CN116815072B

CN116815072B - 一种抗硫油套管接箍及其制备方法

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Publication number: CN116815072B
Application number: CN202310688490.8A
Authority: CN
Inventors: 苏小东; 黄岩岗; 秦进; 李亮; 巩朋涛
Original assignee: YANAN JIASHENG PETROLEUM MACHINERY CO Ltd
Current assignee: YANAN JIASHENG PETROLEUM MACHINERY CO Ltd
Priority date: 2023-06-12
Filing date: 2023-06-12
Publication date: 2024-02-27
Anticipated expiration: 2043-06-12
Also published as: CN116815072A

Abstract

本发明公开了一种抗硫油套管接箍及其制备方法，抗硫油套管接箍的化学成分按质量百分比：C：0.22％～0.27％，Si：0.45％～0.65％，Mn：0.30％～0.60％，P≤0.015％，S≤0.005％，Cr：1.10％～1.30％，Mo：0.30％～0.45％，Ni：0.30～0.45％，Cu：0～0.25％，V：0.07％～0.12％，Re：0～0.020％，Al：0.009％～0.015％，Ca：0.012％～0.017％,O≤0.002％，H≤0.00015％，N≤0.003％，控制Mo/P≥20，控制Al/N≥3，控制(Ca+Re)/S＞2，余量为Fe和其它不可避免的杂质。所述制备方法包括：熔炼、连铸、穿孔和热连轧、两次调质热处理、热矫直、去应力回火、螺纹加工等，油套管接箍的屈服强度可分别达到85ksi、100ksi、115ksi钢级要求，室温屈服强度大于585～793MPa，抗拉强度大于689～896MPa，伸长率大于16～20％，0℃时横向夏比冲击韧性≥100J。具有良好的抗硫化物应力腐蚀性能。

Description

一种抗硫油套管接箍及其制备方法

技术领域

本发明涉及石油天然气工业油套管接箍技术领域，尤其涉及一种抗硫油套管接箍及其制备方法。

背景技术

我国油气资源中酸性油气占有较大比重，钢铁材料在硫化氢环境中，在腐蚀介质和工作应力的协同作用下，很容易发生硫化物应力腐蚀破坏，往往导致严重后果。材料强度越高，产生硫化物应力腐蚀破坏的概率越大。随着深井、超深井、高酸性油气田的开发，不但对油套管柱的强度和塑韧性有较高要求，而且对油套管柱的抗硫化氢腐蚀、特别是抗硫化氢应力腐蚀性能有较高要求。而材料的强度与塑韧性和抗硫化物应力腐蚀性能往往表现为此长彼消的现象，这就使得高强度抗硫油套管(含接箍)的制造十分困难。目前可通过NACETM 0177A法试验并广泛使用的抗硫油套管及接箍钢级为110ks i。虽然也有钢级为125ks i抗硫油套管及接箍的专利和文献报道，但尚未得到大规模工业应用。而且，上述这些专利中油套管及接箍有的化学成分范围过于宽泛，有的一些元素范围过窄，成分设计和制备工艺不尽合理，生产过程中难以控制或成本较高，其产品质量控制和推广使用比较困难。

对酸性环境油套管接箍的要求是不但具有较高的连接强度，还需要与之匹配的较高的塑韧性和抗硫化物应力腐蚀性能，同时螺纹上卸扣连接过程中不发生粘扣，使用过程中不发生脆性断裂而导致严重恶性事故。另一方面，与油管和套管连接配套的接箍通常采用与油管和套管相同的钢级或提高一个钢级，这往往会造成油管和套管接箍强韧性不足或强度过高而韧性不足导致破裂或强度过剩造成不必要的浪费。为了改善油管和套管接箍的强度、抗粘扣性能和使用的安全可靠性，宜合理确定接箍强度。例如，80ks i钢级油管和套管使用85ks i钢级接箍，95ks i钢级油管和套管使用100ks i钢级接箍，110ks i钢级油管和套管使用115ks i钢级接箍，这是兼顾油管和套管安全性与经济性的有效方法。

为了弥补85ks i、100ks i、115ks i钢级抗硫油套管接箍成分设计和制备工艺的缺失或不合理性，同时兼顾安全性与经济性，本发明提出了一种抗硫油套管接箍及其制备方法，以满足酸性油气田开发对抗硫油套管接箍的需要。

发明内容

为了克服前述抗硫油套管接箍钢种设计及其生产制造技术的缺陷，发明了一种屈服强度分别达到85ks i(油管和套管钢级80ks i)、100ks i(油管和套管钢级95ks i)、115ks i(油管和套管钢级110ks i)钢级并具有足够塑韧性和抗硫化氢应力腐蚀性能的油管和套管接箍钢种及其制备方法。需要说明的是，钢级和钢种不同，强度、塑性、韧性、抗腐蚀性能等要求就不同，相应地，其化学成分设计、制备工艺、微观组织结构等就不同。微观组织结构的不同会最终影响到钢的性能。

为了保证满足抗硫油套管接箍强度、塑韧性、抗硫化氢应力腐蚀性能的多重要求，必须对其化学成分和制造工艺进行合理设计。

本发明在成分设计方面，拟采用中低C，控Mn，加Cr、Mo，少量加Si和N i，V微合金化，也可加入少量Cu和稀土(Re)元素，控制钢中P、S、O、H、N等杂质和有害气体元素，采用Al-Si合金全脱氧，并对钢液进行Ca处理。各元素的主要作用与含量如下:

C：是最主要的强化元素，含量过低不利于提高强度，含量过高对塑韧性和耐腐蚀性能不利。宜控制在C：0.22％～0.27％范围内。

Si：是固溶强化元素，也是脱氧剂，宜控制在0.45％～0.65％范围内。

Mn：主要用于提高钢的淬透性，从而提高钢的强度，但其偏析倾向较大，且与S易形成MnS夹杂，对钢的塑韧性和耐蚀性不利，必须严格控制。宜控制在0.30％～0.60％范围内。

Cr：主要用于提高钢的淬透性，从而提高钢的强度和回火稳定性。宜控制在1.10％～1.30％范围内。

Mo：主要用于提高钢的淬透性，从而提高钢的强度和回火稳定性。Mo还有改善P偏析的作用，宜控制Mo/P≥20，所以，Mo宜控制在0.30％～0.45％范围内。

N i：主要用于提高钢的淬透性，从而提高钢的强度和塑韧性。同时可改善由于Cu的加入可能产生的热脆性，宜控制在0.30～0.45％范围内。

Cu：主要用于提高钢的耐腐蚀性能，同时可提高钢的淬透性和强度，但含量过高也会引起Cu脆。宜控制在0～0.25％范围内。

V：加入到钢中与钢中的C、N形成VC、VN，具有阻碍奥氏体晶粒长大、细化晶粒的作用，提高强度和塑韧性。宜控制在0.07％～0.12％范围内。

Ca：可以改善夹杂物的性质和形态，从而提高钢的塑韧性和耐腐蚀性能。宜控制在0.006％～0.010％范围内。当(Ca+Re)/S＞2时效果较好，所以，Ca宜控制在0.012％～0.017％范围内。

A l：与氧和氮形成细小均匀分布的氧化物和氮化物可以起到细化晶粒、同时提高强度和塑韧性的作用，A l也是重要的脱氧剂和固氮剂。为克服钢中N对材料应变时效和塑韧性的不利影响，宜将N含量控制在0.003％以下，为达到此目的，宜控制A l/N≥3，所以，Al宜控制在0.009％～0.015％范围内。

Re：具有净化钢液、细化晶粒、变质夹杂、合金化多重作用。宜控制在0～0.020％范围内。

P：有害杂质元素，主要影响钢的塑韧性和耐腐蚀性能。宜控制P≤0.015％。

S：有害杂质元素，主要影响钢的塑韧性和耐腐蚀性能。宜控制S≤0.005％。

O：有害气体元素，主要影响钢的塑韧性和耐腐蚀性能。宜控制O≤0.002％。

H：有害气体元素，主要影响钢的塑韧性和耐腐蚀性能。宜控制H≤0.00015％。N：有害气体元素，主要影响钢的塑韧性和耐腐蚀性能。宜控制N≤0.003％。

为了达到和实现本发明的目的和有益效果，本发明给出了如下技术方案：

针对85ks i钢级抗硫油套管接箍，其化学成分的质量百分比为C：0.22％至0.23％、0.23％至0.24％或0.24％至0.25％，Si：0.45％至0.47％，0.47％至0.49％，0.49％至0.51、0.51至0.55％或0.55％至0.58％，Mn：0.30％至0.32％、0.32％至0.35％、0.35％至0.38％或0.38％至0.42％，P≤0.012％，S≤0.0013％，Cr：1.10％至1.13％、1.13％至1.15％，Mo：0.30％至0.32％或0.32％至0.35％，N i：0.30％至0.32％、0.32％至0.34％，V：0.07％至0.08％、0.08％至0.10％，A l：0.009％～0.013％，Ca：0.012％～0.015％,O≤0.0018％，H≤0.00013％，N≤0.0027％，Re：0～0.010％；余量为Fe和不可避免的杂质。

针对100ks i钢级抗硫油套管接箍，其化学成分的质量百分比为C：0.23％至0.24％、0.24％至0.25％或0.25％至0.26％，Si：0.49％至0.50％、0.50％至0.52％或0.52％至0.57％，Mn：0.43％至0.45％、0.45％至0.47％或0.47％至0.50％，P≤0.011％，S≤0.0015％，Cr：1.17％至1.20％、1.20％至1.23％或1.23％至1.25％，Mo：0.36％至0.38％、0.38％至0.40％或0.40％至0.44％，N i：0.35％至0.37％或0.37％至0.39％，V：0.08％至0.10％或0.10％至0.12％，A l：0.011％～0.013％，Ca：0.013％至0.015％或0.015％至0.017％,O≤0.0015％，H≤0.00014％，N≤0.0025％，Re：0～0.015％；余量为Fe和不可避免的杂质。

针对115ks i钢级抗硫油套管接箍，其化学成分的质量百分比为C：0.24％至0.26％或0.26％至0.27％，Si：0.59％至0.61％、0.61％至0.63％或0.63％至0.65％，Mn：0.52％至0.55％、0.55％至0.58％或0.58％至0.60％，P≤0.010％，S≤0.0010％，Cr：1.24％至1.26％、1.26％至1.28％或1.28％至1.30％，Mo：0.40％至0.42％或0.42％至0.45％，N i：0.40％至0.42％或0.42％至0.45％，V：0.08％～0.11％，Cu：0.15％至1.18％、0.18％至0.22％或0.22％至0.25％，A l：0.011％～0.015％，Ca：0.013％至0.015％或0.015％至0.017％,O≤0.0019％，H≤0.00013％，N≤0.0020％，Re：0～0.020％；余量为Fe和不可避免的杂质。

综上所述，抗硫油套管接箍的化学成分按质量百分比：C：0.22％～0.27％，Si：0.45％～0.65％，Mn：0.30％～0.60％，P≤0.015％，S≤0.005％，Cr：1.10％～1.30％，Mo：0.30％～0.45％，N i：0.30～0.45％，Cu：0～0.25％，V：0.07％～0.12％，Re：0～0.020％，Al：0.009％～0.015％，Ca：0.012％～0.017％,O≤0.002％，H≤0.00015％，N≤0.003％，控制Mo/P≥20，控制A l/N≥3，控制(Ca+Re)/S＞2，余量为Fe和其它不可避免的杂质。

在管坯制备工艺方面，主要是通过炼钢(包括炉外精炼、真空脱气)、连铸、奥氏体区的热穿孔和热连轧、两次调质热处理、热矫直、消除应力回火、螺纹加工等工艺，使材料获得细小均匀的回火索氏体显微组织结构，并有效降低残余应力，来实现油管和套管接箍强度、塑韧性、抗硫化氢应力腐蚀性能的合理匹配。

抗硫油套管接箍的制备工艺：

①炼钢：配料，电炉或氧吹转炉炼钢，喂稀土(Re)丝和Si-Ca丝，经炉外精炼和真空脱气，获得上述化学成分。

②连铸：将钢液浇铸成棒状连铸坯，连铸过程中采用电磁搅拌和轻压下技术以控制连铸棒坯中的偏析。

③穿孔和热连轧：将连铸坯在环形加热炉内加热，加热炉温为1170℃～1200℃、加热时间100～120分钟，在1120℃～1150℃热穿孔，950℃～1100℃热连轧，然后冷却，锯切至合适的长度。

④热处理：采用保护气氛炉加热(防止脱碳)、两次淬火+高温回火的热处理工艺。通过多次重结晶，使晶粒和组织得到细化。第1淬火温度控制在900℃～920℃，保温时间50～70分钟，内外喷水淬火，冷却速度≥30℃/s，确保淬火后基本获得全部马氏体组织；第1次回火温度控制在680℃～700℃，回火时间60～80分钟，以获得细小均匀的回火索氏体，晶粒度8～9级，回火后水冷以避免可能存在的回火脆性；然后进行热矫直，矫直温度控制在630℃～650℃，然后水冷；第2次淬火温度控制在880℃～900℃，保温时间45～65分钟，内外喷水淬火，冷却速度≥30℃/s，确保淬火后基本获得全部马氏体组织。第2次回火温度控制在610℃～670℃，回火时间100～120分钟，以获得细小均匀的回火索氏体，晶粒度9～10级，回火后水冷；之后进行热矫直，矫直温度控制在560℃～620℃，矫直后水冷；然后进行560℃～620℃去应力回火，使残余应力得到有效消除，去应力回火时间70～90分钟，然后水冷；第二次调质热处理的回火温度和时间、热矫直温度、去应力回火温度和时间可根据不同钢级进行调整。

⑤螺纹加工：根据用户要求，在管段加工AP I标准螺纹或特殊螺纹。

有益效果，与现有技术相比，本发明具备如下性能特点：本发明的抗硫油套管接箍材料经过适当的制备工艺后具有优良的综合性能，屈服强度级别可分别达到85ks i(油管和套管钢级80ks i)、100ks i(油管和套管钢级95ks i)、115ks i(油管和套管钢级110ksi)钢级要求，即室温屈服强度分别为585～689MPa、690～793MPa、793～896MPa，抗拉强度分别大于689MPa、793MPa、896MPa，伸长率分别大于20％、18％、16％，0℃时横向夏比冲击韧性≥100J。可满足NACE TM 0177A法85％屈服强度应力水平(普通抗硫S)或95％屈服强度应力水平(超级抗硫SS)720小时试验不发生断裂要求。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合实施案例对本发明实施方式作进一步地详细描述。

实施例

本发明实施例提供的屈服强度钢级分别达到85ks i、100ks i、115ks i抗硫油套管接箍的化学成分(如表1所示)，其中，编号1-5对应屈服强度钢级达到85ks i的抗硫油套管接箍的化学成分，编号6-10对应屈服强度钢级达到100ks i的抗硫油套管接箍的化学成分，编号11-15对应屈服强度钢级达到115ks i的抗硫油套管接箍的化学成分。

表1实施例抗硫油套管接箍的化学成分

本发明实施例还提供了制备屈服强度为85ks i、100ks i、115ks i钢级抗硫油套管接箍的方法，包括以下步骤：

①炼钢：配料，电炉炼钢(实施例1,3,5,7,9,11,13,15；以海绵铁和优质废钢为原料)或氧吹转炉炼钢(实施例2,4,6,8,10,12,14；以高炉铁水和优质废钢为原料)，喂稀土(Re)丝和Si-Ca丝，经炉外精炼和真空脱气，获得表1化学成分。

④热处理：采用保护气氛炉加热、两次淬火+高温回火的热处理工艺。第1淬火温度910℃±10℃，保温时间60分钟，内外喷水淬火，冷却速度≥30℃/s；第1次回火温度690℃±10℃，回火时间70分钟，回火后水冷；然后进行热矫直，矫直温度640℃±10℃，然后水冷。第2次淬火温度890℃±10℃，保温时间45～65分钟，内外喷水淬火，冷却速度≥30℃/s；第2次回火温度610℃～670℃，回火时间100～120分钟，回火后水冷；之后进行热矫直，矫直温度560℃～620℃，矫直后水冷；然后进行560℃～620℃去应力回火，去应力回火时间70～90分钟，然后水冷。第二次调质热处理的回火温度和时间、热矫直温度、去应力回火温度和时间可根据不同钢级进行调整(详见表2)。

⑤螺纹加工：根据用户要求，在管段加工API标准螺纹或特殊螺纹。

性能特点：本发明的抗硫油套管接箍材料经过适当的制备工艺后具有优良的强度、塑性、韧性、耐硫化氢应力腐蚀性能等综合性能(详见表2)，可满足酸性油气田开发对抗硫油套管接箍的需要。

85ks i钢级抗硫油套管接箍室温屈服强度629～643MPa，抗拉强度740～756MPa，伸长率29～30％，0℃时的纵向夏比冲击韧性156～162J，横向140～146J。NACE TM 0177A法加载497MPa和556MPa720小时硫化氢应力腐蚀试验不发生断裂。

100ks i钢级抗油硫套管接箍室温屈服强度736～751MPa，抗拉强度846～863MPa，伸长率27～28％，0℃时的纵向夏比冲击韧性143～150J，横向129～135J。NACE TM 0177A法加载587MPa和656MPa720小时硫化氢应力腐蚀试验不发生断裂。

115ks i钢级抗硫油套管接箍室温屈服强度857～872MPa，抗拉强度963～980MPa，伸长率25～26％，0℃时的纵向夏比冲击韧性129～140J，横向116～126J。NACE TM 0177A法加载674MPa和753MPa720小时硫化氢应力腐蚀试验不发生断裂。

表2实施例抗硫油套管接箍的热处理工艺和性能

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

1.一种85ksi钢级抗硫油套管接箍，其特征在于，其化学成分的质量百分比为C：0.22%～0.25%，Si：0.45%～0.58%，Mn：0.30%～0.42%，P≤0.012%，S≤0.0013%，Cr：1.10%～1.15%，Mo：0.30%～0.35%，Ni：0.30%～0.34%，V：0.07%～0.10%，Al：0.009%～0.013%，Ca：0.012%～0.015%, O≤0.0018%，H≤0.00013%，N≤0.0027%，RE：0～0.010%；余量为Fe和不可避免的杂质；

所述85ksi钢级抗硫油套管接箍的制备方法，包括：

根据所述的抗硫油套管接箍的化学成分进行配料、冶炼、连铸后，得到连铸坯；

对所述连铸坯进行热穿孔和热连轧，得到坯体；

对所述坯体进行第一次调质热处理和第一次回火热处理，之后进行第一次热矫直处理；

在第一次热矫直处理后，进行第二次调质热处理、第二次回火热处理以及第二次热矫直处理，得到所述抗硫油套管接箍；

所述第一次调质热处理中淬火加热温度控制在900℃～920℃，保温时间为50～70分钟，内外喷水淬火，冷却速度≥30℃/s；

所述第一次回火热处理中回火温度控制在680℃～700℃，回火时间60～80分钟，回火后水冷；所述第一次热矫直温度控制在630℃～650℃，然后水冷；

第二次调质热处理中淬火温度控制在880℃～900℃，保温时间45～65分钟，内外喷水淬火，冷却速度≥30℃/s；所述第二次回火温度控制在610℃～670℃，回火时间100～120分钟，回火后水冷；所述第二次热矫直温度控制在560℃～620℃，矫直后水冷。

2.一种100ksi钢级抗硫油套管接箍，其特征在于，其化学成分的质量百分比为C：0.23%～0.26%，Si：0.49%～0.57%，Mn：0.43%～0.50%，P≤0.011%，S≤0.0015%，Cr：1.17%～1.25%，Mo：0.36%～0.44%，Ni：0.35%～0.39%，V：0.08%～0.12%，Al：0.011%～0.013%，Ca：0.013%～0.017%, O≤0.0015%，H≤0.00014%，N≤0.0025%，RE：0～0.015%；余量为Fe和不可避免的杂质；

所述100ksi钢级抗硫油套管接箍的制备方法，包括：

对所述连铸坯进行热穿孔和热连轧，得到坯体；

3.一种115ksi钢级抗硫油套管接箍，其特征在于，其化学成分的质量百分比为C：0.24%～0.27%，Si：0.59%～0.65%，Mn：0.52%～0.60%，P≤0.010%，S≤0.0010%，Cr：1.24%～1.30%，Mo：0.40%～0.45%，Ni：0.40%～0.45%，V：0.08%～0.11%，Cu：0.15%～0.25%，Al：0.011%～0.015%，Ca：0.013%～0.017%, O≤0.0019%，H≤0.00013%，N≤0.0020%，RE：0～0.020%；余量为Fe和不可避免的杂质；

所述115ksi钢级抗硫油套管接箍的制备方法，包括：

对所述连铸坯进行热穿孔和热连轧，得到坯体；

4.根据权利要求2所述的100ksi钢级抗硫油套管接箍，其特征在于，所述Mo与所述P的质量比≥20，所述Al与所述N的质量比≥3，所述Ca和RE的质量和与所述S的质量比＞2。

5.根据权利要求3所述的115ksi钢级抗硫油套管接箍，其特征在于，所述Mo与所述P的质量比≥20，所述Al与所述N的质量比≥3，所述Ca和RE的质量和与所述S的质量比＞2。

6.一种抗硫油套管接箍的制备方法，其特征在于，包括步骤：

根据权利要求1-5任一项所述的抗硫油套管接箍的化学成分进行配料、冶炼、连铸后，得到连铸坯；

对所述连铸坯进行热穿孔和热连轧，得到坯体；

对所述坯体进行调质热处理、热矫直处理，得到所述抗硫油套管接箍。

7.根据权利要求6所述的抗硫油套管接箍的制备方法，其特征在于，所述对所述连铸坯进行热穿孔和热连轧，得到坯体，具体包括：

将所述连铸坯在加热设备内加热，加热温度为1170℃～1200℃、加热时间为100～120分钟；

在1120℃～1150℃条件下热穿孔，在950℃～1100℃条件下热连轧，然后冷却，得到所述坯体。

8.根据权利要求6所述抗硫油套管接箍的制备方法，其特征在于，还包括：

经两次调质热处理后进行560℃～620℃去应力回火，去应力回火时间70～90分钟，然后水冷，得到所述抗硫油套管接箍。

9.根据权利要求6～8任一所述抗硫油套管接箍的制备方法，其特征在于：所述抗硫油套管接箍在0℃时横向夏比冲击韧性≥100J。