程，可以生产出本发明所述的经济型含稀土80ksi钢级抗 H2S腐蚀兼抗挤毁石油套管。

本发明的有益效果：

①由于制品不含有贵重元素Ni、W、Zr、Nb、V、Ti等贵金属，CrMo含量较低，生产工艺合理，因此实现了低成本制造的目的；

②由于采用低过热度控制技术+电磁搅拌技术+圆管坯保护气氛冷却技术+ 堆垛缓冷技术+环形加热炉缓慢升温技术+120°三辊连轧及减径技术生产的套管内外表面良好，钢管的尺寸精度相对较高，残余应力较低，壁厚不均度≤12％、椭圆度≤0.5％，残余应力≤35MPa(采用环切法)；

③由于采用含稀土元素的独特成分设计+纯净的冶炼技术+夹杂物变形变性技术+水淬调质处理技术+残余应力控制技术，使得制品非金属夹杂均≤0.5级，组织均为单一均匀的回火索氏体，原始奥氏体晶粒度均达到10级，钢管的各项指标优异，具体如下：

屈服强度：580MPa～630MPa；抗拉强度：670MPa～730MPa；屈强比：≤0.89；延伸率：≥22％；0℃时的横向冲击值：≥150J/cm2；晶粒度：≥9.0级，抗挤毁性能≥标准指标的30％；按照NACE Standard TM 0177标准A方法，采用光滑拉伸试样法试验恒定应力为440MPa，经过H2S饱和的A溶液连续720小时浸泡，试样保持完好，未出现破坏性裂纹。

本发明针对背景技术中存在的问题，通过“独特的化学成分设计、以高炉铁水+10％优质废钢为原料以及独特生产工艺”，实现了生产成本低、残余应力低、夹杂含量少、尺寸精度高和强韧性能匹配好的经济型含稀土80ksi钢级抗硫化氢腐蚀兼抗挤毁石油套管制备

附图说明

下面结合附图说明对本发明作进一步说明。

图1为试样经720小时硫化氢应力腐蚀后的宏观照片。

具体实施方式

下面结合实施例1～实施例3对本发明专利作进一步详细说明，实施例1～实施例3在原料配比、生产工艺、水淬调质处理工艺和产品规格等工艺指标均完全相同，所不同的只是其管坯的化学成分。

按重量百分比原料为：高炉铁水占比为90％，优质废钢占比为10％。

生产工艺流程顺序为：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→堆垛缓冷→圆坯化学成分及质量检查→管坯加热→菌式穿孔→连续轧管→张力减径→带温矫直→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。

具体生产工艺流程如下所述：

首先将90吨的高炉铁水用“金属镁粉”作脱硫脱氧预处理，使铁水中的S 元素的含量降低到(重量百分比)0.010％以下；

然后将所述的90吨预处理铁水兑入100吨级的顶底复吹转炉之内，加入10 吨的优质废钢，采用恒压变枪位、单渣工艺进行冶炼，终渣碱度控制3.0左右；利用吹炼前期炉温低、渣中FeO较高的有利时机去除P元素，提高脱P效率；采用硅锰、锰铁和铬铁合金进行脱氧合金化，终脱氧采用铝锰铁合金；出钢过程使用挡渣球挡渣，并且加入200公斤的白灰块。

将冶炼好的钢水装入钢水包送入LF炉工位进行精炼，精炼全过程按要求正常吹氩气，采用从低级数到高级数逐渐提高升温速度的方式加热升温。根据转炉钢水成分及温度变化进行造渣脱硫、成分及温度调整操作，LF炉精炼结束之后喂入定长硅钙丝，喂丝之后进行10～15分钟吹氩气。

将精炼好的钢水送入VD炉工位进行真空处理，抽真空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％)，真空度≤0.10kPa，深真空时间≥ 15分钟。

将经过VD炉真空处理之后的钢水静置5分钟，将钢水大包吊上钢包回转台进行5机5流的圆坯连铸，连铸时采用低拉速的恒速控制、电磁搅拌和全程保护浇注工艺；钢水过热度控制在23℃～25℃之间；铸坯出二次冷却区域之后进行矫直，用火焰将管坯进行定尺切割后堆垛缓冷，管坯的规格为

对规格为

的管坯取样进行化、检验，其化学成分化验结果(重量百分比含量)见表2。

表2管坯的化学成分检测结果(重量百分比％)

所述稀土铁合金为：稀土元素的重量百分比为10％，其化学成分及其含量合格。

硫印：均不超过1.0级，低倍检验合格。

将化检验合格的规格为

的管坯进行制管，制管过程如下：

将规格为

的管坯放入环形加热炉进行加热，连续检查并控制好环形加热炉的预热段、加热段、均热段等各段的温度，保证加热透彻均匀而不过热，各段温度的控制范围见表3；

表3环形加热炉各段温度控制(℃)

预热一段	预热二段	加热一段	加热二段	均热一段	均热二段
						1060～1100	1160～1220	1200～1250	1230～1300	1250～1300	1260～1290

将加热好的规格为

的管坯进行热定心，热定心之后的管坯送入菌式穿孔机进行菌式穿孔，通过运输辊道将穿孔之后的毛管送入

轧管机组进行连续轧制，将连轧之后的荒管送入24机架张力减径机组进行张力减径，最终制成规格为

的无缝钢管，每批进行一次热取样，检查几何尺寸及内外表面质量。

几何尺寸及表面质量检查均合格的钢管再进行热处理：具体工艺参数控制见表4。

表4无缝钢管的水淬调质工艺参数控制

注：淬火之后的水温控制在23℃～25℃之间。

钢管出回火炉之后进行带温矫直，矫直温度控制在520℃～530℃之间。对矫直之后的钢管逐支进行无损探伤检测、水压试验和通径检测，合格者在两端进行螺纹加工。

经过上述的工艺生产及检验过程，合格者即成为本发明所述的“一种经济型含稀土80ksi钢级抗H₂S腐蚀兼抗挤毁石油套管”的成品，用其制取试样进行力学性能检验。

经过检验，实施例1～实施例3所产的规格为

的无缝钢管的力学性能检测结果见表5、金相性能检测结果见表6、电解夹杂检验结果见表7、硫化氢应力腐蚀性能检验结果见表8。

表5无缝钢管的力学性能检测结果

	R<sub>t0.5</sub>(MPa)	R<sub>m</sub>(MPa)	R<sub>t0.5</sub>/R<sub>m</sub>	A(％)	a<sub>KV</sub>(J/cm<sup>2</sup>)	压溃值(MPa)	残余应力
								实施例1	592	681	0.87	27	186	57.8	29MPa
实施例2	604	695	0.87	26	173	59.7	30MPa
								实施例3	621	715	0.87	25	162	62.3	32MPa

注：冲击试样均为横向、试验温度为0℃。

表6无缝钢管的金相性能检测结果(级)

表7无缝钢管的电解夹杂检验结果(ppm)

	总夹杂	FeO	SiO<sub>2</sub>	CaO	MgO	TiO<sub>2</sub>	Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>	MnO
									实施例1	19.95	0.43	0.43	0.51	2.57	0.08	14.36	0.09
实施例2	20.17	0.46	0.51	0.52	2.46	0.09	14.57	0.07
									实施例3	20.58	0.51	0.52	0.46	2.63	0.09	14.72	0.07

表8硫化氢应力腐蚀性能检验结果

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

1.一种经济型含稀土80ksi钢级抗硫化氢腐蚀兼抗挤毁石油套管，其特征在于，其包括如下质量百分比的化学成分：C 0.25％～0.30％；Si 0.20％～0.30％；Mn 0.50％～0.60％；P≤0.010％；S≤0.005％；Cr 0.60％～0.70％；Mo 0.10％～0.20％；Al 0.010％～0.030％；稀土元素RE 0.0005％～0.0020％；余量为Fe元素及其不可避免的杂质；

其制备方法包括：

S1、将高炉铁水进行预处理，使得铁水中的S元素的质量百分比含量降低到0.010％以下；

S2、将预处理之后的铁水兑入顶底复吹转炉，加入质量百分比为10％的优质废钢，采用单渣工艺冶炼，控制终渣碱度≤3.0，出钢过程加入CrMo合金进行合金化，终脱氧采用有铝脱氧，出钢过程必须挡渣；

S3、转炉冶炼完成的钢水在LF炉进行精练，精炼全过程按要求正常吹氩气，采用从低级数到高级数逐渐提高升温速度的方式加热提温到1565℃±10℃；根据转炉钢水成分进行造渣脱硫、合金元素化学成分调整，精炼结束之后喂入200米硅钙线，喂线后进行10～15分钟吹氩气；

S4、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，抽真空后采用压入法加入稀土铁合金；

S5、将经过VD炉真空处理之后的钢水静置5分钟，之后送入钢包回转台进行圆坯连铸，采用低拉速、结晶器电磁搅拌和全程保护浇注工艺，控制钢水过热度ΔT≤30℃，火焰切割后堆垛缓冷；

S6、圆管坯运送到环形加热炉进行加热，加热炉各段温度的控制范围如下：

预热一段1060-1100℃；预热二段1160-1220℃；加热一段1200-1250℃；加热二段1230-1300℃；均热一段1250-1300℃；均热二段1260-1290℃；

S8、轧管进行水淬调质热处理，具体工艺为：890℃±10℃保温30min～50min、钢管出炉进行水淬，660℃±20℃保温60min～80min回火后空冷；回火之后执行带温矫直，钢管矫直时的温度≥500℃，然后对钢管逐支进行无损探伤、水压试验和通径检测，合格者在两端进行螺纹加工；

晶粒度≥9.0级。

2.根据权利要求1所述的经济型含稀土80ksi钢级抗硫化氢腐蚀兼抗挤毁石油套管，其特征在于，稀土元素的重量百分比为10％。