本發(fā)明屬于低合金鋼制造
技術(shù)領(lǐng)域：
，主要涉及一種在400℃甚至更高溫度環(huán)境下使用的性能優(yōu)異的熱采井用油井管及其制造方法。
背景技術(shù)：
：全球已探明的稠油資源儲量超過3000億噸，而可供開采的資源約為1700億噸。過去稠油開采主要集中在美洲大陸，近20年來亞洲的稠油開采也得到了發(fā)展。20世紀(jì)80年代初，我國的稠油資源才開始得到工業(yè)性開發(fā)，至2002年產(chǎn)量達(dá)1300萬噸，占全國原油產(chǎn)量的8％。稠油熱采對油井管的性能提出了特殊的要求，需要開發(fā)適合不同區(qū)塊的高性能油井管，以達(dá)到安全開采和增產(chǎn)增效的目的?！笆濉逼陂g，新疆、勝利、吉林和遼河等油田的稠油熱采井進(jìn)一步擴(kuò)大了開采規(guī)模，稠油熱采井用油套管的用量不斷增多，且隨著稠油熱采后期開發(fā)難度增大，為保持增加或不降低采油率的目的，油田通過技術(shù)創(chuàng)新，逐漸出現(xiàn)熱驅(qū)、火驅(qū)等新的稠油開采技術(shù)，相應(yīng)的也對熱采井用油井管材提出了新的更高的性能要求，主要表現(xiàn)為管材的作業(yè)溫度由傳統(tǒng)的300℃、350℃提高到目前的400℃甚至更高溫度，有的油田區(qū)塊還要求管材的強度級別由80ksi、90ksi提高到110ksi、125ksi甚至更高，因此，需要針對熱采油井新的技術(shù)要求設(shè)計制造專用油井管管材，以滿足油田的使用需要。公開號為cn1288071a的中國專利公開了一種超稠油熱采井用高強度石油套管及其生產(chǎn)方法，主要采用中碳cr-mo鋼通過調(diào)質(zhì)熱處理制造，其化學(xué)成分為c0.20％～0.33％，si0.23％～0.34％，mn 0.80％～1.40％，cr0.60％～1.40％，mo0.10％～0.26％，0＜ni≤0.30％，0＜cu≤0.30％，p≤0.15％，s≤0.12％。其制造方法為：以廢鋼和海綿鐵為原料，采用電弧爐煉鋼，經(jīng)爐外精練和脫氣后，將鋼水連鑄成圓坯，然后進(jìn)行熱軋制成無縫鋼管，并對鋼管實施850～950℃淬火，550～650℃回火的調(diào)質(zhì)熱處理，最終完成石油套管的制造。依該方案制造的石油套管具備一定的耐熱性能，可以滿足早期的300℃溫度條件的熱采吞吐蒸汽井使用，其不足之處是該設(shè)計產(chǎn)品的常溫屈服強度僅能保證不低于690mpa，即100ksi，由于該產(chǎn)品在高溫作業(yè)時強度要發(fā)生較明顯的衰減，其實際使用條件下的屈服強度也僅能是不低于80ksi而已，只能滿足早期淺井和作業(yè)溫度不太高的情形下使用，不能滿足更高溫度環(huán)境下及更高屈服強度下限的最新使用要求。公開號為cn101748330a的中國專利公開了一種耐熱套管用鋼及其制造方法，主要采用中碳cr-w的合金設(shè)計，并通過調(diào)質(zhì)熱處理制造，其化學(xué)成分如下：c0.20％～0.30％，si0.10％～0.30％，mn0.40％～1.00％，cr0.50％～1.50％，w0.10％～0.50％，v或al0.01％～0.35％。限定鋼中雜質(zhì)總量低于0.05％。其制造方法為：冶煉、澆鑄、熱軋制成無縫鋼管，并對鋼管實施820～920℃保溫30～60min水淬，580～720℃回火30～90min的調(diào)質(zhì)熱處理。依該方案制造的石油套管具備一定的耐熱性能，可以滿足前期的350℃溫度條件的熱采井使用，其不足之處是該設(shè)計產(chǎn)品在400℃高溫環(huán)境下的屈服強度只能達(dá)到不低于600mpa，也就是說，在400℃高溫環(huán)境的熱采井中只能作為80ksi鋼級油井管使用，應(yīng)用局限性較大，由于實際使用溫度下鋼管的強度級別已經(jīng)降到很低，抵抗外部擠毀、錯斷的能力也大大降低，因此，不能滿足油田日益增長的對熱采井管材的耐熱性能和強度性能的要求。本發(fā)明提供的一種在400℃甚至更高溫度環(huán)境下使用的性能優(yōu)異的熱采井用油井管，其技術(shù)特點是在400℃甚至更高溫度下經(jīng)過衰減的屈服強度仍能達(dá)到758mpa以上，即達(dá)到110ksi，大大高于80ksi鋼級，其不但可以應(yīng)用于淺井和作業(yè)溫度不太高的油井中具有更好的使用性能，關(guān)鍵是還可以應(yīng)用于更深的油井或?qū)κ褂脧姸忍岢龈咭蟮挠途?。技術(shù)實現(xiàn)要素：針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明提供的一種在400℃或更高溫度環(huán)境下使用的性能優(yōu)異的熱采井用油井管及其制造方法，以滿足當(dāng)下及未來市場對高耐熱性能油井管的使用要求。本發(fā)明人通過大量的試驗研究發(fā)現(xiàn)，油井管耐高溫條件下的強度衰減性能除與化學(xué)成分有關(guān)外，還與制造工藝有關(guān)，其本質(zhì)上是鋼的強化機制及晶粒細(xì)化程度在起決定作用。本發(fā)明采用高c、低cr、無mo、w的成分設(shè)計路線，實施無縫制管+特殊的熱處理工藝，最終獲得在400℃或更高溫度環(huán)境下使用的性能優(yōu)異的熱采井用油井管。本發(fā)明的總體技術(shù)方案是：采用高c高mn鋼為基礎(chǔ)，添加cr、ti、nb合金化的合金設(shè)計，產(chǎn)品的合金成本較低，易于實現(xiàn)工業(yè)化批量生產(chǎn)。鋼的合金成分設(shè)計，按重量百分比為：c0.36％～0.60％、si0.46％～0.70％、mn1.60％～1.80％、p≤0.025％、s≤0.015％、cr1.6％～1.8％、nb0.01％～0.03％、ti0.01％～0.03％，余量為fe和不可避免的雜質(zhì)。各主要元素的作用及設(shè)計理由如下：c：提高鋼的淬透性，并與金屬元素形成碳化物，以獲得足夠的強度，含量太低達(dá)不到所期望的強度，含量太高則增加產(chǎn)品的脆硬性，為達(dá)到本發(fā)明的目的，限定c含量范圍為0.36％～0.60％。si：一方面起脫氧作用，另一方面可以提高鋼的彈性極限，改善鋼的抗高溫蠕變性能，含量太低起不到明顯效果，含量太高則損害鋼的塑、韌性，為達(dá)到本發(fā)明的目的，限定si含量范圍為0.46％～0.70％。mn：一方面起脫氧作用，另一方面擴(kuò)大奧氏體區(qū)間，增加過冷奧氏體穩(wěn)定性，提高鋼的淬透性，還有利于鋼材晶粒尺寸的細(xì)化。但mn含量過高時會增加鋼的偏析傾向，易產(chǎn)生內(nèi)部缺陷，綜合考慮，本發(fā)明限定mn的含量范圍1.60％～1.80％。cr：在鋼中與c緊密結(jié)合，形成細(xì)小的碳化物，提高淬透性，提高回火抗力，提高鋼的強度，尤其是高溫下的強度，但含量過高時易使碳化物的形成機制發(fā)生改變，導(dǎo)致cr碳化物的粗大化。為達(dá)到本發(fā)明的目的，限定cr的含量范圍1.6％～1.8％。nb：形成c、n化物，具有細(xì)化晶粒、提高強度和韌性的作用，可以提高鋼的淬透性和回火抗力，提高抗高溫蠕變性能，但含量不宜太高，否則增加鋼的缺陷敏感性。為達(dá)到本發(fā)明的目的，限定nb的范圍為0.01％～0.03％。ti：主要是形成化合物限制熱加工過程中的晶粒長大，獲得細(xì)小的晶粒組織，改善鋼的強、韌性，而且，固定游離的n、c原子，有利于提高鋼的高溫強度性能。但含量太高，其作用將不明顯，而且增加成本，又增加冶煉澆鑄的難度，不利于工業(yè)化實施。為實現(xiàn)本發(fā)明的目的，限定ti的含量范圍0.01％～0.03％。p、s：為鋼中主要的有害元素，降低鋼的韌性及綜合力學(xué)性能，一般希望含量越低越好，但會增加成本，綜合考慮，本發(fā)明限定p≤0.025％、s≤0.015％。本發(fā)明耐高溫?zé)岵删糜途艿闹圃旆椒ㄊ牵簩⑸鲜龌瘜W(xué)成分的鋼經(jīng)過轉(zhuǎn)爐冶煉+圓坯制造+無縫制管+特殊的熱處理工藝。采用熱軋工藝制造圓坯及鋼管，選取合適的加熱溫度1240～1300℃、制管溫度1050～1150℃，根據(jù)產(chǎn)品性能的需要還可對以上參數(shù)范圍進(jìn)一步優(yōu)化縮小，即加熱溫度1260～1280℃、制管溫度1080～1100℃；通過特殊的熱處理工藝，使鋼管的組織、晶粒和碳化物得到精細(xì)與均勻化。本發(fā)明鋼管的熱處理工藝如下：成型后的鋼管在980～1000℃的溫度范圍保溫4～15s，迅速進(jìn)行冷速大于130℃/s的冷卻，冷至200～300℃溫度范圍進(jìn)行恒溫20～40min，之后冷卻至室溫。在本發(fā)明的生產(chǎn)工藝中：選取較高的加熱溫度、制管溫度，可以將c、si、mn、cr、nb、v充分溶解于奧氏體中，為后續(xù)的彌散析出提供保證，并使得鋼管變形更為流暢，減少變形阻力，利于工業(yè)制造的順利進(jìn)行。因此，本發(fā)明將圓坯的加熱溫度規(guī)定為1240～1300℃，制管溫度規(guī)定為1050～1150℃。成型后鋼管溫度及保溫時間的選擇是為了使奧氏體充分均勻化，并避免先共析組織的析出，影響產(chǎn)品整體性能，同時，使奧氏體具有較好的淬透性，便于與后續(xù)熱處理工藝相結(jié)合產(chǎn)生所要達(dá)到的技術(shù)效果。因此，本發(fā)明將成型后鋼管溫度及保溫時間分別規(guī)定為980～1000℃和4～15s。成型后鋼管進(jìn)行快速冷卻及進(jìn)行恒溫保溫很重要，冷速太慢，難以保證過冷奧氏體在到達(dá)恒溫溫度前的穩(wěn)定性，產(chǎn)生不希望得到的f、p類組織，故本發(fā)明將冷卻速度限定為130℃/s以上。恒溫保溫的溫度限定在200～300℃溫度范圍，可以使奧氏體全部轉(zhuǎn)變?yōu)橄仑愂象w，為本發(fā)明達(dá)到所需要的技術(shù)效果起到了最終的保證。所得到的產(chǎn)品具有如下性能特征。耐高溫性能：400℃瞬時拉伸屈服強度≥862mpa；經(jīng)過510h的400℃、400mpa恒載荷拉伸蠕變試驗后的持久屈服強度≥810mpa。常溫力學(xué)性能：屈服強度：＞900mpa；0℃v型缺口試樣夏比沖擊功：≥80j。有益效果：1、本發(fā)明不添加w、co，mo等昂貴金屬，采用高c高mn復(fù)合添加cr、nb、ti實施集約的合金化設(shè)計，制造400℃或更高溫度環(huán)境下使用的熱采井用油井管，解決熱采井用油井管管材耐400℃或更高溫度環(huán)境下強度熱損失失效的技術(shù)難題，且合金成本適中，屬于熱采井用油井管成分設(shè)計的首創(chuàng)。2、采用轉(zhuǎn)爐煉鋼制坯+無縫鋼管成型及特殊的熱處理工藝路線，期間控制鋼管的成型后溫度在980～1000℃之間，并實施快速冷卻，限制合金碳化物的析出，使產(chǎn)品在高溫下使用時發(fā)揮提高回火抗力的作用。3、優(yōu)先采用非離線的特殊熱處理工藝，即采用在線快冷等溫組織轉(zhuǎn)變的工藝生產(chǎn)耐高溫?zé)岵捎途?，產(chǎn)品耐高溫蠕變及抗強度衰減性能優(yōu)異，400℃瞬時拉伸屈服強度≥862mpa；經(jīng)過510h的400℃、400mpa恒載荷拉伸蠕變試驗后的持久屈服強度≥810mpa。4、優(yōu)先采用在線感應(yīng)加熱補溫、均溫，為本產(chǎn)品獲得優(yōu)異的綜合性能提供優(yōu)良的組織保證。5、產(chǎn)品能滿足當(dāng)下及未來市場對高耐熱性熱采油井管的使用要求。6、較適中的合金成本，較低的熱處理能耗，并縮短生產(chǎn)交貨周期，產(chǎn)品更具市場競爭力。具體實施方式本發(fā)明涉及的技術(shù)問題采用下述技術(shù)方案解決：一種耐高溫?zé)岵删糜途芗捌渲圃旆椒ǎ浠瘜W(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)為：c0.36％～0.60％、si0.46％～0.70％、mn1.60％～1.80％、p≤0.025％、s≤0.015％、cr1.6％～1.8％、nb0.01％～0.03％、ti0.01％～0.03％，余量為fe和不可避免的雜質(zhì)。加熱溫度1240～1300℃、制管溫度1050～1150℃，成型后的鋼管采用等溫淬火熱處理，在980～1000℃的溫度范圍保溫4～15s，迅速進(jìn)行冷速大于130℃/s的冷卻，冷至200～300℃溫度范圍進(jìn)行恒溫20～40min，之后冷卻至室溫。以下實施例用于具體說明本
發(fā)明內(nèi)容，這些實施例僅為本
發(fā)明內(nèi)容的一般描述，并不對本
發(fā)明內(nèi)容進(jìn)行限制。表1為實施例的鋼的化學(xué)成分，其工藝流程為冶煉連鑄-圓坯制造-無縫制管及特殊熱處理，熱處理優(yōu)先采用在線方式，并采用感應(yīng)均熱。實施例的制管及熱處理具體工藝制度見表2，表3為實施例鋼的主要力學(xué)性能。表1實施例的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，％)實施例csimnpscrnbti例10.360.701.800.0150.011.800.0290.013例20.400.521.700.0180.0111.720.0210.014例30.490.461.700.0100.0081.770.0250.017例40.600.631.600.0130.0121.650.0140.028例50.530.601.800.0140.0131.710.0170.023例60.570.571.700.0120.011.600.0120.02例70.380.651.750.0160.0091.740.0300.010例80.400.541.650.0110.0071.630.0100.030注：余量為fe及不可避免的微量雜質(zhì)。表2實施例的關(guān)鍵工藝制度表3實施例鋼管的主要性能結(jié)果根據(jù)以上結(jié)果可以得出，本發(fā)明提供的耐高溫?zé)岵删糜途芷涑厍姸葹?05～1027mpa，抗拉強度1000～1191mpa，0℃v型缺口試樣夏比沖擊功為80～150j，400℃瞬時拉伸屈服強度為862～926mpa，400℃、510h持久屈服強度為810～842mpa，具有優(yōu)良的耐高溫蠕變及抗強度衰減性能。當(dāng)前第1頁12