專利名稱：110鋼級抗二氧化碳、氯離子腐蝕不銹鋼油井管用鋼的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及油井管用鋼，特別涉及一種高強(qiáng)度、抗高溫(120-150℃)、抗CO2、氯離子腐蝕條件下的110鋼級油井管用鋼。
背景技術(shù)：
API標(biāo)準(zhǔn)L80-13Cr油套管強(qiáng)度為80-95鋼級，最高服役溫度一般為120℃，耐蝕性能小于0.25mm/y，使用在井深不超過4000米的油氣井中。隨著油井和氣井的開發(fā)，井深也在不斷增加，井深超過5000米的富含CO2且超過API標(biāo)準(zhǔn)13Cr鋼管服役條件的油氣井不斷增加，急需耐更高服役溫度(120-150℃)、耐蝕性能更好、強(qiáng)度更高的油套管如110鋼級油套管。為滿足高的強(qiáng)度和高耐蝕性要求，國外各大鋼管廠紛紛研制出非標(biāo)的110鋼級13Cr不銹鋼油套管，如川崎的KO-HP1-13Cr110、住友的低碳SM13CR110等，其化學(xué)成分及性能如表1所示。
表1川崎和住友110鋼級油套管化學(xué)成分

現(xiàn)有耐腐蝕用合金油套管用鋼參見表2，其中特開平11-140594未涉及強(qiáng)度要求，一項強(qiáng)度要求超過110鋼級(2003-105441，95～125Kpsi，-40，30J以上)，但未說明使用環(huán)境，一項強(qiáng)度為80鋼級，其它4項強(qiáng)度要求也均不超過110鋼級。川崎和住友公司的非標(biāo)13Cr均含有較高的鎳和鉬及較低的碳，專利中提到的高Cr合金部分專利如昭61-207550、特開平4-224656、特開平11-140594等也含有較高的鎳和鉬。主要通過增加合金含量特別是Ni和Mo等貴金屬合金，保證耐高溫、CO2、及微量H2S腐蝕性能。對于深井要求耐高溫120-150℃、耐CO2腐蝕而并不要求H2S腐蝕的環(huán)境，高鎳、鉬合金的油套管成本過高。
表2

發(fā)明內(nèi)容鑒于現(xiàn)有API標(biāo)準(zhǔn)L80-13Cr(0.2C-13Cr)油井管強(qiáng)度不能滿足深井要求，而低碳13Cr高合金油套管用鋼含有較高的Ni和Mo等貴金屬合金，成本很高，本發(fā)明的目的在于提供一種110鋼級抗二氧化碳、氯離子腐蝕不銹鋼油井管用鋼，代替目前通用的鎳-鉬系低碳不銹鋼，解決深井油氣田用油套管材料。
為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是，110鋼級抗二氧化碳、氯離子腐蝕不銹鋼油井管用鋼，其成分質(zhì)量百分比為C0.05～0.18Si0.2～1.00Mn0.20～1.00Cr10.0～14.0Ni0.5～3.0Cu0.5～1.5V0.03～0.08其余為Fe和不可避免的雜質(zhì)元素。
另外，本發(fā)明的抗CO2、氯離子腐蝕不銹鋼油井管用鋼還包含Mo0.1-0.5，按質(zhì)量百分比計。
將本發(fā)明鋼通過電爐煉鋼并鍛造(或軋制)開坯，管坯經(jīng)穿孔、熱軋、熱處理、水壓檢驗后并進(jìn)行整體調(diào)質(zhì)熱處理和管端加工，經(jīng)過管體檢驗合格就可制成合格的油套管產(chǎn)品。
C是保證鋼管強(qiáng)度性能及腐蝕性能的必要元素。為保證必要的強(qiáng)度，碳含量不能過低，碳含量低于0.01wt％時淬透性和強(qiáng)度不足；碳含量高于0.2％，導(dǎo)致組織中因碳與鉻形成碳化物而降低晶界鉻含量，降低抗腐蝕性能。同時，碳含量過高，材料的硬度高，韌性變壞，而且耐蝕性將受到影響，需要適當(dāng)限制碳含量。
Cr是提高耐蝕性和強(qiáng)度的主要合金元素。Cr含量小于10％時，耐蝕性不足，Cr含量大于14％時，材料的強(qiáng)度和硬度過高，導(dǎo)致材料的韌性下降。鉻過高也易導(dǎo)致高溫鐵素體形成，降低熱加工性能。
Ni提高腐蝕性能和韌性，有利于高溫軋制，降低形成高溫δ鐵素體傾向。同時對降低冷脆轉(zhuǎn)變溫度有益。Ni加入量過低，效果不明顯，加入量過高則增加成本。
Cu在CO2介質(zhì)中形成保護(hù)膜，提高耐蝕性能。小于0.1％，銅量過低效果不明顯，超過2％，易出現(xiàn)晶界析出，惡化加工性能。銅固溶于鎳中，一般按照Ni∶Cu為1∶2～3較為合理。銅與鎳同樣是奧氏體穩(wěn)定元素，對抑制高溫δ鐵素體和提高耐蝕性有利。
Si加入鋼中起到脫氧和改善耐蝕性的作用，低于0.1％，效果不明顯，大于1％，加工和韌性惡化。
Mn改善鋼的強(qiáng)韌性的元素，小于0.1％時作用不明顯，大于2％，將降低腐蝕性能。
V添加釩可細(xì)化晶粒、提高淬透性，明顯提高材料強(qiáng)度。小于0.01％，作用不明顯，大于0.10％由于析出物粗化，將導(dǎo)致硬度過高，加工性能和韌性將惡化。
Mo提高耐腐蝕特別是耐局部腐蝕性能。鉬還有利于提高材料的強(qiáng)度和淬透性。加入量低于0.01％，效果不明顯，超過0.5％，增加產(chǎn)品成本。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，現(xiàn)有合金的強(qiáng)度要求均不超過110鋼級。上述川崎和住友公司的非標(biāo)13Cr均含有較高的鎳和鉬及較低的碳，專利中提到的高Cr合金部分專利如昭61-207550、特開平4-224656、特開平11-140594等也含有較高的鎳和鉬。其主要通過增加合金含量特別是Ni和Mo等貴金屬合金，保證耐高溫、CO2、及微量H2S腐蝕性能。對于深井要求耐高溫120-150℃、耐CO2腐蝕而并不要求H2S腐蝕的環(huán)境，高鎳、鉬合金的油套管成本過高。本發(fā)明通過在API標(biāo)準(zhǔn)L80-13Cr油套管成分基礎(chǔ)上，只添加一定量的鎳(同時加入0.1-0.5％Mo效果更加)、銅及微量釩達(dá)到110鋼級強(qiáng)度，同時滿足耐120-150℃，CO2及氯離子腐蝕要求。
a、與昭61-207550專利、特開平4-224656專利相比，本發(fā)明通過添加成本較低的銅、釩及少量鉬(不大于0.5％)代替對比專利中較高含量的鉬(0.5-4％)，不僅可以確保腐蝕性能(氯離子腐蝕)、提高機(jī)械性能，同時還可以降低生產(chǎn)成本。
b、與特開平8-120415專利相比，本發(fā)明含有少量的鉬有利于提高耐氯離子腐蝕性能，通過添加釩提高機(jī)械性能，通過添加鎳、銅提高耐腐蝕性能，克服了對比專利產(chǎn)品機(jī)械和腐蝕性能的不足。
c、與特開平11-140594專利相比，本發(fā)明通過提高碳量并添加釩，代替了對比專利合金設(shè)計中的較高的鎳(4-7％)和鉬提高機(jī)械性能。同時，由于該油井管用鋼只要求強(qiáng)度和抗二氧化碳、氯離子腐蝕要求，通過添加少量鉬來進(jìn)一步提高耐點蝕性能，通過復(fù)合加入合金降低產(chǎn)品的成本。
d、與平4-88152專利相比，本發(fā)明較對比專利降低了鉻含量，加銅確保腐蝕性能并提高機(jī)械性能，同時還可以降低生產(chǎn)成本。
e、與昭61-69947專利相比，本發(fā)明專利通過添加釩提高機(jī)械性能，通過添加銅、鎳、鉬提高耐腐蝕性能，克服了對比專利產(chǎn)品耐腐蝕和機(jī)械性能的不足。
f、與特開2003-105441專利相比，對比專利只含有一定量的鉻及少量的鎳，不能滿足120-150℃下的抗CO2及氯離子腐蝕性能要求。本發(fā)明通過添加成本較低的銅、少量的鉬來確?？笴O2及氯離子腐蝕性能，銅也有利于提高機(jī)械性能并降低生產(chǎn)成本。
本發(fā)明的有益效果國外高強(qiáng)度耐二氧化碳、氯離子腐蝕油套管主要合金設(shè)計為在APIL80-13Cr基礎(chǔ)上通過改變某些合金組成如低碳、鎳、鉬復(fù)合添加等方法獲得110鋼級的耐二氧化碳腐蝕油套管。
本發(fā)明通過鎳、銅及少量鉬、釩等合金元素，不僅可以獲得強(qiáng)度等級達(dá)到110鋼級的油井管，而且，由于鎳、銅復(fù)合作用，提高了油套管耐高溫二氧化碳腐蝕能力。該合金復(fù)合添加鎳、銅對改善材料的沖擊韌性也有作用。合金設(shè)計中通過控制一定的碳含量、添加鉻、鎳、銅、釩并添加少量鉬等元素并經(jīng)過適當(dāng)?shù)臒崽幚碇?，獲得溫度120-150℃條件下耐CO2和氯離子腐蝕的強(qiáng)度達(dá)到110鋼級的油套管，較目前使用的低碳高鎳、鉬系列110鋼級油套管材料可以節(jié)省1-2％的鎳及1-2％的鉬，大大降低成本。
具體實施例方式
表3所示為本發(fā)明實施例的化學(xué)成分，及作為對比例的目前油田普遍使用的油套管合金。
表3


表4為本發(fā)明鋼和對比例鋼的力學(xué)性能和抗二氧化碳、氯離子腐蝕性能。腐蝕實驗采用高壓釜，腐蝕實驗分別在120℃和150℃溫度下，二氧化碳分壓2.5MPa并加入3.5％NaCl，介質(zhì)流速設(shè)定為2m/S，實驗時間為168小時，測定腐蝕失重并轉(zhuǎn)換成腐蝕速率，單位mm/a。
表4


從表4的結(jié)果可以看出，本發(fā)明的高合金不銹鋼油套管用鋼耐高溫、二氧化碳及氯離子腐蝕性能與超低碳的鉻、鉬高合金不銹鋼油套管用鋼的強(qiáng)度和耐腐蝕性能相當(dāng)。本發(fā)明用鋼經(jīng)過電爐煉鋼、模鑄(或連鑄)、鍛造(或軋制)開坯、軋制制管及合理的熱處理工藝之后，可以獲得力學(xué)性能滿足110鋼級的非API耐蝕油套管。通過降低鎳含量并適當(dāng)添加少量鉬合金元素可以提高腐蝕性能并降低材料成本。
權(quán)利要求
1.110鋼級抗二氧化碳、氯離子腐蝕不銹鋼油井管用鋼，其成分質(zhì)量百分比為C 0.05～0.18Si0.2～1.00Mn0.20～1.00Cr10.0～14.0Ni0.5～3.0Cu0.5～1.5V 0.03～0.08其余為Fe和不可避免的雜質(zhì)元素。
2.如權(quán)利要求1所述的110鋼級抗二氧化碳、氯離子腐蝕不銹鋼油井管用鋼，其特征是，還包含Mo0.1～0.5，按質(zhì)量百分比計。
全文摘要
110鋼級抗二氧化碳、氯離子腐蝕不銹鋼油井管用鋼，其成分質(zhì)量百分比為C0.05～0.18、Si0.2～1.00、Mn0.20～1.00、Cr10.0～14.0、Ni0.5～3.0、Mo0.1～0.5、Cu0.5～1.5、V0.03～0.08、其余為Fe和不可避免的雜質(zhì)元素。本發(fā)明通過添加鎳、鉬、銅、釩等合金元素，不僅可以獲得強(qiáng)度等級達(dá)到110鋼級的油井管，而且，由于鎳、銅復(fù)合作用，提高了油套管耐高溫二氧化碳腐蝕能力，也改善材料的沖擊韌性。經(jīng)過適當(dāng)?shù)臒崽幚碇?，獲得溫度120－150℃條件下耐CO
文檔編號C22C38/16GK101082109SQ200610027020
公開日2007年12月5日 申請日期2006年5月29日 優(yōu)先權(quán)日2006年5月29日
發(fā)明者畢洪運(yùn), 郭金寶, 龐連昌 申請人:寶山鋼鐵股份有限公司