專利名稱：耐硫化氫腐蝕的高強(qiáng)韌性石油套管及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及冶金技術(shù)領(lǐng)域，更具體的說，是涉及一種耐硫化氫腐蝕的高強(qiáng)韌性石油套管及其制造方法。
背景技術(shù)：
我國的四川、長慶、華北、新疆和江漢等油田，以及美國的巴羅馬、加拿大的平切爾灣等油田的油氣層中都含有硫化氫，據(jù)統(tǒng)計(jì)，世界的油氣田大約有1/3含有硫化氫氣體。普通套管在用于含硫化氫的油氣資源開采時(shí)，套管在使用應(yīng)力和硫化氫氣體的作用下，往往會在受力遠(yuǎn)低于其本身屈服強(qiáng)度時(shí)突然發(fā)生脆斷，輕者造成套管柱或整口井報(bào)廢，重者會使硫化氫和油氣一同外泄，形成井噴，給油氣田的安全生產(chǎn)帶來極大的威脅。 我國西南部油氣田埋藏深，鉆探深度主要在4000 6000m左右，最深達(dá)7000多米，85 %的氣田含H2S量大于20mg/m3，個(gè)別油氣田的含H2S量高達(dá)493g/m3，而且油井深層溫度達(dá)到80°C左右，使水等腐蝕的石油套管所處的使用環(huán)境十分惡劣。因此，油氣田企業(yè)對石油套管的性能提出了更高的要求。為此，現(xiàn)在開采含有硫化氫氣體的油氣資源就必須采用具有高強(qiáng)韌性的耐硫化氫應(yīng)力腐蝕的優(yōu)質(zhì)石油套管。硫化氫腐蝕石油套管的過程，一般認(rèn)為分子態(tài)的H2S大量生成原子氫被鋼的表面所吸附，套管在受力狀態(tài)下使用，通過應(yīng)力誘導(dǎo)擴(kuò)散，氫將向鋼中的夾雜物(特別是長條狀MnS夾雜)及某些顯微缺陷部位積聚形成高壓，造成應(yīng)力集中，最后導(dǎo)致開裂。鋼的屈服強(qiáng)度或屈強(qiáng)比愈高，硫化物的開裂敏感性也愈大，形變速率低，硫化物開裂敏感性增加。耐硫化氫腐蝕的高強(qiáng)韌性石油套管要求鋼材具有好的強(qiáng)度和韌性及耐硫化氫腐蝕性能，但材料的韌性及耐硫化氫腐蝕性能受鋼中的碳化物形態(tài)影響。為了減少金屬晶格上的碳化物，需要減少合金鋼的碳含量，但這會降低材料的淬透性和屈服強(qiáng)度等機(jī)械性能。目前，由于各種合金元素單獨(dú)控制，容易使合金元素的添加過量，致使當(dāng)量碳含量過多，反而降低石油套管的塑性和韌性，降低了鋼的耐硫化氫應(yīng)力腐蝕能力。另外，在高強(qiáng)度石油套管中，晶格變位的密度增加，氫元素易于儲存于晶格變位處，進(jìn)而，氫元素易積聚于應(yīng)力集中部位。為此，需要合理的軋制與熱處理工藝條件，降低殘余應(yīng)力，提高材料的屈強(qiáng)比。公開號為CN101413088、發(fā)明創(chuàng)造名稱為《耐硫化氫應(yīng)力腐蝕的石油套管及其制造方法》的專利申請公開了一種耐硫化氫應(yīng)力腐蝕的石油套管及其制造方法，通過提高鋼的純凈度和屈強(qiáng)比及回火馬氏體比例、細(xì)化晶粒、降低殘余應(yīng)力等，制造具有高強(qiáng)韌性和耐硫化氫應(yīng)力腐蝕能力的石油套管及其制造方法，其屈服強(qiáng)度為862 931MPa、抗拉強(qiáng)度彡894. 2Mpa、殘余應(yīng)力彡150MPa，沖擊韌性(縱向)在60J以下。由于石油套管的耐沖擊性能不高，在外加載荷的作用下，容易出現(xiàn)裂紋、斷裂、壓扁變形等，影響使用壽命。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是為了克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足之處，提供一種能夠滿足含硫化氫氣體的深油氣層開采的需要，具有耐硫化氫應(yīng)力腐蝕能力，耐沖擊性能高的石油套管及其制造方法。
本發(fā)明通過下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)
一種耐硫化氫腐蝕的高強(qiáng)韌性石油套管，其特征在于，按重量百分比由下述成分組成C 0. 15 O. 20%, Si 0. I O. 2%, Mn 0. 4 O. 6%, Cr 0. 6 O. 8%, Mo 1. 2
I.6%,Al :0. 01 O. 05%,Ti :0. 002 O. 05%,V :0. 05 O. 10%,Nb :0. 005 O. 015%,Ca 0. 0003 O. 005%,B < O. 002%,P ( O. 015%,S ( O. 005%,N 0. 003 O. 010%，余
量的Fe，其中Mo、V、Cr和Mn的添加量滿足12V+l_Mo彡0、Mo_(Cr+Mn)彡O。一種耐硫化氫腐蝕的高強(qiáng)韌性石油套管的制造方法，其特征在于，包括下述步驟(I)配料冶煉采用海綿鐵和廢鋼做煉鋼原料，用電弧偏心爐熔化成鋼水，經(jīng)爐外精煉和真空脫氣方法，再經(jīng)Ca處理，得到制造石油套管的鋼水按重量百分比為C 0. 15 O. 20%、Si :O. I O. 2%、Mn :0· 4 O. 6%、Cr :0· 6 O. 8%、Mo :1· 2 I. 6%、Al :0. 01 O. 05%、Ti :0. 002 O. 05%, V :0. 05 O. 10%, Nb :0. 005 O. 015%, Ca :0. 0003 O. 005%, B
<O. 002%, P ( O. 015%, S ( O. 005%, N 0. 003 O. 010%，余量為鐵；其中 Mo、V、Cr 和Mn的添加量滿足12V+l-Mo彡0、Mo_(Cr+Mn)彡O ；(2)上述鋼水連鑄成管坯，管坯冷卻后裝入加熱爐，管坯在1210_1220°C加熱保溫不低于10小時(shí)，管坯的熱定心溫度為1120-1150°c，管坯熱穿孔溫度為1050 1100°C，連軋的終軋溫度不低于1000°C，定減徑軋制的終軋溫度不低于950°C ；(3)完成定減徑軋制的荒管在冷床上冷卻至650_670°C，然后采用淬火與2次回火相結(jié)合的熱處理工藝，加熱到淬火溫度后，保溫15分鐘后，進(jìn)行淬火處理，淬火介質(zhì)為油性淬火液，淬火溫度為910°C ±30°C 次回火溫度在680 720°C下保溫30分 50分鐘，采用空冷，二次回火溫度在550°C 590°C下保溫60分 90分鐘，空冷；石油套管熱處理后，經(jīng)二次熱定徑和熱矯直處理得到耐硫化氫腐蝕的高強(qiáng)韌性石油套管，二次熱定徑溫度在550 600°C之間，熱矯直溫度在500°C 540°C之間。淬火液保障20°C /秒的冷卻速度，得到充分的馬氏體組織。二次熱定徑的直徑變形率為3% 5%。熱矯直壓下系數(shù)是O. 64 O. 77倍的無縫鋼管彈性極限變形。本發(fā)明具有下述技術(shù)效果I、本發(fā)明的石油套管中，通過綜合控制公式12V+1-MO彡O、Mo_(Cr+Mn)彡O控制錳(Mn)、鉻(Cr)和鑰(Mo)的含量，通過綜合控制鑰、釩、鉻和錳的含量，實(shí)現(xiàn)改善石油套管的強(qiáng)度、淬透性、硬度、塑性和韌性。同時(shí)，添加了鈦、鈮、氮等元素，提高淬火性能，細(xì)化晶粒組織，形成球狀碳化物。通過優(yōu)化設(shè)計(jì)合金鋼的成份含量，提高了石油套管耐硫化氫腐蝕的能力和沖擊韌性。2、本發(fā)明的石油套管的制造方法，通過超純凈鋼冶煉技術(shù)，降低鋼中的硫、磷等雜質(zhì)和氣體含量；采用軋制與熱處理結(jié)合的方法，細(xì)化奧氏體晶粒；采用嚴(yán)格的熱處理工藝，獲得均勻的組織和回火馬氏體組織及屈強(qiáng)比，從而獲得了耐硫化氫應(yīng)力腐蝕性能優(yōu)越的合金鋼。3、本發(fā)明的石油套管中由于鑰含量明顯增加，并在制造過程中進(jìn)行了 2次回火處理，提高了沖擊韌性，降低了殘余應(yīng)力，控制了屈服強(qiáng)度分布范圍。
4、本發(fā)明通過添加釩和氮細(xì)化晶粒，降低制造成本，同時(shí)控制殘余應(yīng)力。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合具體實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。本發(fā)明的耐硫化氫腐蝕的高強(qiáng)韌性石油套管按重量百分比由下述成分組成C O. 15 O. 20%,Si 0. I O. 2%,Mn 0. 4 O. 6%,Cr 0. 6 O. 8%,Mo 1. 2 L 6%,Al O. 01 O. 05%,Ti :0. 002 O. 05%,V :0. 05 O. 10%,Nb :0. 005 O. 015%,Ca :0. 0003 O. 005%, B < O. 002%, P 彡 O. 015%, S 彡 O. 005%, N 0. 003 O. 010%，余量的 Fe。為
生產(chǎn)具有高強(qiáng)韌性和耐腐蝕特性的鋼材，使Mo、V、Cr和Mn的添加量滿足12V+l_Mo彡O、Mo-(Cr+Mn) >0。在高強(qiáng)韌性鋼中，析出的針狀碳化物降低套管的耐硫化氫腐蝕。為此，添加釩，細(xì)化晶粒，形成球狀碳化物，控制硫化氫腐蝕速度，但成本提高。因而添加氮，控制成本。主要合金元素的作用為C :0.15 O. 20%碳為碳化物形成元素，主要考慮強(qiáng)度和韌性的搭配來碳含量確定，其抗H2S影響不大。碳含量過高的話，就容易析出碳化物和產(chǎn)生偏析，不能有效利用其它金屬的性能，而且導(dǎo)致耐硫化氫腐蝕能力降低。當(dāng)碳含量過低時(shí)，材料的強(qiáng)度要降低，要得到所希望的屈服強(qiáng)度，就要保持一定的碳含量。為了得到強(qiáng)度和耐硫化氫腐蝕能力的平衡，碳含量范圍控制在O. 15 O. 20%之間。Si :0.1 O. 2%硅作為脫氧劑具有還原作用，固溶強(qiáng)化提高鋼的強(qiáng)度，改善淬透性。當(dāng)硅含量低于O. 10%時(shí),作用效果不明顯；但娃含量超過O. 2%時(shí),娃的作用效果處于飽和狀態(tài)。因此,娃的含量范圍控制在O. I O. 2%之間。Mn :0.4 O. 6%錳能提高鋼的淬透性和強(qiáng)度，固化硫、磷等有害元素，促進(jìn)有害元素向晶界偏析，但錳使晶界鍵合力大幅度下降，容易引起氫致沿晶斷裂，降低錳含量可提高抗H2S性能。在本發(fā)明中其含量需要O. 4%以上；但錳含量超過O. 6%時(shí)，錳的作用效果處于飽和狀態(tài)。因此，錳的含量一般控制在O. 4 O. 6%范圍內(nèi)。Cr :0.6 O. 8%鉻通過增加淬透性，提高鋼的強(qiáng)度和耐硫化氫的腐蝕性；具有調(diào)整碳化物析出量增強(qiáng)鋼的強(qiáng)度的功能，其彌散碳化物也是氫的強(qiáng)陷阱。使其發(fā)揮效果的含量在O. 6%以上，但鉻含量過高，促進(jìn)了碳化物的析出量，降低鋼的耐硫化氫腐蝕能力。因此，鉻的含量一般控制在O. 60 O. 80%的范圍內(nèi)。Mo :1.2 I. 6%鑰是最有效的抗H2S元素，和硫一起形成彌散的析出物，從而使固溶硫降低，另方面彌散的碳化鑰是氫的強(qiáng)陷阱，從而使可擴(kuò)散富積的氫量大大降低，具有提高鋼的淬透性和固溶強(qiáng)化及降低耐硫化氫腐蝕速度的性能。使鑰發(fā)揮效果的含量在I. 20%以上，但鑰的含量過高的話，鑰的作用效果處于飽和狀態(tài)，還容易產(chǎn)生微觀偏析，需要長時(shí)間的高溫?cái)U(kuò)散，增加制造成本。因此，鑰的含量一般控制在I. 20 I. 60%的范圍內(nèi)。
Al :0. 01 O. 05%鋁作為脫氧劑具有還原作用，能提高鋼的韌性和加工性。當(dāng)鋁的含量過大時(shí)，含鋁合金物增加會降低韌性，金屬表面產(chǎn)生缺陷的概率增大。因此，鋁的含量一般控制在O. 01 O. 05%的范圍內(nèi)。
Ti :0· 002 O. 05%鈦能形成碳化物和氮化物，提高鋼的強(qiáng)度；固化鋼中的氮，增加鋼的韌性。為得到鈦的這種作用，需要鈦的含量達(dá)到O. 002%以上。但是，鈦的含量超過O. 05%時(shí)，就作為粗大的氮化物存在，降低耐硫化物腐蝕性能。因此，鈦的含量控制在O. 002 O. 05%范圍內(nèi)。V :0.05 O. 10%釩在回火處理時(shí)，能夠細(xì)化晶粒，形成碳化物，提高鋼的強(qiáng)度和韌性。當(dāng)釩的含量超過O. 05%時(shí)，就能夠充分發(fā)揮作用；但當(dāng)釩的含量超過O. 10%時(shí)，韌性就降低。因此，釩的含量控制在O. 05 O. 10%范圍內(nèi)。Nb :0· 005 O. 015%鈮在高溫形成碳氮化合物，防止結(jié)晶的粗大化，提高鋼的強(qiáng)度和耐硫化氫腐蝕性能。當(dāng)鈮的含量超過O. 005%時(shí)，就能發(fā)揮作用，但鈮的含量超過O. 015%時(shí)，在微觀偏析帶就容易產(chǎn)生粗大碳氮化合物，相反降低耐硫化氫腐蝕性能。因此，鈮的含量控制在O. 005 O. 015%范圍內(nèi)。Ca :0· 0003 O. 005%鈣同鋼中的硫反應(yīng)形成硫化物，改善硫元素的形態(tài)，提高鋼的耐硫化氫腐蝕能力。當(dāng)鈣含量超過O. 0003 %時(shí)，就能發(fā)揮作用，但鈣含量超過O. 005 %時(shí)，鋼中的介在物含量增加，鋼的純凈度降低，反而降低耐硫化氫腐蝕性能。因此，鈣的含量控制在O. 0003 O. 005%范圍內(nèi)。B < O. 002%硼具有雜質(zhì)的含量水平就能提高鋼的淬透性，但添加過剩的硼會在鋼中形成粗大的硼化物，降低鋼的耐硫化氫腐蝕性能。為此，硼的含量控制在O. 002%以下的范圍內(nèi)。P^O. 015%磷是鋼中的雜質(zhì)，會造成晶粒偏析帶來韌性降低。為提高韌性和耐蝕性，要盡量降低其含量。但又不能不考慮煉鋼的成本，可是為了得到更好的耐硫化氫腐蝕性能，磷的含量控制在O. 015%以下。S^O. 005%硫是鋼中雜質(zhì)元素，要盡量降低其含量，但又不能不考慮煉鋼的成本。為提高韌性和耐硫化氫腐蝕性能，硫的含量控制在O. 005%以下。N :0· 003 O. 010%，氮同鋁、鈦、鈮等元素結(jié)合形成氮化物，具有強(qiáng)化細(xì)化晶粒的作用，提高鋼的強(qiáng)度和硬度。含氮量過高的話，不僅招致氮化鋁和氮化鈦的晶粒粗大，而且同硼形成氮化物，顯著降低淬透性。因此，氮含量控制在O. 003% O. 010%范圍內(nèi)。本發(fā)明的耐硫化氫腐蝕的高強(qiáng)韌性石油套管的制造方法包括下述步驟(1)配料冶煉采用海綿鐵和廢鋼做煉鋼原料，用電弧偏心爐(EFA)熔化成鋼水，經(jīng)爐外精煉(LF)和真空(VD)脫氣方法，再經(jīng)Ca處理，控制鋼中雜質(zhì)的含量和形狀，提高鋼的純凈度，得到制造石油套管的鋼水按重量百分比為C :0. 15 O. 20%, Si :0. I 0.2%、Mn :0. 4 O. 6 %、Cr :0. 6 O. 8 %、Mo :1. 2 I. 6 %、Al :0. 01 O. 05 %、Ti :0. 002
O.05%, V 0. 05 O. 10%, Nb 0. 005 O. 015%, Ca 0. 0003 O. 005%, B < O. 002%,P 彡 O. 015%、S 彡 O. 005%, N 0. 003 O. 010%，余量為鐵。其中，Mo、V、Cr 和 Mn 的添加量滿足 12V+1-M。彡 0、Mo-(Cr+Mn)彡 O。(2)連鑄連軋上述高純凈鋼水連鑄成管坯，將冷卻后的管坯裝入環(huán)形加熱爐內(nèi)加熱，管坯加熱溫度為1210 1220°C，熱定心溫度1120 1150°C，熱穿孔溫度1050 1100°C，連軋的終軋溫度不低于1000°C，定減徑的終軋溫度不低于950°C，冷卻，鋸切。
環(huán)形爐管坯加熱溫度1210 1220°C，允許溫差±5°C，出爐溫度不低于1200°C。為了提高溫度控制精度，環(huán)形加熱爐沿圓周方向上分成7個(gè)控制區(qū)，預(yù)熱段占一個(gè)控制區(qū)，加熱段占四個(gè)控制區(qū)，均熱段占一個(gè)控制區(qū)，出料段占一個(gè)控制區(qū)，其中，預(yù)熱段的溫度為540±20°C，加熱段的溫度為1210±5°C，均熱段溫度為1215±5°C，管坯的加熱曲線是一條漸進(jìn)1215°C的拋物線。管坯的均勻化處理是重要的一環(huán)。如果加熱不均勻，鑰和鈮等產(chǎn)生的微觀偏析帶將殘留，在調(diào)質(zhì)處理時(shí)會發(fā)生組織不均。尤其鈮形成碳化物的能力極強(qiáng)，即使少量的鈮，也會在偏析帶形成I μ m以上的碳化物，這種碳化物耐硫化氫的能力極低。一般加熱溫度不滿1200°C，鈮化物不能完全溶解；保溫時(shí)間不滿10小時(shí)，微觀偏析不能解消。在1215°C溫度下保溫不低于10小時(shí)，能使偏析的鑰均一擴(kuò)散，析出的尺寸Iym以上的鈮化物溶解。定心和穿孔工藝采用熱定心和曼內(nèi)斯曼法穿孔，減小合金鋼的穿孔剪切應(yīng)變，防止毛管的表面產(chǎn)生裂紋、折迭、離層等缺陷，保證毛管的幾何尺寸和形狀精度，熱定心溫度1120 1150°C，熱穿孔溫度為1050 1100°C。連軋工藝連軋工藝的目的在于將穿孔工序移送來的毛管進(jìn)行減徑、延伸并相應(yīng)減壁，同時(shí)改善荒管內(nèi)外表面粗燥度，提高壁厚均勻性。連軋采用限動(dòng)芯棒軋制，控制連軋機(jī)各軋輥的壓下量，保證管坯的精度。當(dāng)連軋的溫度低于1000°C時(shí)，毛管的變形抗力過大，產(chǎn)生工具摩耗問題。另一方面，當(dāng)連軋的溫度高于1100°c時(shí)，金屬晶粒過于粗大，耐硫化氫腐蝕性能降低。因此，軋制溫度控制在1000 1100°C之間。定減徑工藝定減徑過程是一個(gè)空心體連軋的過程，除了起定徑的作用外，一般還要求有較大的減徑率，一般總的減徑率控制在10 25%范圍內(nèi)。三輥定減徑軋機(jī)的架數(shù)為24，終軋溫度控制在不低于950°C。定減徑軋制的終軋溫度低于950°C時(shí)，就會析出粗大的鈮化合物。鈮化合物在熱處理過程中也不溶解，成為降低耐硫化氫腐蝕性能的主要因素。冷床冷卻在定減徑軋制機(jī)組的后面設(shè)置冷床，使定減徑軋制后的荒管進(jìn)入冷床，冷至Ar3臨界溫度以下40°C 60°C，細(xì)化晶粒，然后直接送入熱處理的再加熱爐，通過在線熱處理節(jié)約能源。管加工采用淬火后與2次回火的熱處理工藝，淬火溫度為910°C ±30°C，淬火介質(zhì)為油性淬火液；一次回火溫度在680 720°C保溫時(shí)間30分 50分鐘，采用空冷；二次回火溫度在550°C 590°C下保溫時(shí)間60 分 90分鐘，空冷?；墓軣崽幚砗螅杞?jīng)行二次定徑和矯直處理，二次定徑溫度在550 600°C之間，熱矯直溫度在500°C 540°C之間，最后探傷。淬火工藝為得到回火馬氏體組織，需要在奧氏體區(qū)域進(jìn)行淬火。定減徑軋制后的荒管直接進(jìn)入設(shè)置在定減徑軋機(jī)后面的冷床，在冷床上風(fēng)冷至Ar3臨界溫度以下40°C 60°C，鋸切后裝入設(shè)在冷床后面的再加熱爐，加熱到在880°C 940°C的溫度范圍。當(dāng)淬火溫度高于940°C，促進(jìn)晶粒生長，會導(dǎo)致奧氏體晶粒粗大，降低耐硫化氫腐蝕能力；溫度低于880°C，得不到均勻的淬火組織，會析出粗大的鈮化合物，一部分組織會有可能變?yōu)殍F氧體。加熱的目的就是消除鋼管長度方向上的溫度差異，均勻化組織。確定荒管加熱溫度為910°C ±30°C，保溫15分鐘，充分形成奧氏體，淬火介質(zhì)采用油性淬火液，以保證20°C /秒的冷卻速度，得到充分的馬氏體組織。為細(xì)化奧氏體晶粒，淬火后可以將管坯再次在880°C 940°C的奧氏體域內(nèi)加熱，進(jìn)行第二次的淬火。一次回火工藝回火在低于Acl臨界溫度進(jìn)行，以充分得到回火馬氏體組織，使鋼管具有高的屈服比，提高無縫鋼管的高耐硫化氫腐蝕性能?；鼗饻囟瓤刂圃?80°C 720°C下保溫時(shí)間30分 50分鐘，采用空冷?；鼗鹗强刂撇牧暇哂心土蚧瘹涓g性能和強(qiáng)度的組織的重要過程。在680°C 720°C保溫30分 50分的回火能防止碳化物的晶粒粗大化及析出，降低晶格畸變程度。高于720°C或超出50分鐘的回火，不但析出粗大的碳化物，降低耐硫化氫腐蝕性能，而且2次回火時(shí)析出的固溶體減少，強(qiáng)度低下。達(dá)不到680°C或不足30分鐘回火，不能充分降低晶格畸變，耐硫化氫腐蝕性能低下，而且回火不充分，2次回火時(shí)產(chǎn)生的固溶體很少。二次回火工藝二次回火溫度在550°C 590°C下保溫時(shí)間60分 90分鐘，采用空冷。在550°C 590°C溫度，保溫時(shí)間60分 90分鐘，能抑制I次回火時(shí)析出的碳化物的粗大化，使微細(xì)的針狀碳化物向晶格的間隙析出，使晶格發(fā)生畸變，能提高管坯的硬度和強(qiáng)度。于590°C或超出90分鐘的回火，析出粗大的碳化物；達(dá)不到550°C或不足60分鐘的回火，微細(xì)的針狀碳化物析出不充分，管坯的硬度和強(qiáng)度不足。二次定徑工藝選擇合理的定徑參數(shù)，二次定徑的直徑變形率達(dá)到3% 5%，使石油套管的表面產(chǎn)生一定的殘余壓應(yīng)力，改善石油套管的力學(xué)性能，提高石油套管的尺寸和圓度精度。二次定徑溫度控制在550 600°C范圍內(nèi)。熱矯直工藝選擇最佳的矯直壓下系數(shù)，可減小矯直加工所產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，提高石油套管的圓度和直線度，改善石油套管的性能。該矯直壓下系數(shù)一般是O. 64 O. 77倍的無縫鋼管彈性極限變形。 熱矯直溫度在500 V 540 V之間。采用本發(fā)明的方法制造的具有高強(qiáng)韌性的石油套管，其屈服強(qiáng)度897MPa以上，極限強(qiáng)度彡961MPa，沖擊韌性(縱向)彡80J。所述石油套管的力學(xué)性能達(dá)到的指標(biāo)如下屈服強(qiáng)度897 941MPa極限強(qiáng)度>961MPa沖擊韌性(縱向)彡80J 用NACE的TM 0177-2005A標(biāo)準(zhǔn)方法測量的耐硫化氫腐蝕值合格殘余應(yīng)力<115Mpa石油套管的幾何尺寸直徑的誤差范圍0· 995% Dmm 1.01% Dmm不圓度<I. 1mm壁厚彡-8.0% t 8. 0% t直度管端<I. 5mm/m,管體< I. 5%0實(shí)施例I制造尺寸為244. 5X11. 99mm的石油套管的具體過程如下采用海綿鐵和廢鋼做煉鋼原料，用電弧爐熔化成鋼水，經(jīng)爐外精煉和真空脫氣后，獲得鋼水的化學(xué)成份按重量百分比為c 0. 20%, Si 0. 18%, Mn :0. 51%, Cr :0. 68%, Mo I. 44%, Al 0. 02%, Ti :0. 017%, V :0. 07%, Nb :0. 011%, Ca :0. 0031%, B :0. 0015%, P
O.011%, S 0. 001%,N 0. 005%，余量為鐵。12V+1-MO = 12X0. 07+1-1. 44 = O. 4Mo- (Cr+Mn) = I. 44- (O. 68+0. 51) = O. 25。將上述高純凈鋼水連鑄成管坯。將冷卻后的管坯在環(huán)形加熱爐內(nèi)加熱，管坯加熱溫度1215°C、保溫11小時(shí)，熱定心溫度為1140°C，采用曼內(nèi)斯曼方法熱穿孔、熱穿孔溫度為10700C，限動(dòng)芯棒車L制及減徑軋制、連軋的終軋溫度不低于1014°C，最終的定減徑軋制溫度控制在962°C，處于Ar3臨界溫度以上。定減徑軋制后的荒管直接進(jìn)入定減徑軋制機(jī)組后面的冷床，風(fēng)冷至650-670°C，細(xì)化晶粒。冷卻后的荒管鋸切后直接送入熱處理的再加熱爐，力口熱到890°C保溫15分鐘，進(jìn)行淬火熱處理，淬火介質(zhì)為油性淬火液，冷卻速度為20°C /秒。在685°C均勻加熱45分鐘，進(jìn)行I次回火處理；在5801均勻加熱80分鐘，進(jìn)行2次回火處理。在560°C二次熱定徑，二次定徑的直徑變形率控制在3. 8%左右。在520°C熱矯直，矯直壓下系數(shù)取O. 68倍的鋼管彈性極限變形，最后探傷得到成品石油套管。得到的套管的力學(xué)性能達(dá)到的指標(biāo)如下屈服強(qiáng)度932MPa極限強(qiáng)度99IMPa沖擊韌性(縱向)86J用NACE的TM 0177-2005A標(biāo)準(zhǔn)方法測量的耐硫化氫腐蝕值合格殘余應(yīng)力92·3MPa
石油套管的幾何尺寸直徑范圍245.64 (D+0. 46% D)mm 246. 19 (D+0. 69% D)mm不圓度<0.8_壁厚≤-4.9% t 8. 2% t直度管端≤I. 2mm/m，管體≤I. 0%。。實(shí)施例2制造尺寸為244. 5X11. 99mm的石油套管的具體過程如下采用海綿鐵和廢鋼做煉鋼原料，用電弧爐熔化成鋼水，經(jīng)爐外精煉和真空脫氣后，獲得鋼水的化學(xué)成份按重量百分比為c 0. 16%, Si 0. 15%, Mn :0. 52%, Cr :0. 65%, Mo I. 56%, Al 0. 02%, Ti 0. 004%, V 0. 08%, Nb 0. 006%, Ca 0. 0026%, B 0. 0012%, P
0.010%, S 0. 003%,N 0. 004%，余量為鐵。12 V+1-Mo = 12X0. 08+1-1. 56 = 0. 4Mo- (Cr+Mn) = I. 56-(0. 65+0. 52) = 0. 39。將上述高純凈鋼水連鑄成管坯。將冷卻后的管坯在環(huán)形加熱爐內(nèi)加熱，管坯加熱溫度為1215°C、保溫13小時(shí)，熱定心溫度為1140°C，采用曼內(nèi)斯曼方法熱穿孔，熱穿孔溫度為1080°C，限動(dòng)芯棒軋制及減徑軋制、連軋的終軋溫度不低于1010°C，最終的定減徑軋制溫度控制在960°C，處于Ar3臨界溫度以上。定減徑軋制后的荒管直接進(jìn)入定減徑軋制機(jī)組后面的冷床，風(fēng)冷至650-670°C，細(xì)化晶粒。冷卻后的荒管鋸切后直接送入熱處理的再加熱爐，加熱到920°C保溫15分鐘，進(jìn)行淬火熱處理，淬火介質(zhì)為油性淬火液，冷卻速度為20°C /秒。在710°C均勻加熱40分鐘，進(jìn)行I次回火處理；在580°C均勻加熱80分鐘，進(jìn)行2次回火處理。在560°C二次熱定徑，二次定徑的直徑變形率控制在3.6%。在520°C熱矯直，矯直壓下系數(shù)為O. 71倍的鋼管彈性極限變形，最后探傷得到成品石油套管。得到的套管的力學(xué)性能達(dá)到的指標(biāo)如下屈服強(qiáng)度897MPa極限強(qiáng)度993MPa沖擊韌性(縱向)87J 用NACE的TM 0177-2005A標(biāo)準(zhǔn)方法測量的耐硫化氫腐蝕值合格殘余應(yīng)力113·9MPa石油套管的幾何尺寸直徑范圍244.77mm(D+0. 11% D) 246. 23mm(D+0. 77% D)不圓度<0.8_壁厚彡-5.5% t 7. 3% t直度管端<I. Omm/m,管體< O. 8%0。實(shí)施例3制造尺寸為244. 5X11. 99mm的石油套管的具體過程如下采用海綿鐵和廢鋼做煉鋼原料，用電弧爐熔化成鋼水，經(jīng)爐外精煉和真空脫氣后，獲得鋼水的化學(xué)成份按重量百分比為c 0. 19%, Si 0. 19%, Mn :0. 53%, Cr :0. 76%, Mo
1.31%, Al 0. 04%, Ti :0. 040%, V :0. 07%, Nb :0. 008%, Ca :0. 0015%, B :0. 0013%, P
O.008%, S 0. 002%,N 0. 009%，余量為鐵。
12 V+1-Mo = 12X0. 07+1—1. 31 = 0. 53Mo-(Cr+Mn) = I. 31-(0. 76+0. 53) = 0. 02。將上述高純凈鋼水連鑄成管坯。將冷卻后的管坯在環(huán)形加熱爐內(nèi)加熱，管坯加熱溫度為1210°C、保溫11小時(shí)，熱定心溫度為1140°C，采用曼內(nèi)斯曼方法熱穿孔，熱穿孔溫度為1080°C，限動(dòng)芯棒軋制及減徑軋制、連軋的終軋溫度不低于1050°C，最終的定減徑軋制溫度控制在965°C，處于Ar3臨界溫度以上。定減徑軋制后的荒管直接進(jìn)入定減徑軋制機(jī)組后面的冷床，風(fēng)冷至650-670°C，細(xì)化晶粒。冷卻后的荒管鋸切后直接送入熱處理的再加熱爐，加熱到900°C保溫15分鐘，進(jìn)行淬火熱處理，淬火介質(zhì)為水性淬火液，冷卻速度為20°C /秒。在695°C均勻加熱45分鐘，進(jìn)行I次回火處理；在580°C均勻加熱80分鐘，進(jìn)行2次回火處理。在560°C二次熱定徑，二次定徑的直徑變形率控制在4. 1%。在520°C熱矯直，矯直壓下系數(shù)為O. 69倍的鋼管彈性極限變形，最后探傷得到成品石油套管。得到的套管的力學(xué)性能達(dá)到的指標(biāo)如下 屈服強(qiáng)度924MPa極限強(qiáng)度987MPa沖擊韌性(縱向)83J用NACE的TM 0177-2005A標(biāo)準(zhǔn)方法測量的耐硫化氫腐蝕值合格殘余應(yīng)力107·5MPa石油套管的幾何尺寸直徑范圍245.71(D+0. 49 % D) mm 246. 76 (D+0. 92 % D) mm不圓度<O. 6mm壁厚彡-4.5% t 7. 0% t直度管端<I. 2mm/m,管體< I. 1%0。實(shí)施例4制造尺寸為244. 5X11. 99mm的石油套管的具體過程如下采用海綿鐵和廢鋼做煉鋼原料，用電弧爐熔化成鋼水，經(jīng)爐外精煉和真空脫氣后，獲得鋼水的化學(xué)成份按重量百分比為c 0. 18%, Si 0. 18%, Mn :0. 51%, Cr :0. 70%, Mo I. 34%,A1 0. 030%,Ti :0. 020%,V :0. 075%,Nb :0. 007%,Ca :0. 0015%,B :0. 0013%,P
O.010%, S 0. 004%,N 0. 006%，余量為鐵。12V+l-Mo = 12X0. 075+1-1. 34 = O. 56Mo- (Cr+Mn) = I. 34- (O. 70+0. 51) = O. 31。將上述高純凈鋼水連鑄成管坯。將冷卻后的管坯在環(huán)形加熱爐內(nèi)加熱，管坯加熱溫度為1210°C、保溫13小時(shí)，熱定心溫度為1135°C，采用曼內(nèi)斯曼方法熱穿孔、熱穿孔溫度為1075°C，限動(dòng)芯棒軋制及減徑軋制、連軋的終軋溫度不低于1060°C，最終的定減徑軋制溫度控制在970°C，處于Ar3臨界溫度以上。定減徑軋制后的荒管直接進(jìn)入定減徑軋制機(jī)組后面的冷床，風(fēng)冷至670-650°C，細(xì)化晶粒。冷卻后的荒管鋸切后直接送入熱處理的再加熱爐，加熱到900°C保溫15分鐘，進(jìn)行淬火熱處理，淬火介質(zhì)為水性淬火液，冷卻速度為20°C /秒。在700°C均勻加熱40分鐘，進(jìn)行I次回火處理；在580°C均勻加熱75分鐘，進(jìn)行2次回火處理。在565°C二次熱定徑，二次定徑的直徑變形率控制在3.9%。在525°C熱矯直，矯直壓下系數(shù)為O. 74倍的鋼管彈性極限變形，最后探傷得到成品石油套管。
得到的套管的力學(xué)性能達(dá)到的指標(biāo)如下屈服強(qiáng)度92IMPa極限強(qiáng)度1013MPa沖擊韌性(縱向)81J用NACE的TM 0177-2005A標(biāo)準(zhǔn)方法測量的耐硫化氫腐蝕值合格
殘余應(yīng)力97·7MPa石油套管的幾何尺寸直徑范圍245.43 (D+0. 38% D)mm 246. 26 (D+0. 72% D)mm不圓度<0.8_壁厚彡-5.4% t 6. 3% t直度管端<I. 4mm/m,管體< I. 2%。。實(shí)施例5制造尺寸為244. 5X11. 99mm的石油套管的具體過程如下采用海綿鐵和廢鋼做煉鋼原料，用電弧爐熔化成鋼水，經(jīng)爐外精煉和真空脫氣后，獲得鋼水的化學(xué)成份按重量百分比為C 0. 18%, Si 0. 15%, Mn :0. 55%, Cr :0. 72%, Mo
I.46%, Al 0. 04%, Ti :0. 030%, V :0. 09%, Nb :0. 011%, Ca :0. 0032%, B :0. 0015%, P
O.010%, S 0. 002%,N 0. 007，余量為鐵。12V+1-MO = 12X0. 09+1-1. 46 = O. 62Mo- (Cr+Mn) = I. 46-(0. 72+0. 55) = O. 19。將上述高純凈鋼水連鑄成管坯。將冷卻后的管坯在環(huán)形加熱爐內(nèi)加熱，管坯加熱溫度為1210°C、保溫10小時(shí)，熱定心溫度為1130°C，采用曼內(nèi)斯曼方法熱穿孔、熱穿孔溫度為1080°C，限動(dòng)芯棒軋制及減徑軋制，、連軋的終軋溫度不低于1020°C，最終的定減徑軋制溫度控制在960°C，處于Ar3臨界溫度以上。定減徑軋制后的荒管直接進(jìn)入定減徑軋制機(jī)組后面的冷床，風(fēng)冷至670-650°C，細(xì)化晶粒。冷卻后的荒管鋸切后直接送入熱處理的再加熱爐，加熱到900°C保溫15分鐘，進(jìn)行淬火熱處理，淬火介質(zhì)為水性淬火液，冷卻速度為20°C /秒。在690°C均勻加熱45分鐘，進(jìn)行I次回火處理；在580°C均勻加熱80分鐘，進(jìn)行2次回火處理。在570°C二次熱定徑，二次定徑的直徑變形率控制在4.2%。在530°C熱矯直，矯直壓下系數(shù)為O. 69倍的鋼管彈性極限變形，最后探傷得到成品石油套管。得到的套管的力學(xué)性能達(dá)到的指標(biāo)如下屈服強(qiáng)度905MPa極限強(qiáng)度975MPa沖擊韌性(縱向)89J用NACE的TM 0177-2005A標(biāo)準(zhǔn)方法測量的耐硫化氫腐蝕值合格殘余應(yīng)力104.9MPa石油套管的幾何尺寸直徑范圍245.77(D+0. 52% D)mm 246. 63 (D+0. 87% D)mm不圓度<O. 7mm壁厚彡-4.2% t 6. 8% t直度管端<I. lmm/m,管體< O. 9%0。
權(quán)利要求
1.一種耐硫化氫腐蝕的高強(qiáng)韌性石油套管，其特征在于，按重量百分比由下述成分組成C 0. 15 O. 20 %、Si :0. I O. 2 %、Mn :0. 4 O. 6 %、Cr :0. 6 O. 8 %、Mo 1. 2 I.6%,Al :0. 01 O. 05%,Ti :0. 002 O. 05%,V :0. 05 O. 10%,Nb :0. 005 O. 015%,Ca 0. 0003 O. 005%,B < O. 002%,P ( O. 015%,S ( O. 005%,N 0. 003 O. 010%，余量的Fe，其中Mo、V、Cr和Mn的添加量滿足12V+l_Mo彡0、Mo_(Cr+Mn)彡O。
2.—種權(quán)利要求I所述的耐硫化氫腐蝕的高強(qiáng)韌性石油套管的制造方法，其特征在于，包括下述步驟 (1)配料冶煉 采用海綿鐵和廢鋼做煉鋼原料，用電弧偏心爐熔化成鋼水，經(jīng)爐外精煉和真空脫氣方法，再經(jīng)Ca處理，得到制造石油套管的鋼水按重量百分比為C:0. 15 O. 20 %、Si :O.I O. 2%、Mn :0· 4 O. 6%、Cr :0· 6 O. 8%、Mo :1· 2 I. 6%、Al :0. 01 O. 05%、Ti :0. 002 O. 05%, V :0. 05 O. 10%, Nb :0. 005 O. 015%, Ca :0. 0003 O. 005%, B <O. 002%, P ^ O. 015%, S ( O. 005%, N 0. 003 O. 010%，余量為鐵；其中 Mo、V、Cr 和Mn的添加量滿足12V+l-Mo彡0、Mo_(Cr+Mn)彡O ； (2)上述鋼水連鑄成管坯，管坯冷卻后裝入加熱爐，管坯在1210-1220°C加熱保溫不低于10小時(shí)，管坯的熱定心溫度為1120-1150°C，管坯熱穿孔溫度為1050 1100°C，連軋的終軋溫度不低于1000°C，定減徑軋制的終軋溫度不低于950°C ； (3)完成定減徑軋制的荒管在冷床上冷卻至650-670°C，然后采用淬火與2次回火相結(jié)合的熱處理工藝，加熱到淬火溫度后，保溫15分鐘后，進(jìn)行淬火處理，淬火介質(zhì)為油性淬火液，淬火溫度為910°C ±30°C;—次回火溫度在680 720°C下保溫30分 50分鐘，采用空冷，二次回火溫度在550°C 590°C下保溫60分 90分鐘，空冷；石油套管熱處理后，經(jīng)二次熱定徑和熱矯直處理得到耐硫化氫腐蝕的高強(qiáng)韌性石油套管，二次熱定徑溫度在550 600 V之間，熱矯直溫度在500 V 540 V之間。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的耐硫化氫腐蝕的高強(qiáng)韌性石油套管的制造方法，其特征在于，淬火液保障20°C /秒的冷卻速度，得到充分的馬氏體組織。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的耐硫化氫腐蝕的高強(qiáng)韌性石油套管的制造方法，其特征在于，二次熱定徑的直徑變形率為3% 5 %。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的耐硫化氫腐蝕的高強(qiáng)韌性石油套管的制造方法，其特征在于，熱矯直壓下系數(shù)是O. 64 O. 77倍的無縫鋼管彈性極限變形。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種耐硫化氫腐蝕的高強(qiáng)韌性石油套管及其制造方法，旨在提供一種能夠滿足含硫化氫氣體的深油氣層開采的需要，耐沖擊性能高的石油套管及其制造方法。按重量百分比的組成為C0.15～0.20％、Si0.1～0.2％、Mn0.4～0.6％、Cr0.6～0.8％、Mo1.2～1.6％、Al0.01～0.05％、Ti0.002～0.05％、V0.05～0.10％、Nb0.005～0.015％、Ca0.0003～0.005％、B＜0.002％、P≤0.015％、S≤0.005％、N0.003～0.010％，余量的Fe，Mo、V、Cr和Mn的添加量滿足12V+1-Mo≥0、Mo-(Cr+Mn)≥0。該石油套管通過綜合控制公式控制錳、鉻和鉬的含量，通過優(yōu)化設(shè)計(jì)各成份含量提高了耐硫化氫腐蝕的能力和沖擊韌性。
文檔編號C21D8/10GK102618791SQ20121012054
公開日2012年8月1日 申請日期2012年4月23日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月23日
發(fā)明者宗衛(wèi)兵, 李連進(jìn), 王惠斌 申請人:天津商業(yè)大學(xué)