專利名稱：一種鋼材及其應用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及鋼材料領(lǐng)域，特別是涉及一種鋼材及其應用。
背景技術(shù)：
世界各國開采的油氣田井中使用的油管、油井套管、抽油桿、抽油泵和地面輸送管道等均長期經(jīng)受鹽、氯離子、二氧化碳、硫化氫、硫化物、酸、堿、含有腐蝕性化合物的水等多種腐蝕性介質(zhì)的強烈腐蝕，及砂粒等磨礪性顆粒的強力磨損，因此，油管、油井套管、抽油桿、抽油泵等每年消耗量都非常巨大，開采成本高，資源、能源消耗大，不利于低碳綠色經(jīng)濟的發(fā)展。如何解決油氣田井中使用的油管、油井套管、抽油桿、抽油泵和地面輸送管道等的嚴重腐蝕與磨損問題，如何提高和延長其使用壽命，一直是世界各國科研部門研究的課題， 有效地解決這一問題就顯得十分必要，且迫在眉捷。近幾年來，世界各國中與油田的生產(chǎn)、開發(fā)有關(guān)的高校和科研單位、以及一些公司企業(yè)，對于如何解決油氣田井中所使用的油管、油井套管、抽油桿、抽油泵和地面輸送管道等的嚴重腐蝕與磨損問題開展了大量的研究工作，包括研究如何提高材料的本體性能和材料表面的強化性能等。在研究材料表面的強化性能方面，研究結(jié)果包括擴散鍍鋅油管、脈沖真空氮化防腐抽油桿、鍍滲鎢基合金防腐耐磨油管抽油桿(DSW)、噴涂鎢合金防腐耐磨抽油桿、AOC防腐抽油桿、納米防腐抽油桿等等?，F(xiàn)有的這些防腐抽油桿的共同特點是表面涂層防腐，如擴散鍍層、鍍滲層，以及噴涂層，而這些涂層均采用的是表面強化技術(shù)。這種防腐措施能夠為承受靜載的零件、構(gòu)件或裝置帶來良好的防腐效果和較長的使用壽命，而對于承受交變載荷零部件卻只能在一定的工作時間內(nèi)起到較好的防腐作用。由于表面防腐涂層的力學性能總是與本體材料的力學性能存在差異，致使采用表面涂層防腐的零部件在交變載荷的作用下其表層的應變與本體的應變不一致，因此，當載荷對這一類零部件交變作用一段時間后， 涂層就會產(chǎn)生裂紋或與本體剝離而脫落，此時，本體的腐蝕速度將會顯著加快而出現(xiàn)失效。 顯然，提高材料的本體性能來解決油氣田井中使用的嚴重腐蝕與磨損問題，是一種比較經(jīng)濟和合理的方法途徑。在研究提高材料的本體性能方面，國內(nèi)曾先后開發(fā)出超高強度、貝氏體型、非調(diào)質(zhì)高強度用鋼等，雖然材料的力學性能滿足油氣田井使用要求，但是耐腐蝕性能提高不大，制約它們的大規(guī)模應用。另外，還開發(fā)出普通奧氏體不銹鋼，其是本質(zhì)型防腐材料，廣泛應用于化工、制藥等行業(yè)。但是由于其強度性能一般都比普通合金鋼低，使它的使用范圍受到限制。美國在二十世紀九十年代初曾研制生產(chǎn)出幾種高強度耐腐蝕的合金鋼，其性能非常優(yōu)良，但是其價格十分昂貴，難以在油氣田井開發(fā)工程上大量推廣應用。國際上普遍采用加入能提高合金熱力學穩(wěn)定性和直接阻滯陽極過程的Cr、Ni、Mo等元素，如Mol8-Ni40鎳基合金、Ni22-25Cr不銹鋼等，使材料表面較快形成具有一個或幾個原子層厚度的高穩(wěn)定合金組元的表面保護層腐蝕結(jié)構(gòu)，但是，Cr、Ni、Mo元素的價格較高，加入量超過3% Mo,5% Ni、 18% Cr會顯著增加材料的生產(chǎn)成本。
國內(nèi)開發(fā)的10Cr3MoNi和改型的Crl3等油氣田井用鐵基材料，其耐腐蝕性比 20CrMoA等普通油氣田井用鋼均得到很大的提高，但是，在含硫化氫等多種腐蝕性介質(zhì)中， 其耐腐蝕效果就顯得差，根據(jù)SY 5329-1994《碎屑巖油藏注水水質(zhì)推薦標準》中華人民共和國石油天然氣行業(yè)標準，10Cr3MoNi材料的腐蝕速度達到0. 7634mm/a,改型的Cr 13材料的腐蝕速度達到0. 2564mm/a。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種鋼材，解決了現(xiàn)有技術(shù)中承受拉壓交變載荷下，鋼材腐蝕嚴重的問題。本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)一種鋼材，按重量百分比計含有如下原料組分 0. 015 0. 03%的碳元素、8. 0 12. 0%的鉻元素、2. 5 5. 0%的錳元素、0. 8 2. 0%的鎳元素、0. 15 0. 50%的鉬元素、0. 20 0. 80%的銅元素，80 87. 5%的鐵元素。進一步地，上述鋼材按重量百分比計含有如下原料組分0. 015 0. 03%的碳元素、9. 5 10. 5%的鉻元素、2. 5 3. 0%的錳元素、1. 2 1. 5%的鎳元素、0. 15 0. 50% 的鉬元素、0. 20 0. 60%的銅元素，83. 87 86%的鐵元素。進一步地，上述鋼材中還包括0. 02 0. 10%的鈮元素。進一步地，上述鋼材中還包括0.05 0. 10%的鈦元素。同時，本發(fā)明還提供了一種上述鋼材在油氣田井中的應用。本發(fā)明產(chǎn)生的有益效果如下本發(fā)明所提供的鋼材不但增強了鋼材的機械性能， 并且大幅度地提高了鋼材的高抗介質(zhì)腐蝕性，延長了鋼材的使用壽命。
具體實施例方式應該指出，以下詳細說明都是例示性的，旨在對本發(fā)明提供進一步的說明。除非另有指明，本文使用的所有技術(shù)和科學術(shù)語具有與本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員通常理解的相同含義。在本發(fā)明一種典型的實施方式中提供了一種鋼材，按重量百分比計含有如下原料組分0. 015 0. 03%的碳元素、8. 0 12. 0%的鉻元素、2. 0 5. 0%的錳元素、0. 8 2. 0%的鎳元素、0. 15 0. 50%的鉬元素、0. 20 0. 80%的銅元素，80 87. 5%的鐵元素。在本發(fā)明的一種優(yōu)選地實施方式中，上述鋼材按重量百分比計含有如下原料組分0. 015 0. 03%的碳元素、9. 5 10. 5%的鉻元素、2. 5 3. 0%的錳元素、1. 2 1. 5% 的鎳元素、0. 15 0. 50%的鉬元素、0. 20 0. 60%的銅元素，83. 87 86%的鐵元素。在本發(fā)明的一種更為優(yōu)選地實施方式中，上述井用鋼中還包括0.02 0. 10%的鈮元素或0. 05 0. 10%的鈦元素。鈦或鈮是強碳化物形成元素，在鋼中主要功能都是細化晶粒和形成鈦或鈮的碳化物和氮化物，減少或避免有害的Cr23C6型碳化物析出，從而提高鋼的強度和耐蝕性。在本發(fā)明鋼材中，不可避免的會存在一部分雜質(zhì)元素，如硅、硫以及磷等。在本發(fā)明鋼材中硅質(zhì)量分數(shù)控制在< 0. 30%。三份的硅相當于一份的碳當量，需要嚴格控制硅質(zhì)量分數(shù)。硫質(zhì)量分數(shù)控制在< 0. 004%。鋼中硫化鐵有助于電化學腐蝕，特別抗硫化氫能力差，在冶煉時比現(xiàn)有技術(shù)低一個數(shù)量級。
磷質(zhì)量分數(shù)控制在< 0. 03%。這部分雜質(zhì)的質(zhì)量分數(shù)太多會影響鋼材的使用效果。在冶煉工藝中采取措施嚴格控制。此外，鋼中殘余元素As、Sn、Sb、Pb、Bi對井用鋼的性能有相當大的影響，特別是耐蝕性能，在冶煉工藝中應該不帶入或總量控制在PPm級水平。本發(fā)明所提供的鋼材制備方法與現(xiàn)有技術(shù)中的方法相同，其中，鋼的熔煉溫度為 1650 1550°C，在鋼的冶煉過程中要嚴格控制氧化物系夾雜物對材料性能的影響。鋼的軋制溫度為1200 850°C，堆冷。鋼材的熱處理溫度為600 720°C。冶煉采用電弧爐初煉提供鋼水，用AOD或VOD爐對初煉鋼水進行吹氧脫碳脫硫，進一步合金化調(diào)整成分和溫度、 脫氣等精煉后澆錠。軋機開胚探傷，控溫控冷軋制成型材，熱處理后整理切定尺成材。以下結(jié)合具體實施例1-7對本發(fā)明鋼材做進一步說明，并提供根據(jù)實施例1-7所制備的鋼材進行剛強韌性以及抗腐蝕性實驗數(shù)據(jù)。實施例1原料組份0. 025%的碳元素、10.0%的鉻元素、2. 5%的錳元素、1.5%的鎳元素、 0. 30%的鉬元素、0. 50%的銅元素，其余為鐵。制備方法與現(xiàn)有技術(shù)相同，鋼的熔煉溫度為1650 1550°C，在鋼的冶煉過程中要嚴格控制氧化物系夾雜物對材料性能的影響。鋼的軋制溫度為1200 850°C，堆冷。鋼材的熱處理溫度為600 720V。冶煉采用電弧爐初煉提供鋼水，用AOD或VOD爐對初煉鋼水進行吹氧脫碳脫硫，進一步合金化調(diào)整成分和溫度、脫氣等精煉后澆錠。軋機開胚探傷，控溫控冷軋制成型材，熱處理后整理切定尺成材。實施例2原料組份0. 025%的碳元素、10.0%的鉻元素、2. 5%的錳元素、1.5%的鎳元素、 0. 30%的鉬元素、0. 50%的銅元素，0. 05%的鈮元素，其余為鐵。制備方法同實施例1。實施例3原料組份0. 025%的碳元素、10.0%的鉻元素、2. 5%的錳元素、1.5%的鎳元素、 0. 30%的鉬元素、0. 50%的銅元素，0. 05%的鈦元素、其余為鐵。制備方法同實施例1。實施例4原料組份0. 015 %的碳元素、8. 0 %的鉻元素、2. 5 %的錳元素、0. 8 %的鎳元素、 0. 15%的鉬元素、0. 20%的銅元素，其余為鐵。制備方法同實施例1。實施例5原料組份0. 015 %的碳元素、9. 5 %的鉻元素、2. 5 %的錳元素、1. 2 %的鎳元素、 0. 15%的鉬元素、0. 20%的銅元素，其余為鐵。制備方法同實施例1。實施例6原料組份0. 03%的碳元素、12%的鉻元素、5.0%的錳元素、2.0%的鎳元素、 0. 5%的鉬元素、0. 80%的銅元素，其余為鐵。制備方法同實施例1。實施例7
原料組份0. 03%的碳元素、10. 5%的鉻元素、3.0%的錳元素、1.5%的鎳元素、 0. 50%的鉬元素、0. 60%的銅元素，其余為鐵。制備方法同實施例1。測試將根據(jù)實施例1-7所制備的鋼材進行測試，并根據(jù)測試結(jié)果進一步對本發(fā)明所提供的鋼材進行分析。材料機械性能根據(jù)SY/T 5029-2006《抽油桿》中華人民共和國石油天然氣行業(yè)標準和GB/T 228-2002《金屬材料室溫拉伸試驗方法》國家標準。測試結(jié)果見表1。表1.機械性能測試結(jié)果
權(quán)利要求
1.一種鋼材，其特征在于，按重量百分比計含有如下原料組分0. 015 0.03%的碳元素、8. 0 12. 0%的鉻元素、2. 5 5. 0%的錳元素、0. 8 2. 0%的鎳元素、0. 15 0. 50% 的鉬元素、0. 20 0. 80%的銅元素，80 87. 5%的鐵元素。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋼材，其特征在于，按重量百分比計含有如下原料組分 0. 015 0. 03%的碳元素、9. 5 10. 5%的鉻元素、2. 5 3. 0%的錳元素、1. 2 1. 5%的鎳元素、0. 15 0. 50%的鉬元素、0. 20 0. 60%的銅元素，83. 87 86%的鐵元素。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的鋼材，其特征在于，還包括0.02 0. 10%的鈮元素。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的鋼材，其特征在于，還包括0.05 0. 10%的鈦元素。
5.一種如權(quán)利要求1-4任一項所述的鋼材在油氣田井中的應用。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種鋼材，按重量百分比計含有如下原料組分0.015～0.03％的碳元素、8.0～12.0％的鉻元素、2.5～5.0％的錳元素、0.8～2.0％的鎳元素、0.15～0.50％的鉬元素、0.20～0.80％的銅元素，80～87.5％的鐵元素。本發(fā)明所提供的鋼材不但增強了鋼材的機械性能，并且大幅度地提高了鋼材的高抗介質(zhì)腐蝕性，延長了鋼材的使用壽命。
文檔編號C22C38/58GK102230144SQ20111019148
公開日2011年11月2日 申請日期2011年7月8日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月25日
發(fā)明者張金中, 李永安, 林繼興, 牛麗媛, 韓福生, 高光亮 申請人:浙江工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學院