專利名稱：抗二氧化碳腐蝕油井管用低合金鋼及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種低合金鋼，特別是具有鐵素體+珠光體組織的抗二氧化碳和氯離子腐蝕的油井管用低合金鋼及制造方法。
背景技術(shù)：
管材的CO2腐蝕是油氣田開(kāi)發(fā)過(guò)程中必須面對(duì)的重大安全問(wèn)題，必須采用各種具有抗二氧化碳腐蝕性能的合金油套管以保證開(kāi)采開(kāi)發(fā)的安全。針對(duì)較高的(X)2分壓、高氯離子含量、低PH值以及井中高壓和流體沖刷形成的強(qiáng)腐蝕環(huán)境，使用具有優(yōu)異抗(X)2腐蝕性能的超級(jí)13Cr馬氏體不銹鋼是保證油田安全高效生產(chǎn)的最有效辦法。但是，對(duì)我國(guó)多數(shù)開(kāi)采壽命較短的低豐度低滲透油田而言，采用不銹鋼油套管的成本過(guò)高，經(jīng)濟(jì)效果不理想。 為了解決抗二氧化碳腐蝕與降低油套管材料成本的矛盾，寶鋼開(kāi)發(fā)出了調(diào)質(zhì)處理的經(jīng)濟(jì)型 3Cr系列抗CO2腐蝕油套管。與13Cr馬氏體不銹鋼相比，3Cr油套管產(chǎn)品在保證材料良好的抗二氧化碳性能的基礎(chǔ)上大幅降低了 Cr合金的使用量，有效降低了材料成本，較好的解決了含中等濃度二氧化碳的油氣田的經(jīng)濟(jì)型油套管用材問(wèn)題。但是，隨著開(kāi)采開(kāi)發(fā)的深入，很多原來(lái)不含(X)2的油氣井中也開(kāi)始出現(xiàn)了微量CO2 ；同時(shí)，更多的含有低濃度二氧化碳的油氣井開(kāi)始大量出現(xiàn)；老油田的后期開(kāi)發(fā)中也出現(xiàn)了二氧化碳含量不斷提高的問(wèn)題。另外，隨著注水采油工藝的不斷推廣，各種注水井開(kāi)始大量出現(xiàn)，注水采油工藝帶來(lái)的氯離子腐蝕問(wèn)題也對(duì)管材的耐蝕性能提出了要求。為此，很多油田提出了能抗低濃度(X)2和氯離子腐蝕且性價(jià)比合理的油套管的需求。因此，有針對(duì)性的研究開(kāi)發(fā)能抗低濃度(X)2和氯離子腐蝕、 生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單、性價(jià)比合理的低合金油套管具有重要的現(xiàn)實(shí)意義?，F(xiàn)有技術(shù)中有介紹有關(guān)抗(X)2腐蝕(或同時(shí)抗(X)2和H2S腐蝕)用合金鋼的發(fā)明專利或申請(qǐng)文獻(xiàn)。但這些文獻(xiàn)所涉及的大多是中高合金的超級(jí)13Cr和雙相不銹鋼等成分， 且其制造過(guò)程中往往都必須采用高溫淬火+回火的調(diào)質(zhì)處理工藝。CN1401809A公開(kāi)了一種抗二氧化碳腐蝕的低合金鋼及油套管，其C含量彡0. 3%, 主要通過(guò)添加適當(dāng)?shù)腗o、Ni、W、Cr等元素，經(jīng)調(diào)質(zhì)或正火處理后獲得優(yōu)異的抗二氧化碳腐蝕性能，其最終組織類型為索氏體或者回火索氏體。CN1292429A公開(kāi)了一種抗二氧化碳及海水腐蝕油套管用低合金鋼，采用低碳成分，通過(guò)添加適當(dāng)?shù)腗o、Cr、Cu等元素來(lái)提高合金的抗二氧化碳及海水腐蝕性能，經(jīng)冶煉、 鍛造、軋制、熱處理后強(qiáng)度可達(dá)到SOksi鋼級(jí)以上。CN1487112A公開(kāi)了一種抗二氧化碳和硫化氫腐蝕用低合金鋼，其主要特點(diǎn)在于通過(guò)加入3%左右Cr和微量稀土元素Ce后通過(guò)調(diào)質(zhì)熱處理可制造80_95ksi鋼級(jí)抗C02、H2S 腐蝕油管，最終組織類型為回火索氏體。W09941422A公開(kāi)了一種以Mn、Cr為主要合金元素，必要時(shí)加入少量的Cu、Ni、Mo、
Ti、Nb、B，產(chǎn)品最終為馬氏體類型組織。隨著油氣資源開(kāi)采開(kāi)發(fā)的深入，很多原來(lái)不含腐蝕性(X)2的油氣井中也開(kāi)始出現(xiàn)了微量CO2 ；同時(shí)，更多的含有低濃度二氧化碳的油氣井開(kāi)始大量出現(xiàn)；老油田的后期開(kāi)發(fā)中也出現(xiàn)了二氧化碳含量不斷提高的問(wèn)題。另外，為了提高收采率，注水采油工藝的不斷推廣使各種注水井開(kāi)始大量出現(xiàn)，注水采油工藝帶來(lái)的氯離子腐蝕問(wèn)題也對(duì)管材的耐蝕性能提出了要求。為此，很多油田提出了能抗低濃度CO2和氯離子腐蝕且性價(jià)比合理的油套管的需求。但目前各種抗二氧化碳腐蝕油套管均采用較高的合金設(shè)計(jì)并需進(jìn)行各種熱處理以保證材料的抗腐蝕性能。在保證抗(X)2腐蝕性能的鋼中，一般Cr含量在3%以上。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的在于提供一種SOksi鋼級(jí)以上的抗(X)2和氯離子腐蝕的低合金油套管用鋼。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的低合金鋼按重量百分比，其化學(xué)成分配比為c 0. 20-0. 40 %, Si 0. 10-1. 0 %, Mn :0. 50-2. 0 %, Cr :0. 5-1. 5 %, V 0. 02-0. 2 %, Al 0. 01-0. 10%,N 0. 005-0. 03%,Nb :0. 02-0. 2%，其余為Fe和不可避免的雜質(zhì)，雜質(zhì)元素的總量低于0. 05wt%o本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供上述低合金鋼的制造方法。本發(fā)明鋼經(jīng)煉鋼、熱軋后，力學(xué)性能達(dá)到了 SOksi鋼級(jí)以上，無(wú)需熱處理，最終金相組織類型為鐵素體+珠光體以保證抗腐蝕性能。煉鋼和熱軋按照常規(guī)N80油套管的工藝進(jìn)行，如煉鋼時(shí)開(kāi)始出鋼溫度為 1600-17000C ；連鑄開(kāi)始溫度為約1530-1570°C，為了減少鑄坯中心裂紋及縮孔發(fā)生率， 連鑄拉速控制在2. 3m/min以下，帶狀偏析控制在2. 5級(jí)以內(nèi)；連鑄坯進(jìn)行熱軋時(shí)在約 1180-1220°C開(kāi)始穿孔軋制；最終張力減徑后溫度為約890-910°C;熱軋后鋼管空冷到室溫。對(duì)必須要進(jìn)行正火熱處理的加厚油管，正火熱處理的工藝為900-950°C保溫 30-60min，出爐后空冷。本發(fā)明提供了一種合金含量較低，生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單，且與常規(guī)碳鋼油套管相比有較好抗(X)2和氯離子腐蝕性能的油套管鋼種及其制造方法。本發(fā)明鋼的Cr含量較低，僅為約 1 %。通過(guò)得到鐵素體+珠光體組織，在不增加合金成本的前提下用組織強(qiáng)化的方法進(jìn)一步提高了抗腐蝕性能。但是鐵素體+珠光體組織的材料強(qiáng)度一般均較低，滿足不了使用要求。 本發(fā)明在含左右Cr的鋼中通過(guò)C、Mn、V元素的合理配比，利用合金元素軋后析出強(qiáng)化原理，既得到了具有良好抗腐蝕性能的含約1 % Cr的鐵素體+珠光體組織，又保證了材料的高強(qiáng)度。


圖1是本發(fā)明鋼實(shí)施例A4的金相組織。圖2是普通N80鋼的金相組織。圖3是3Cr鋼的金相組織。圖4是高壓釜試驗(yàn)后試驗(yàn)表面形貌，其中左為普通N80鋼，右為本發(fā)明實(shí)施例A4 鋼。
具體實(shí)施例方式以下對(duì)本發(fā)明進(jìn)行較為詳細(xì)的說(shuō)明。
本發(fā)明中，除非另有指令，含量均指重量百分比含量。為了實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的提供一種SOksi鋼級(jí)以上的抗CO2和氯離子腐蝕油套管用低合金鋼的目的，不受限于任何理論，本發(fā)明合金鋼的化學(xué)成分的選擇和控制理由如下C是保證鋼管室溫強(qiáng)度和淬透性所必需的成分。碳含量低于0. 20%時(shí)淬透性和強(qiáng)度不夠，高于0. 4%則韌性變壞。Si加入鋼中起到了脫氧和改善耐蝕性的作用。低于0. 10%含量效果不明顯。當(dāng)含量超過(guò)1. 0%后，加工性和韌性惡化。優(yōu)選地，Si 0. 5-0. 9%。Cr的加入使鋼的強(qiáng)度和抗(X)2腐蝕性能提高。但是，Cr含量小于0. 5%時(shí)，抗(X)2 腐蝕性能提高不明顯。高于1.5%，材料成本提高。Cr含量一般控制在0.5-1.5%。優(yōu)選 Cr 為 0. 9-1. 21%。Mn是改善鋼的強(qiáng)韌性必須的元素，小于0. 5%時(shí)作用較小。當(dāng)Mn含量超過(guò)1. 5% 后，抗CO2腐蝕性下降。優(yōu)選Mn為0.9-1.48%。在鋼中起到了脫氧作用和細(xì)化晶粒的作用，另外還提高了表面膜層的穩(wěn)定性和耐蝕性。當(dāng)加入量低于0.01%時(shí)，效果不明顯，加入量超過(guò)0.10%，力學(xué)性能變差。優(yōu)選Al 為 0. 05-0. 08%。V元素可以起到提高耐蝕性的作用，同時(shí)還有細(xì)化晶粒。提高材料強(qiáng)度的作用。 當(dāng)其含量小于0. 02 %時(shí)，效果不明顯，超過(guò)0. 2 %時(shí)效果進(jìn)一步增強(qiáng)不明顯。優(yōu)選V為 0. 05-0. 2 %，更優(yōu)選為 0. 07-0. 16 %。Nb :Nb能夠細(xì)化晶粒，形成碳化物，提高鋼的強(qiáng)度和韌性。低于0.02%時(shí)效果不明顯，高于0.2%后強(qiáng)化效果沒(méi)有進(jìn)一步提高。優(yōu)選Nb為0. 02-0. 1%。P =P易形成異常組織偏析，降低抗腐蝕性能，應(yīng)盡量降低P含量。本發(fā)明中控制 P 彡 0. 015%。S :S易形成硫化物夾雜，嚴(yán)重影響抗腐蝕性能，應(yīng)盡量降低S含量。本發(fā)明中控制 S 彡 0. 005%。N =N為析出強(qiáng)化元素，在冷卻的過(guò)程中形成Nb、V的氮化物，起到提高強(qiáng)度的作用。 優(yōu)選 N 為 0. 007-0. 02%。相比而言，現(xiàn)有技術(shù)的油管產(chǎn)品制造過(guò)程中在熱軋工序后往往需要通過(guò)高溫調(diào)質(zhì)的熱處理方式來(lái)保證抗二氧化碳腐蝕性能，即在奧氏體化溫度以上溫度水淬或油淬后再在高溫下長(zhǎng)時(shí)間回火達(dá)到性能要求，其主要生產(chǎn)工藝流程為煉鋼-連鑄-軋管-調(diào)質(zhì)熱處理， 最終的組織類型為回火索氏體。而本發(fā)明鋼適用于含CO2和氯離子的油氣井中，且制造工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，熱軋后無(wú)須高溫調(diào)質(zhì)處理，可以以熱軋態(tài)直接供貨，對(duì)于外加厚油管，只需在加厚工序后再進(jìn)行一次全長(zhǎng)正火熱處理即可，大大簡(jiǎn)化了熱處理工藝，節(jié)省了成本。其簡(jiǎn)要生產(chǎn)工藝流程為煉鋼-連鑄-軋管-選擇性正火-成品，最終組織類型為鐵素體+珠光體組織。正火態(tài)珠光體+鐵素體組織在抗(X)2和氯離子腐蝕方面具有有益作用。在含(X)2 的油井中，鋼管腐蝕速率與腐蝕產(chǎn)物膜與金屬基體間的結(jié)合強(qiáng)度、腐蝕膜的成膜速度有關(guān)， 而腐蝕膜的這些特性與金屬顯微組織緊密相關(guān)。對(duì)本發(fā)明專利鋼得到的組織，CO2腐蝕產(chǎn)生的狗0)3層可良好地附著于金屬基體上，在低濃度(X)2井況下，其!^CO3層比調(diào)質(zhì)態(tài)組織的 FeCO3層要厚，腐蝕層晶粒比調(diào)質(zhì)狀態(tài)組織的腐蝕層的大且更致密。此外，隨著基體表面鐵素體的腐蝕，正火組織中的珠光體殘留下來(lái)形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，在珠光體片的空洞處狗2+濃度升高，由于局部的溶液停滯以及較高的狗2+濃度，使得腐蝕層優(yōu)先在珠光體片間形成，與此同時(shí)，珠光體組織還有助于支撐腐蝕層，這使得正火態(tài)組織的腐蝕層在依附性、成膜速度和生長(zhǎng)上比調(diào)質(zhì)態(tài)組織更有利于抵抗(X)2和氯離子的腐蝕。但是，珠光體+鐵素體組織的強(qiáng)度很低，使熱軋態(tài)的珠光體+鐵素體組織達(dá)到 SOksi以上鋼級(jí)的難度很大。本發(fā)明通過(guò)合金的成分優(yōu)化，使鋼管熱軋后即可達(dá)到SOksi以上鋼級(jí)。對(duì)于需要進(jìn)行正火的外加厚的油管，正火后也可滿足相應(yīng)鋼級(jí)的力學(xué)性能的要求， 并保證穩(wěn)定的鐵素體+珠光體組織。采用上述成分和制造方法生產(chǎn)的SOKsi鋼級(jí)以上油套管的抗(X)2和氯離子腐蝕性能比常規(guī)API N80油管的提高了一倍以上。本發(fā)明合金鋼充分利用了 Cr、Mn、V、Nb、N等合金元素的強(qiáng)化和有利于抗二氧化碳腐蝕的作用，熱軋或正火熱處理后可獲得鐵素體+珠光體組織的SOksi鋼級(jí)以上油套管，適用于含低濃度二氧化碳和氯離子的油氣井開(kāi)采。跟常規(guī)API標(biāo)準(zhǔn)的N80油管相比，在保持較為簡(jiǎn)單生產(chǎn)工藝的同時(shí)，具有良好的抗腐蝕性能。此外，鋼中復(fù)合加入的適量Cr、V等亦有利于合金抗(X)2腐蝕性能的提高。實(shí)施例表1本發(fā)明的合金鋼和現(xiàn)有合金鋼的化學(xué)成分，Wt%
權(quán)利要求
1.一種低合金油井管用鋼，按重量百分比的化學(xué)成分為C :0. 20-0. 40 %，Si 0.10-1.0 %, Mn 0. 50-2. 0 %, Cr 0. 5-1. 5 %, V 0. 02-0. 2 %, Al 0. 01-0. 10 %, N 0. 005-0. 03%, Nb 0. 02-0. 2%, P ^ 0. 015%, S ^ 0. 005%，其余為 Fe 和不可避免的雜質(zhì)， 雜質(zhì)元素的總量低于0. 05wt%。
2.如權(quán)利要求1所述的低合金油井管用鋼，其特征在于，所述鋼的組織為鐵素體和珠光體。
3.如權(quán)利要求1或2所述的低合金油井管用鋼，其特征在于，C0. 2-0. 38%。
4.如權(quán)利要求1-3任一所述的低合金油井管用鋼，其特征在于，Si0. 5-0. 9%。
5.如權(quán)利要求1-4任一所述的低合金油井管用鋼，其特征在于，Cr0. 9-1. 21%。
6.如權(quán)利要求1-5任一所述的低合金油井管用鋼，其特征在于，N0. 007-0. 02%。
7.如權(quán)利要求1-6任一所述的低合金油井管用鋼，其特征在于，Al0. 05-0. 08%。
8.如權(quán)利要求1-7任一所述的低合金油井管用鋼，其特征在于，V0. 05-0. 2%，更優(yōu)選為 0. 07-0. 16%。
9.如權(quán)利要求1-8任一所述的低合金油井管用鋼，其特征在于，Mn0. 9-1. 48%。
10.如權(quán)利要求1-9任一所述的低合金油井管用鋼，其特征在于，所述鋼為SOksi鋼級(jí)以上。
11.如權(quán)利要求1-9任一所述的低合金油井管用鋼的制造方法，包括煉鋼的開(kāi)始出鋼溫度為1600-1700°C ；連鑄開(kāi)始溫度為1530-1570°C，為了減少鑄坯中心裂紋及縮孔發(fā)生率，連鑄拉速控制在 2. 3m/min以下，帶狀偏析控制在2. 5級(jí)以內(nèi)；連鑄坯進(jìn)行熱軋時(shí)在1180-1220°C開(kāi)始穿孔軋制；最終張力減徑后溫度為890-910°C ；熱軋后鋼管空冷到室溫。
12.如權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，對(duì)于壁厚<IOmm厚度范圍的加厚管，還進(jìn)行正火熱處理，正火熱處理的工藝為900-950°C保溫30-60min，出爐后空冷。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種低合金油井管用鋼，按重量百分比的化學(xué)成分為C0.20-0.40％，Si0.10-1.0％，Mn0.50-2.0％，Cr0.5-1.5％，V0.02-0.2％，Al0.01-0.10％，N0.005-0.03％，Nb0.02-0.2％，P≤0.015％，S≤0.005％其余為Fe和不可避免的雜質(zhì)，雜質(zhì)元素的總量低于0.05wt％。其制造方法包括煉鋼的開(kāi)始出鋼溫度為1600-1700℃；連鑄開(kāi)始溫度為1530-1570℃，為了減少鑄坯中心裂紋及縮孔發(fā)生率，連鑄拉速控制在2.3m/min以下，帶狀偏析控制在2.5級(jí)以內(nèi)；連鑄坯進(jìn)行熱軋時(shí)在1180-1220℃開(kāi)始穿孔軋制；最終張力減徑后溫度為890-910℃；熱軋后鋼管空冷到室溫。得到具有鐵素體和珠光體組織的抗二氧化碳和氯離子腐蝕的低合金油井管用鋼。
文檔編號(hào)C22C38/38GK102400057SQ20111038561
公開(kāi)日2012年4月4日 申請(qǐng)日期2011年11月28日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月28日
發(fā)明者何利艦, 張忠鏵, 潘大剛, 耿鴻明 申請(qǐng)人:寶山鋼鐵股份有限公司