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一种耐高温隔热油管用钢及其制造方法 Download PDF

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一种耐高温隔热油管用钢，其成分重量百分比为：C 0.05～0.25％、Si 0.10～0.6％、Mn 0.10～1.0％、Cr 0.5～2.0％、Mo 0.10～1.0％、W 0.1～1.0％、其余为Fe和不可避免的杂质。其制造方法是，经冶炼、浇铸和热轧的无缝钢管首先在920℃～1000℃温度区进行奥氏体化充分处理后进行淬火处理，淬火管随后在620℃～720℃温度区间进行回火处理。管体室温屈服强度最终大于650MPa，强度级别分别达到API 5CT规范中所要求的80、90、95、110、125等钢级的强度和性能水平。热处理后的内外成品管配上合适的焊材再经过CO2气体保护焊接成隔热油管。本发明生产的隔热油管的高温强度相比常规产品提高了30％，产品可焊接性好，完全可以用于汽驱稠油开采。

Description

一种耐高温隔热油管用钢及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种耐高温隔热油管用钢及其制造方法，特别是适合温度在300～400℃之间、气压在20Mpa左右并长期使用的汽驱隔热油管用钢及其制造方法。
背景技术
随着石油开采工业的不断发展和石油消耗量的不断增加，开采稠油已成为国内外许多石油公司的主要产量来源。目前，我国稠油的年产量达1500万吨以上，其中辽河油田、新疆克拉玛依油田，其稠油产量分别占原油总产量的1/2和1/3。稠油开采通常有蒸汽吞吐和汽驱等两种开采方式。蒸汽吞吐是指在本井中完成注蒸汽、焖井和开井生产三个过程的稠油开采方法，从注蒸汽开始到油井不能正常生产为止，称为一个吞吐周期；蒸汽吞吐注汽参数主要是指周期注汽量、注汽速度、蒸汽干度和焖井时间。注汽时间一般为10～15天，焖井时间一般为3～5天，生产时间可长达上百天。但是蒸汽吞吐通常只能采出井点周围油层中有限区域内的原油，井间存在大量蒸汽难以波及到的死油区，蒸汽吞吐的原油采收率一般只有10％～20％。蒸汽驱是指通过适当井网，由注汽井连续注汽，在注入井周围形成蒸汽带，注入的蒸汽将地下原油加热并驱到周围生产井后产出。蒸汽驱一般持续5年或更长时间，其配套设备和管材应满足长期使用工况的要求。蒸汽驱阶段的原油采收率一般可达20％～30％。对于整个稠油油藏，有计划地实施蒸汽吞吐向蒸汽驱转换，可以巧妙地避开蒸汽吞吐和蒸汽驱的低效期，保持稠油油藏的稳产。
九十年代以前，我国稠油开采主要以蒸汽吞吐井为主。对于蒸汽吞吐井，油层注入蒸汽后，在近井地带，油层的局部压力升高，在一定的采油区间内，增加了油藏能量，使得稠油在油层内的流动能力增加，进一步提高了稠油层的产出能力。但是，国内油田采用蒸汽吞吐开采技术进行稠油开发已普遍进入高轮次、后续开采阶段，因地层压力下降，开发效果变差，产量降低。寻求新的稠油开发方式，保持稠油稳产、增产，是进入高轮吞吐后的稠油油田急需解决的问题。而采用稠油蒸汽驱井开发方式，可以有效地提升稠油油田进入高轮次开采阶段后的采收率，对提高稠油产量有突出效果。
原有隔热油管产品主要以25Mn2、25CoMo4等C-Mn、Cr-Mo钢种为主，其对于蒸汽吞吐井而言基本可以满足用户的使用要求。但随着稠油开采方式由蒸汽吞吐井向汽驱井的转变，对隔热油管用管材也提出了更高要求，特别是在350℃、17Mpa蒸汽压力和长时间工作下要求具有良好的高温性能等，表1是现有隔热油管钢种的化学成分。
表1现有隔热油管用钢的化学成分
材料                            化学成分(wt％)
  C   Si   Mn   P   S   Cr   Mo
美国成品管   内管   0.26   0.26   1.47   0.008   0.009   0.03   -
  外管   0.26   0.23   1.53   0.022   0.011   0.02   -
NKK管材   内管   0.22   0.20   1.20   0.022   0.014   -   -
  外管   0.19   0.16   1.24   0.012   0.015   -   -
宝钢25CrMo 内管 0.26 0.23 0.64 0.023 0.013 0.96 0.21
宝钢25Mn2   内管   0.24   0.25   1.57   0.018   0.005   -   -
  外管   0.22   0.27   1.52   0.017   0.006   -   -
发明内容
有鉴于现有25Mn2、25CrMo4等常规隔热油管钢在350℃、20Mpa气压下长期使用时高温性能很差，不适合汽驱井开采用隔热油管的使用要求，本发明的目的在于提出一种耐高温隔热油管用钢及其制造方法，最终用以解决油气田汽驱井用隔热油管高温性能差并容易变形的问题。
为达到上述目的，本发明的技术方案是，
一种耐高温隔热油管用钢，其成分重量百分比为：
C     0.05～0.25％
Si    0.10～0.6％
Mn    0.10～1.0％
Cr    0.50～2.0％
Mo    0.10～1.0％
W     0.10～1.0％
其余为Fe和不可避免的杂质。
进一步，还可以加入Al、Nb、V等元素中的一种或一种以上，其含量为0.01～0.05％，以重量百分比计。
耐高温隔热油管用钢的制造方法是，经冶炼、浇铸和热轧的无缝钢管首先在920℃～1000℃温度区进行奥氏体化充分处理后进行淬火处理，淬火管随后在620℃～720℃温度区间进行回火处理。管体室温屈服强度最终大于650Mpa，强度级别分别达到美国石油协会API 5CT规范中所要求的80、90、95、110、125等钢级的强度和性能水平。热处理后的内外成品管配上合适的焊材再经过CO2气体保护焊接成隔热油管。
C是保证钢管室温强度和淬透性所必需的成分，但当碳含量低于0.05％时淬透性和强度不够，高于0.25％则韧性变坏，焊接性变差。
Mo的加入提高了材料的室温、高温强度和淬透性。如加入量低于0.10％，效果不明显，高于1.0％，加工性能、焊接性能恶化。
Si加入钢中起到了脱氧的作用。低于0.01％含量效果不明显。当含量超过0.6％后，加工性和韧性恶化。
Cr为碳化物形成元素，可以提高钢的室温、高温强度和淬透性，但是，Cr含量小于0.5％时，效果不明显，超过2.0％时会大大降低钢的韧性，焊接性能也变差。
Mn为奥氏体形成元素，可以提高钢的淬透性，含量小于0.1％时作用不明显，含量大于1.0时，组织偏析倾向加重，影响热轧组织的均匀性。
W为碳化物形成元素，可以提高明显提高钢在高温下的瞬时和持久强度和淬透性，但是，W含量小于0.1％时，效果不明显，超过1.0％时会大大降低钢的韧性，焊接性能也变差。
Nb、V：能够细化晶粒，形成碳化物，提高钢的强度和韧性。但含量达到一定量时，其效果增加便不明显了，同时因为价格很高，所以要限制使用量。
Al在钢中起到了脱氧作用和细化晶粒的作用，当加入量低于0.01％时，效果不明显，加入量超过0.05％，力学性能变差。
本发明的有益效果
本发明钢种属低合金钢范畴，和原有钢种相比，在降低碳含量的基础上复合加入少量的Cr、Mo、W等元素，一方面改善了焊接性能，使油田现场生产时更易控制，另一方面明显提高了钢在室温和高温下的屈服强度，特别是改善了钢在长时间高温下的持久性能。
通过复合加入少量的Cr-Mo-W等元素，明显提高了400℃以下尤其是250℃～400℃温度下的高温强度和抗蠕变性能，最终使得钢在上述温度范围的强度超过了600Mpa，相比常规产品提高了30％，且，产品可焊接性好，完全可以用于汽驱稠油开采。此外，本发明的钢因合金量较低，成本和现有电站锅炉、热交换器等高温耐热钢相比，成本有大幅度下降。
具体实施方式
实施例参见表1，A1-A7为本发明的合金钢，B1-B2为比较例。
表1本发明钢和现有隔热油管钢的化学成分，重量百分比
钢号  C  Si   Mn  Cr  Mo  W  Al  Nb   V Fe
  实施例 A1  0.15  0.25   0.10  1.00  0.20  0.20  0.01 余量
A2  0.10  0.12   0.40  0.90  0.30  0.30  0.05   0.01 余量
A3  0.08  0.20   0.60  0.95  0.45  0.25  0.02  0.01 余量
A4  0.10  0.30   0.80  1.20  0.60  0.10  0.03  0.03  0.03 余量
A5 0.05 0.60 0.70 0.50 0.35 1.00 0.04 0.05 余量
A6  0.12  0.20   0.80  0.90  1.00  0.20  0.02  0.05 余量
A7  0.25  0.10   1.00  2.00  0.10  0.35  0.05 余量
  比较例 B1  0.25  0.30   1.60 余量
B2  0.25  0.30   0.80  1.0  0.40  0.03 余量
上述试验钢经冶炼、浇铸和热轧的无缝钢管首先在920℃～1000℃温度区进行奥氏体化充分处理后进行水淬火处理，钢管在上述温度下经合适时间保温后水淬可以得到95％以上的马氏体组织。淬火管随后在620℃～720℃温度区间进行回火处理得到均匀细小的索氏体组织。该类组织在长时间高温下组织和性能稳定，高温持久性能良好。其管体室温屈服强度最终大于650Mpa，强度级别分别达到美国石油协会API 5CT规范中所要求的80和90、95、110、125等钢级的强度和性能水平。热处理后的内外成品管配上合适的焊材再经过CO2气体保护焊接成隔热油管。
表2  本发明和比较例的力学性能
钢号   室温力学性能   350℃高温力学性能
  σbMpa   σ0.5Mpa   δ-％   σb，Mpa   σ0.5，Mpa   δ-％
  A1   850   725   16.0   684   620   16.5
  A2   830   735   17.5   685   615   16
  A3   845   740   16.5   695   605   15.5
  A4   1050   850   15.5   840   720   16.5
  A5   1000   710   18.0   720   585   15.0
  A6   1030   720   15.0   745   595   16.5
  A7   980   715   16.5   732   630   17.5
  B1   800   690   16.0   610   440   22.5
  B2   829   700   15.5   650   500   20.5
从表2的试验结果可以看出本发明的合金钢的高温强度和抗高温变形能力明显比对照钢要好，尤其是高温屈服强度全部达到了API 5CT规范规定的最小屈服强度应大于552Mpa的要求，而对比钢种的高温屈服强度最低只有440Mpa。

Claims (3)

1.一种耐高温隔热油管用钢，其成分重量百分比为：
C     0.05～0.25％
Si    0.10～0.6％
Mn    0.10～1.0％
Cr    0.5～2.0％
Mo    0.10～1.0％
W     0.10～1.0％
其余为Fe和不可避免的杂质。
2.如权利要求1所述的耐高温隔热油管用钢，其特征是，还包含有Al、Nb、V等元素中的一种或一种以上，其含量为0.01～0.05％，以重量百分比计。
3.耐高温隔热油管用钢的制造方法，其包括如下步骤，
1)冶炼、浇铸和热轧形成无缝钢管；
2)奥氏体化充分处理，温度区间920℃～1000℃，保温时间在30分钟～1小时之间；
3)奥氏体化充分处理进行后进行水淬火处理；
4)淬火后，淬火管进行回火处理，回火温度620℃～720℃，处理时间45分钟～2小时。
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