CN116875887A - 一种590MPa级抗H2S应力腐蚀电阻焊油套管及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及电阻焊油套管生产技术领域，尤其涉及一种590MPa级抗H2S应力腐蚀电阻焊油套管及其制造方法。C：0.11％‑0.14％，Si：0.15％‑0.30％，Mn：0.80％‑1.20％，P：≤0.015％，S：≤0.004％，Ti：0.01％‑0.03％，Cr：0.10％‑0.30％，V：0.03％‑0.06％，Mg：0.004％‑0.006％，Zr：0.0006％‑0.003％，Als：0.02％‑0.05％，N：≤0.008％，其余为Fe和不可避免元素。采用低碳含镁的Cr‑V复合设计，材料热处理后强度高，低温韧性更好，抗SSC性能优异；Mg细化夹杂物，可有效改变夹杂物形态和大小，对SSC性能和冲击有利；Cr、V有效提高强度，且提高抗SSC性能；Pcm低于0.23％，焊接性良好；整管进行调质热处理，最终组织为回火索氏体，保证了管体和焊缝性能的一致性。可防止油井管的脆断，具有更高的安全性，合金成本适中。
Description
技术领域
本发明涉及电阻焊油套管生产技术领域，尤其涉及一种590MPa级抗H2S应力腐蚀电阻焊油套管及其制造方法。
背景技术
油套管是油田最常用的石油专用管材之一，用量大，花费占比最高，是油气田钻采作业中必不可少的施工材料。HFW(高频焊接)套管与无缝管相比，具有壁厚均匀、尺寸精度高、射孔性能好、抗挤毁能力强、成本低等显著优势，正在逐渐替代传统的无缝钢管。
世界能源需求日益增长，石油天然气产量逐年增加，油套管腐蚀与防护问题逐渐成为人们普遍关注的重点。油套管的H2S腐蚀已成为油气田面临的主要腐蚀类型，已给油田造成了巨大的经济损失，如停工停产、增加维修费用，而且所造成的后果严重，如污染环境，甚至危及生命，开发出具有良好耐腐蚀性的油套管具有重大社会和经济意义。
抗拉强度为590MPa级别，属于API Spec 5CT规定的M65钢级。API Spec 5CT规定：M65级别屈服强度在448-586MPa之间，抗拉强度≥586MPa，伸长率≥22％；0℃时横向夏比冲击功≥20J，抗H2S应力腐蚀性能SSC按照NACE TM0177规定采用A法A溶液加载72％名义屈服强度载荷下试样经过720小时不开裂。为了保证M65直缝焊油套管要求进行电阻焊，所以要求良好的焊接性能，冷裂纹敏感系数Pcm尽可能低；为了保证抗冲击和挤压，需要具有一定的冲击韧性；为了保证抗HIC性能，需要控制夹杂物和组织细小、均匀性程度；为保证强度，需要添加一定合金细化晶粒和提供淬透性。
公开号为CN104357756A的中国专利文献，公开了“一种抗硫化氢应力腐蚀直缝焊接石油套管及其制造方法”。成分中含C：0.08％-0.15％，Si：0.15％-0.30％，Mn：0.50％-1.00％，P≤0.010％，S≤0.0050％，Cr：0.40％-0.65％，Ni≤0.25％，Mo：0.30％-0.50％，Nb≤0.02％，V：0.05％-0.10％，Zr：0.0005％-0.01％，Al：0.005％-0.01％，Ca：0.001％-0.003％，B：0.0005％-0.001％，RE：0.001％-0.005％。钢级为90ksi，即API标准的C90，采用生产炉外精炼、RH炉真空处理和连铸，经连轧机组生产线进行热机械轧制成板卷，经HFW制管，在高温回火和回火去应力得到合格钢管。但是，由于C、Mn含量低，强度要求高，必须添加大量贵重合金元素Mo、Ni、V、Nb等，合金成本高；同时添加Zr、Ca、B、RE冶炼工艺复杂。
公开号为CN102296233A的中国专利文献，公开了“高频电阻焊石油套管用钢及其制造方法”。成分中含C：0.15％-0.35％，Si：0.10％-0.60％，Mn：0.30％-1.00％，P≤0.015％，S≤0.003％，Mo：0.1％-0.5％，V：0.03％-0.20％，Nb：0.01％-0.05％，Ti：0.01％-0.05％，Al：0.01％-0.08％，Ca：0.001％-0.005％，B：0.001％-0.003％。钢级为80ksi，即API标准的N80，产品采用生产炉外精炼、RH炉真空处理和连铸，经连轧机组生产线进行热机械轧制成板卷，经HFW制管和在线焊缝正火处理得到合格钢管。但是，C含量高，HFW焊接性差，且不利于SSC性能；Mo、V、Nb、Ti贵重元素含量较多，合金成本高。
综上所述，现阶段590MPa级别电阻焊油套管存在如下缺陷：抗SSC性能不足，材料热处理后强度不高，低温韧性不足，油井管易脆断，安全性差，合金成本高。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种590MPa级抗H2S应力腐蚀电阻焊油套管及其制造方法。材料热处理后强度高，低温韧性更好，抗SSC性能优异，可防止油井管的脆断，具有更高的安全性，合金成本适中。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案实现：
一种590MPa级抗H2S应力腐蚀电阻焊油套管，其化学成分按重量百分比为：
C：0.11％-0.14％，Si：0.15％-0.30％，Mn：0.80％-1.20％，P：≤0.015％，S：≤0.004％，Ti：0.01％-0.03％，Cr：0.10％-0.30％，V：0.03％-0.06％，Mg：0.004％-0.006％，Zr：0.0006％-0.003％，Als：0.02％-0.05％，N：≤0.008％，其余为Fe和不可避免元素。
本发明API SPEC 5CT中钢级为M65，适用于调质态，且-20℃冲击功大于150J，Pcm低于0.23焊接性良好的高韧性电阻焊(简称HFW/ERW)油套管。
一种590MPa级抗H2S应力腐蚀电阻焊油套管的制造方法，具体包括如下步骤：
1)冶炼连铸：
铁水预处理，转炉冶炼－经顶吹或顶底复合吹炼，炉外精炼、LF炉轻脱硫处理及进行钙处理以控制夹杂物形态和提高钢的延展性、韧性和冷弯性能，板坯连铸制成连铸板坯－连铸采用电磁搅拌或动态轻压下、以提高连铸板坯的质量。
2)轧制：
连铸板坯经加热炉加热至1100-1180℃，随后采用热连轧轧制，终轧温度750-820℃。
3)冷却：
轧后钢带以16-21℃/s的冷却速度进行冷却。
4)卷取：
冷却后进行卷取，卷取温度540-590℃。热轧后板卷为贝氏体组织，屈服强度500MPa以上，抗拉强度590MPa以上，-20℃冲击功200J以上。
5)钢带经过HFW机组进行高频/中频电阻焊制成钢管。该温度范围有利于铁素体组织均匀和细化，避免产生组织不均匀对抗SSC性能产生不利影响。
6)整管调质热处理：
整管加热到850-890℃，保温25-35min，水淬；再把整管加热到480-540℃，保温35-58min，水冷回火，回火后快速冷却可以有效抑制高温回火脆性。
钢管的最终组织为回火索氏体；Pcm低于0.23％，A/B/C/D类夹杂物级别1.0级以下，各类和值级别1.5级以下，带状组织0.5级以下。
与现有技术相比，本发明至少具有如下技术效果或优点：
1、本发明C：0.11％～0.14％，既保证材料的强度和硬度，又能保证热处理后强度、韧性，塑性和焊接性。Mg：0.004％～0.006％，降低钢中氧、硫含量和夹杂物数量，纯净钢液，还能对钢中夹杂物起到明显的变性作用，改善钢的性能。Cr：0.10％～0.30％，同时，Cr可均匀地分布在钢体积中，起到细化晶粒的作用；铬还具有降低钢在高温二氧化碳环境中的腐蚀速度的作用，减慢油套管在油井腐蚀速率，提高使用寿命。V：0.03％-0.06％，钒的碳氮化物在铁素体中以细小弥散形式均匀析出，具有细晶强化作用，可以显著提高材料的屈服强度和抗拉强度，同时提高低温冲击韧性；高温熔入奥氏体时，可增加钢的淬透性；固溶于铁素体中有极强的固溶强化作用。在淬火和回火热处理过程中，都可阻碍晶粒长大作用，无论淬火还是回火，都可大幅度提高钢的强度和韧性。
本发明采用低碳含镁的Cr-V复合设计，材料热处理后强度高，低温韧性更好，抗SSC性能优异。
2、本发明加入Mg细化夹杂物，可有效改变夹杂物形态和大小，含镁氧化物，该结构细小弥散分布在钢中，形成符合夹杂物，显著提高抗腐蚀性，提升SSC性能和抗冲击性。
3、本发明Cr元素溶入奥氏体后增大过冷奥氏体的稳定性，使C曲线右移，提高钢的淬透性，促进贝氏体转变，使钢材具有高的强度、硬度，提高钢的耐磨性；提高抗SSC性能。
4、本发明Pcm低于0.23％，焊接性良好。现有的M65普遍采用C含量0.20％以上，Mn含量1.0％以上，Pcm接近0.25％。Pcm值大于0.25时，冷裂倾向明显增大，可焊性降低。Pcm越低焊接性越好，低于0.23％，焊接性优良。
5、本发明V、Ti贵重元素含量少，合金成本低。
6、本发明在540-590℃温度进行钢带卷取，该低温范围有利于铁素体组织均匀和细化，避免产生组织不均匀对抗SSC性能产生不利影响。
7、本发明整管进行调质热处理，水冷回火，回火后快速冷却可以有效抑制高温回火脆性；最终组织为回火索氏体，保证了管体和焊缝性能的一致性。
具体实施方式
本发明公开了一种590MPa级抗H2S应力腐蚀电阻焊油套管及其制造方法。本领域技术人员可以借鉴本文内容，适当改进工艺参数实现。特别需要指出的是，所有类似的替换和改动对本领域技术人员来说是显而易见的，它们都被视为包括在本发明。本发明的方法及应用已经通过较佳实施例进行了描述，相关人员明显能在不脱离本发明内容、精神和范围内对本文所述的方法和应用进行改动或适当变更与组合，来实现和应用本发明技术。
一种590MPa级直缝电阻焊(HFW)油套管，其化学成分按重量百分比为：
C：0.11％-0.14％，Si：0.15％-0.30％，Mn：0.80％-1.20％，P：≤0.015％，S：≤0.004％，Ti：0.01％-0.03％，Cr：0.10％-0.30％，V：0.03％-0.06％，Mg：0.004％-0.006％，Zr：0.0006％-0.003％，Als：0.02％-0.05％，N：≤0.008％，其余为Fe和不可避免元素。
与现有技术相比，本方案采用低碳含镁的Cr-V复合设计，材料热处理后强度高，低温韧性更好，抗SSC性能优异；Mg细化夹杂物，可有效改变夹杂物形态和大小，对SSC性能和冲击有利；Cr有效提高强度，且提高抗SSC性能；Pcm低于0.23％，焊接性良好。
以下详细阐述本发明各合金成分作用机理，其中百分符号％代表重量百分比：
C：为碳化物形成元素，是保证强度的最有效元素，可以提高淬透性，保证材料强度和硬度。碳含量对最终奥氏体、马氏体的碳含量与体积分数有着重要的影响。只有保证足够的碳，才会形成足够的富碳残余奥氏体并能够稳定至室温。如碳含量低，则需要添加大量合金元素提高淬透性，提高合金成本；同时车丝性能差。含量过高，将影响产品的焊接性、塑性和冲击韧性，其最佳范围是0.11％-0.14％。
Si：可以溶入铁素体和奥氏体中，起到一定的固溶强化作用，可显著提高钢的硬度和强度，并提高疲劳强度和疲劳比，但含量过高会显著降低钢的塑性和韧性，其最佳范围是0.15％-0.30％。
Mn：锰具有固溶强化作用，还能增加奥氏体稳定性，对提高淬透性也有利，有效保证钢的强度。锰可降低马氏体转变温度Ms，增加残余奥氏体的含量。锰对提高低碳和中碳珠光体钢的强度有显著的作用。同时锰还可以提高钢的硬度和耐磨性。但锰含量过大，可增加连铸坯的中心偏析倾向，会使钢板中带状组织增多，最终钢板中会含有一定量的带状组织，使钢板的脆性增加，塑性降低，抗腐蚀性能变差。同时，形成易于形成MnS，对抗HIC性能影响恶劣，其最佳范围是0.80％-1.20％。
P、S、N：是钢中不可避免的杂质元素，希望越低越好，但要求过低会增加生产成本，本发明的P≤0.015％、S≤0.004％、N≤0.006％。
Ti：钛是强的固氮元素，加入0.015％左右Ti时，可在板坯连铸时形成高温稳定细小的TiN析出相，这种细小的TiN析出相可有效阻止连铸坯在加热过程中奥氏体晶粒的长大，同时对改善钢焊接时热影响区的韧性有明显作用。更多的Ti含量，可获得较多的TiC粒子，通过应变诱导析出和相变析出提高钢的强度。同时，析出的TiC产生较强的沉淀强化作用可以保证钢管后续正火热处理晶粒不明显长大，从而保证了整管热处理后的强度满足J55性能要求。但含量过高则合金成本偏高。其最佳范围是0.01％-0.03％
Cr：铬可通过固溶强化和细晶强化来提高强度。Cr可以和Mn一样固溶到固溶体中，起到提高强度的作用。Cr元素溶入奥氏体后增大过冷奥氏体的稳定性，使C曲线右移，提高钢的淬透性。钢材具有高的强度、硬度，提高钢的耐磨性。同时，Cr是中等碳化物形成元素，在所有各种碳化物中，铬碳化物是最细小的一种，它可均匀地分布在钢体积中，并且阻碍奥氏体晶界的移动和奥氏体晶粒的长大，起到细化晶粒的作用，从而改善钢的回火脆性；铬还具有降低钢在高温二氧化碳环境中的腐蚀速度的作用，减慢套管在油井腐蚀速率，提高使用寿命；但铬含量过高会显著提高钢的脆性转变温度，降低伸长率，容易形成粗大的碳化物，反而导致韧性的劣化。合适的范围是0.10％-0.30％。
V：钒的碳氮化物在铁素体中以细小弥散形式均匀析出，具有细晶强化作用，可以显著提高材料的屈服强度和抗拉强度，同时提高低温冲击韧性；高温熔入奥氏体时，可增加钢的淬透性；固溶于铁素体中有极强的固溶强化作用。在淬火和回火热处理过程中，都可阻碍晶粒长大作用，无论淬火还是回火，都可大幅度提高钢的强度和韧性。但过高会增加合金成本，合适的范围是0.03％-0.06％。
Mg：镁有强化学活性，与氧、硫有很强的亲和力，是有效精炼剂，可降低钢中氧、硫含量和夹杂物数量，纯净钢液，还能对钢中夹杂物起到明显的变性作用，改善钢的性能。微量镁可改变硫化物、碳化物、碳氮化物的数量，种类，尺寸，分布。镁处理的夹杂物是混合相，其核心是含镁氧化物，该结构细小弥散分布在钢中，形成符合夹杂物，改善钢材性能和抗腐蚀性能。合适的范围是0.004％-0.006％。
Zr：微量锆具有脱氧、净化、细化晶粒及对夹杂物具有明显的变质作用，提高钢的低温韧性。与Cr混合加入，可显著抑制合金的再结晶，提高合金抗SSC腐蚀能力。其最佳范围是0.0006％-0.003％。
Als：铝是常用的脱氧剂，在钢中加入少量的铝，可细化晶粒，提高冲击韧性，本发明的Als含量为0.02％-0.05％。
一种590MPa级直缝电阻焊(HFW)油套管的制造方法，包括铁水预处理、钢水冶炼、炉外精炼和板坯连铸、连铸坯再加热、轧制、冷却、卷取、HFW制管、整管热处理，具体包括如下步骤：
1)冶炼连铸工艺：
铁水预处理，转炉冶炼－经顶吹或顶底复合吹炼，炉外精炼、LF炉轻脱硫处理及进行钙处理以控制夹杂物形态和提高钢的延展性、韧性和冷弯性能。
板坯连铸制成连铸板坯－连铸采用电磁搅拌或动态轻压下、以提高连铸板坯的质量。
2)轧制工艺：
连铸板坯经加热炉加热至1100-1180℃，随后采用热连轧轧制，终轧温度750-820℃，轧后钢带以16-21℃/s的冷却速度进行冷却。
在540-590℃温度进行钢带卷取，该温度范围有利于铁素体组织均匀和细化，避免产生组织不均匀对抗SSC性能产生不利影响。热轧后板卷为贝氏体组织，屈服强度500MPa以上，抗拉强度590MPa以上，-20℃冲击功200J以上。
3)钢带经过HFW机组进行高频/中频电阻焊制成钢管。
4)整管调质热处理工艺：
经HFW制管后，整管加热到850-890℃，保温25-35min，水淬。
再把整管加热到480-540℃，保温35-58min，水冷回火，回火后快速冷却可以有效抑制高温回火脆性。
钢管的最终组织为回火索氏体；Pcm低于0.23％，A/B/C/D类夹杂物级别1.0级以下，各类和值级别1.5级以下，带状组织0.5级以下。
采用低碳含镁的Cr-V复合设计，材料热处理后强度高，低温韧性更好，抗SSC性能优异；Mg细化夹杂物，可有效改变夹杂物形态和大小，对SSC性能和冲击有利；Cr、V有效提高强度，且提高抗SSC性能；Pcm低于0.23％，焊接性良好；整管进行调质热处理，最终组织为回火索氏体，保证了管体和焊缝性能的一致性。
【实施例】
一种590MPa级直缝电阻焊(HFW)油套管及其制造方法，具体实施方式如下：
其中表1为实施例直缝电阻焊(HFW)油套管的化学成分；表2为实施例加热、轧制、冷却工艺参数；表4为实施例热处理工艺；表4为实施例调质态力学性能检测结果。
表1实施例化学成分(wt％)
| 实施例 | C | Si | Mn | P | S | Ti | Cr | V | Mg | Zr | N | Pcm |
| 1 | 0.11 | 0.16 | 0.86 | 0.013 | 0.002 | 0.02 | 0.30 | 0.04 | 0.004 | 0.002 | 0.005 | 0.19 |
| 2 | 0.12 | 0.18 | 1.16 | 0.012 | 0.003 | 0.03 | 0.22 | 0.05 | 0.005 | 0.0008 | 0.006 | 0.23 |
| 3 | 0.13 | 0.20 | 1.10 | 0.008 | 0.001 | 0.02 | 0.10 | 0.03 | 0.004 | 0.003 | 0.006 | 0.22 |
| 4 | 0.12 | 0.25 | 1.20 | 0.011 | 0.002 | 0.01 | 0.15 | 0.06 | 0.004 | 0.002 | 0.004 | 0.23 |
| 5 | 0.11 | 0.29 | 0.99 | 0.010 | 0.003 | 0.02 | 0.25 | 0.04 | 0.006 | 0.001 | 0.007 | 0.21 |
| 6 | 0.12 | 0.22 | 1.00 | 0.012 | 0.004 | 0.02 | 0.18 | 0.05 | 0.005 | 0.002 | 0.008 | 0.21 |
| 7 | 0.11 | 0.23 | 1.06 | 0.012 | 0.003 | 0.03 | 0.27 | 0.05 | 0.004 | 0.002 | 0.004 | 0.22 |
| 8 | 0.12 | 0.24 | 1.15 | 0.010 | 0.003 | 0.01 | 0.13 | 0.04 | 0.005 | 0.003 | 0.005 | 0.21 |
表2加热、轧制、冷却工艺参数
表3调质工艺
表4调质态力学和耐腐蚀性能
由表1-4可见，采用本发明的成分设计和轧制、卷取工艺，生产出的590MPa级抗H2S腐蚀电阻焊油套管，满足API SPEC 5CT标准M65级力学性能和耐腐蚀性能的要求。
本发明采用低碳含镁的Cr-V复合设计，材料热处理后强度高，低温韧性更好，抗SSC性能优异；Mg细化夹杂物，可有效改变夹杂物形态和大小，对SSC性能和冲击有利；Cr、V有效提高强度，且提高抗SSC性能；Pcm低于0.23％，焊接性良好；整管进行调质热处理，最终组织为回火索氏体，保证了管体和焊缝性能的一致性。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种590MPa级抗H2S应力腐蚀电阻焊油套管，其特征在于，其化学成分按重量百分比为：
C：0.11％-0.14％，Si：0.15％-0.30％，Mn：0.80％-1.20％，P：≤0.015％，S：≤0.004％，Ti：0.01％-0.03％，Cr：0.10％-0.30％，V：0.03％-0.06％，Mg：0.004％-0.006％，Zr：0.0006％-0.003％，Als：0.02％-0.05％，N：≤0.008％，Pcm低于0.23％，其余为Fe和不可避免元素。
2.一种如权利要求1所述590MPa级抗H2S应力腐蚀电阻焊油套管的制造方法，其特征在于，具体包括如下步骤：
1)冶炼连铸：
炉外精炼、LF炉脱硫处理及进行钙处理，
板坯连铸制成连铸坯，连铸采用电磁搅拌或动态轻压下；
2)轧制：
连铸板坯经加热炉加热至1100-1180℃，随后采用热连轧轧制，终轧温度750-820℃；
3)冷却：
轧后钢带以16-21℃/s的冷却速度进行冷却；
4)卷取：
冷却后进行卷取，卷取温度540-590℃；
5)钢带经过HFW机组进行高频/中频电阻焊制成钢管；
6)整管调质热处理：
整管加热到850-890℃，保温25-35min，水淬；再把整管加热到480-540℃，保温35-58min。
3.根据权利要求2所述的一种590MPa级抗H2S应力腐蚀电阻焊油套管的制造方法，其特征在于，
所述1)转炉冶炼经顶吹或顶底复合吹炼。
4.根据权利要求2所述的一种590MPa级抗H2S应力腐蚀电阻焊油套管的制造方法，其特征在于，
所述2)连铸板坯经加热炉加热至1100-1180℃。
5.根据权利要求2所述的一种590MPa级抗H2S应力腐蚀电阻焊油套管的制造方法，其特征在于，
所述4)热轧后板卷为贝氏体组织，屈服强度500MPa以上，抗拉强度590MPa以上，-20℃冲击功200J以上。
6.根据权利要求2所述的一种590MPa级抗H2S应力腐蚀电阻焊油套管的制造方法，其特征在于，
所述6)钢管的最终组织为回火索氏体；A/B/C/D类夹杂物级别1.0级以下，各类和值级别1.5级以下，带状组织0.5级以下。
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