專利名稱：一種高強(qiáng)度抗硫套管及其熱處理制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種經(jīng)濟(jì)型高強(qiáng)度耐硫化氫環(huán)境腐蝕的無(wú)縫油套管及其熱處理制造方法。
背景技術(shù)：
硫化氫是一種在油氣勘探與采掘過(guò)程中經(jīng)常遇到的酸性氣體。隨著世界能源需求的不斷增長(zhǎng)，開(kāi)發(fā)難度較小的油氣資源逐漸枯竭，人們不得不開(kāi)始開(kāi)發(fā)地質(zhì)條件更為惡劣的深井、超深井，而這些油氣井中往往都含有硫化氫氣體。世界現(xiàn)有油氣田中的約1/3都含有硫化氫氣體。油氣井中的酸性硫化氫氣體會(huì)使鋼鐵材料發(fā)生硫化物應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂(Sulfide Stress Cracking)。這一問(wèn)題在高強(qiáng)度低合金鋼(High Strength Low Alloy Steel, HSLA)中表現(xiàn)得尤為突出。由于油井管的抗硫化氫腐蝕性能直接關(guān)系到油田設(shè)備及人員的安全，因此高強(qiáng)度低合金鋼的抗硫性能成為了各油井管生產(chǎn)企業(yè)和油田用戶重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題。石油公司在鋼管采購(gòu)時(shí)除要求產(chǎn)品滿足美國(guó)石油學(xué)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)(American Petroleum Institute, API)外，還經(jīng)常會(huì)有抗硫化氫腐蝕性能的要求，即要求鋼管用材符合NACE MRO175 的標(biāo)準(zhǔn)，并按 NACE TM0177 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行 SSCC (Sulfide Stress Corrosion Cracking) 試驗(yàn)。隨著井深的增加，井下的溫度和壓力也隨之升高。高溫高壓的深井和超深井對(duì)油井管的使用性能提出了更高的要求既要求油井管具有很高的強(qiáng)度以承受井下巨大的壓力與重量，同時(shí)又要具有一定的抗硫化氫腐蝕性能。對(duì)油田用戶而言，通過(guò)進(jìn)一步提高抗硫油井管材料的強(qiáng)度可以在不增加油井管壁厚的條件下滿足對(duì)使用性能的要求，從而為用戶的現(xiàn)場(chǎng)使用提供極大的便利。因此，近年來(lái)市場(chǎng)上對(duì)高強(qiáng)度抗硫管的需求一直在強(qiáng)勁增長(zhǎng)。在過(guò)去的幾十年里，高強(qiáng)度抗硫管的生產(chǎn)技術(shù)獲得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。其最小名義屈服強(qiáng)度(Specified Minimum Yield Strength)從 80ksi (552MPa)、90ksi (621MPa)、 95ksi (655MPa) 一直提高到IlOksi (758MPa)。API已經(jīng)將90和95鋼級(jí)的抗硫管收入到API 5CT/IS011960標(biāo)準(zhǔn)中，并分別命名為C90和T95。100和110鋼級(jí)的抗硫管還未收入標(biāo)準(zhǔn)， 但一般被稱為C100和Cl 10。僅僅在20年前，同時(shí)具有高強(qiáng)度和高抗硫化氫腐蝕性能的油井管的生產(chǎn)還被認(rèn)為是不可能的事情，而110鋼級(jí)的抗硫管也是在近十幾年內(nèi)才開(kāi)始出現(xiàn)的。2004年，日本住友金屬公司與BP和Statoil合作成功生產(chǎn)出了 125鋼級(jí)的抗硫套管。 該系列產(chǎn)品除了具有高達(dá)125ksi的最小名義屈服強(qiáng)度外，還能保證一定的抗硫化氫腐蝕性能。這是目前世界上高鋼級(jí)抗硫套管所能達(dá)到的最高強(qiáng)度水平。隨著現(xiàn)代材料科學(xué)與冶金技術(shù)的迅速發(fā)展，同時(shí)具備高強(qiáng)度與高抗硫化氫腐蝕性能的油井管現(xiàn)在已經(jīng)可以進(jìn)行大規(guī)模的工業(yè)生產(chǎn)并被廣泛應(yīng)用到了世界各地的油氣生產(chǎn)中，而且高鋼級(jí)抗硫管的強(qiáng)度級(jí)別還有進(jìn)一步提高的趨勢(shì)。高鋼級(jí)抗硫套管對(duì)使用性能的要求較高，不僅要求材料具有很高的強(qiáng)度，同時(shí)還要求具有一定的抗硫化氫腐蝕能力。對(duì)于高強(qiáng)度油套管而言，較高的強(qiáng)度將制約其在硫化氫環(huán)境中的應(yīng)用，因?yàn)閷?duì)高鋼級(jí)油套管而言強(qiáng)度與抗硫性能往往是一對(duì)矛盾，較高的強(qiáng)度一般會(huì)引起抗硫性能的降低，而為了獲得較高的抗硫性能，就必須犧牲一定的強(qiáng)度指標(biāo)。因此，在合金成分設(shè)計(jì)和工藝制度制定的過(guò)程中，必須兼顧二者的需求，在強(qiáng)度與抗硫性能之間平衡。為了同時(shí)獲得較高的強(qiáng)度和抗硫性能，必須對(duì)材料的微觀組織演化過(guò)程進(jìn)行精確的控制與優(yōu)化，使其在合金相變過(guò)程中充分發(fā)揮晶粒細(xì)化、析出強(qiáng)化和提高回火抗力的作用，并與合理的熱處理制度相結(jié)合，達(dá)到通過(guò)合理使用微量合金元素使性能強(qiáng)化效果最大化的目的。開(kāi)發(fā)高強(qiáng)度抗硫油套管材料的關(guān)鍵在于如何合理控制合金碳化物的析出形態(tài)及析出量以達(dá)到最佳的析出強(qiáng)化效果并改善材料的抗硫性能。在高強(qiáng)度Cr-Mo合金鋼中，在晶界附近析出的粗大的碳化物如M23C6、M3C等往往會(huì)在受力過(guò)程中成為發(fā)生開(kāi)裂的薄弱點(diǎn)， 導(dǎo)致晶間腐蝕開(kāi)裂的發(fā)生，直接影響材料的抗硫性能。因此，通過(guò)添加微量合金元素并采取合理的熱處理制度抑制粗大的碳化物析出，并使細(xì)小的碳化物呈彌散均勻分布，可有效提高Cr-Mo鋼的抗晶間腐蝕開(kāi)裂能力，改善其抗硫性能。鋼中的微量合金元素并不是單獨(dú)發(fā)揮作用的，因此在實(shí)際的使用過(guò)程當(dāng)中往往采用復(fù)合添加的方式，以期用較少的合金元素加入量獲得最佳的強(qiáng)化效果，達(dá)到成本效益的最大化。采用合理的Cr-Mo系鋼種，并添加V、 Nb、Ti等合金元素，可在保證力學(xué)性能的同時(shí)，使材料具有良好的抗硫性能。在熱處理工藝設(shè)計(jì)方面，高強(qiáng)度抗硫管生產(chǎn)一般采用高溫回火工藝。碳化物的形態(tài)與回火溫度具有密切的關(guān)系。在較低溫度回火時(shí)，M3C碳化物的形態(tài)主要為針狀或透鏡狀并分布于晶界，成為晶間腐蝕開(kāi)裂發(fā)生的起始點(diǎn)，對(duì)晶界的抗硫性能是有害的。而通過(guò)高溫回火，M3C碳化物可發(fā)生球化，且在材料中的分布狀態(tài)更加彌散均勻，從而改善了晶界處的抗腐蝕性能。另外，通過(guò)高溫回火還可使淬火后的馬氏體組織充分轉(zhuǎn)變?yōu)榛鼗鹚魇象w組織，消除組織內(nèi)應(yīng)力，降低位錯(cuò)密度，獲得均勻穩(wěn)定的顯微組織。經(jīng)過(guò)高溫回火后的穩(wěn)定組織由于位錯(cuò)密度低、亞穩(wěn)組織少，故有利于氫原子擴(kuò)散的通道也較少，其抗硫化氫腐蝕性能更佳。為了進(jìn)一步提高抗硫管的抗腐蝕性能，各生產(chǎn)廠家各自開(kāi)發(fā)了自己獨(dú)特的熱處理方法，可有效降低材料中元素的不均勻分布，細(xì)化晶粒和合金碳化物，從而獲得均勻細(xì)小的鐵素體+合金碳化物組織，提高材料的抗硫化氫腐蝕性能。目前有介紹125ksi鋼級(jí)以上的抗硫管及其生產(chǎn)制造方法的現(xiàn)有技術(shù)，如特開(kāi)平 8-311551號(hào)公報(bào)，特開(kāi)平11-335731號(hào)公報(bào)，特開(kāi)2000-178682號(hào)公報(bào)，特開(kāi)2000-256783 號(hào)公報(bào)，特開(kāi)2000-297344號(hào)公報(bào)，特開(kāi)2000-119798號(hào)公報(bào)。特開(kāi)平8-311551號(hào)公報(bào)公開(kāi)的技術(shù)中采用了直接淬火的方法。通過(guò)高溫加熱，使 Nb、V等合金元素充分溶入奧氏體組織中，熱變形后直接淬火。在隨后的回火過(guò)程中，固溶的Nb、V以細(xì)小的碳化物的形式在基體上析出，產(chǎn)生強(qiáng)烈的析出強(qiáng)化效果，從而達(dá)到提高力學(xué)性能的目的。通過(guò)這種工藝生產(chǎn)出了強(qiáng)度級(jí)別在110-140ksi的抗硫油套管產(chǎn)品。特開(kāi)平11-335731號(hào)公報(bào)公開(kāi)的技術(shù)通過(guò)對(duì)合金成分的優(yōu)化生產(chǎn)出了強(qiáng)度級(jí)別在110-140ksi的抗硫油套管產(chǎn)品。特開(kāi)2000-178682號(hào)公報(bào)、特開(kāi)2000-256783號(hào)公報(bào)和特開(kāi)2000-297344號(hào)公報(bào)公開(kāi)的技術(shù)中通過(guò)控制碳化物形態(tài)的方法生產(chǎn)出了強(qiáng)度級(jí)別在110-140ksi的抗硫油套管產(chǎn)品。
特開(kāi)2000-119798號(hào)公報(bào)公開(kāi)的技術(shù)中采用大量析出細(xì)小的V碳化物的方法生產(chǎn)出了強(qiáng)度級(jí)別在110-140ksi的抗硫油套管產(chǎn)品?？沽蚬墚a(chǎn)品的熱處理方式主要采取調(diào)質(zhì)熱處理，而以上技術(shù)中特開(kāi)平8-311551 號(hào)公報(bào)公開(kāi)的感應(yīng)加熱和直接淬火等工藝在現(xiàn)場(chǎng)大生產(chǎn)實(shí)施中都存在較大的困難。特開(kāi)平11-335731號(hào)公報(bào)、特開(kāi)2000-178682號(hào)公報(bào)、特開(kāi)2000-256783號(hào)公報(bào)、 特開(kāi)2000-297344號(hào)公報(bào)和特開(kāi)2000-119798號(hào)公報(bào)公開(kāi)的技術(shù)中都采用了傳統(tǒng)的調(diào)質(zhì)熱處理工藝，材料的屈服強(qiáng)度范圍涵蓋了 110 140ksi，其變化范圍過(guò)寬，超出了 125ksi鋼級(jí)的下限。以上技術(shù)中都采用了 B元素以提高淬透性。但加B后必須加入Ti以防止產(chǎn)生脆性 BN，增加了冶煉的控制難度和材料性能的波動(dòng)。另外，以上技術(shù)的合金設(shè)計(jì)中還采用了 Nb、 Ti, W, Zr等合金元素以提高材料的回火抗力和增強(qiáng)析出強(qiáng)化效果，大大提高了合金成本。國(guó)內(nèi)外也有介紹鋼鐵材料的二次調(diào)質(zhì)熱處理生產(chǎn)制造方法的，如 CN200510130669. 3 的“抗硫鉆桿接頭的熱處理工藝”，JP60-063315A 的“HEAT TREATMENT OF STAINLESS STEEL”，CN00113555. 4的“一種高溫耐磨合金鋼及其生產(chǎn)方法”。其中，JP60-063315A和CN00113555. 4都是應(yīng)用于高合金含量的不銹鋼和耐磨鋼， 以提高其強(qiáng)度和耐磨性能為主要目的。CN200510130669.3所述的二次調(diào)質(zhì)熱處理工藝應(yīng)用于低合金抗硫鉆桿接頭的生產(chǎn)，以提高大壁厚接頭的淬透性為主要目的。該方法以油淬為淬火手段。迄今未見(jiàn)有水淬為手段，采用二次調(diào)質(zhì)熱處理生產(chǎn)低合金耐腐蝕無(wú)縫鋼管的專利文獻(xiàn)報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明通過(guò)提出一種高強(qiáng)度抗硫套管的熱處理制造方法，解決了含硫超深井用高強(qiáng)度抗硫化氫腐蝕油套管的用材問(wèn)題。通過(guò)合理設(shè)計(jì)材料的合金成分，并進(jìn)行二次熱處理工藝，在保證高鋼級(jí)抗硫管抗腐蝕性能的同時(shí)，能夠大大減少抗硫管材料的合金使用量，取消了 Nb、Ti、W、&等合金添加元素，生產(chǎn)出最小名義屈服強(qiáng)度在125ksi以上并具有優(yōu)良抗腐蝕性能的油套管。本發(fā)明的目的在于提供一種生產(chǎn)具有優(yōu)良抗硫化氫腐蝕性能的油套管的熱處理制造方法。根據(jù)本發(fā)明生產(chǎn)的高強(qiáng)度抗硫套管材料具有如下化學(xué)成分(wt% )C 0. 25 0. 35wt%,Si 0. 1 0. 5wt%,Mn 0. 4 0. 6wt%,Cr 0. 1 0. 6wt%, Mo 0. 2 0. 6wt%, V :0. 03 0. 15wt%, P < 0. 015wt%, S < 0. 010wt%，其余為 Fe 和不
可避免的雜質(zhì)元素。高強(qiáng)度抗硫套管材料一般采用Cr-Mo合金體系以保證良好的淬透性和回火穩(wěn)定性。本發(fā)明鋼采用經(jīng)濟(jì)的低Mn低Cr低Mo合金設(shè)計(jì)，采用微量V合金進(jìn)行析出強(qiáng)化以進(jìn)一步提高材料的強(qiáng)度級(jí)別，并嚴(yán)格控制鋼中有害的S、P元素含量。與之前的抗硫管材料相比，由于二次調(diào)質(zhì)熱處理帶來(lái)的晶粒細(xì)化效果和析出強(qiáng)化效果，采用本發(fā)明工藝生產(chǎn)的抗硫管材料的合金使用量明顯減少，并取消了 Nb等昂貴的合金元素的加入，大幅降低了生產(chǎn)成本。根據(jù)本發(fā)明，鋼管軋制后進(jìn)行2次調(diào)質(zhì)熱處理。調(diào)質(zhì)熱處理的具體工藝如下淬火前的加熱溫度為900°C -1000°C，保溫45min-120min，噴水淬火?；鼗饻囟葹?6700C -710°C，保溫 90min-150min,出爐后空冷。
第1次調(diào)質(zhì)熱處理的主要目的是調(diào)整材料的顯微組織，充分溶解合金元素，在材料金相組織上為第2次調(diào)質(zhì)熱處理做好準(zhǔn)備。淬火前的加熱溫度為930°C -1000°c，保溫 45min-120min，噴水淬火?；鼗饻囟葹?70°C _650°C，保溫90min_150min，出爐后空冷?？沽蚬苤械腣碳化物均勻而細(xì)小，主要以M3C和MC的形式存在。V的碳化物具有高熔點(diǎn)的特點(diǎn)，需要在比較高的溫度條件下才會(huì)溶解進(jìn)入奧氏體中。低于930°C奧氏體化不充分，有熱軋組織存在，影響抗硫性能和力學(xué)性能。高于1000°C或保溫時(shí)間超過(guò)120min則會(huì)出現(xiàn)奧氏體晶粒長(zhǎng)大的現(xiàn)象，損害抗硫化氫腐蝕性能。淬火前的加熱保溫時(shí)間在45min以上，使鋼中的合金元素充分溶入奧氏體中，以保證淬火后獲得盡可能多的單相馬氏體組織。鋼的淬火馬氏體組織越多，回火后的顯微組織越均勻，其抗硫化氫腐蝕性能越好?；鼗饻囟葢?yīng)高于 570°C，以保證淬火馬氏體能夠分解，得到均勻細(xì)小的回火索氏體組織。第2次調(diào)質(zhì)處理中，淬火前的加熱溫度為850°C _950°C，保溫45min-120min，噴水淬火?；鼗饻囟葹?50°C -710°C，保溫90min-l50min，出爐后空冷。第2次調(diào)質(zhì)熱處理中，通過(guò)再次奧氏體化將細(xì)小的合金碳化物重新溶入奧氏體組織中，但由于第1次調(diào)質(zhì)熱處理使細(xì)小的碳化物大量彌散分布，使一部分Mo、V等高熔點(diǎn)的合金碳化物能夠保留于高溫奧氏體基體上，阻止了保溫過(guò)程中奧氏體晶粒的長(zhǎng)大，有效細(xì)化了晶粒組織。在第2次調(diào)質(zhì)熱處理后，可獲得更加均勻細(xì)小的顯微組織，進(jìn)一步提高了材料的均勻性，保證高強(qiáng)度抗硫管優(yōu)良的抗腐蝕性能。通過(guò)充分發(fā)揮材料中合金元素在熱處理中的細(xì)化晶粒和析出強(qiáng)化作用， 可減少合金元素的使用量，避免過(guò)多的合金元素因不能充分溶解而在奧氏體基體上形成大顆粒狀碳化物而損害抗腐蝕性能。回火后的熱矯直溫度應(yīng)高于480°C，以降低因矯直而產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，有利于提高材料的抗硫性能。本發(fā)明鋼種經(jīng)軋管并熱處理后可達(dá)到屈服強(qiáng)度RtO. 65彡862MPa ；抗拉強(qiáng)度 Rm彡932MPa ；延伸率:Α50· 8彡19% ；沖擊韌性縱向Akv彡90J ；橫向Akv彡90J ；抗硫化氫腐蝕性能優(yōu)異。


圖1是本發(fā)明的工藝生產(chǎn)的125ksi鋼級(jí)抗硫管的晶粒度。圖2是傳統(tǒng)工藝(即一次調(diào)質(zhì)熱處理)生產(chǎn)的125ksi鋼級(jí)抗硫管的晶粒度。
具體實(shí)施例方式以下通過(guò)具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行較為詳細(xì)的說(shuō)明。表1是本發(fā)明的實(shí)施例和比較例的化學(xué)成分。實(shí)施例1按表1中的化學(xué)成分進(jìn)行冶煉，澆注及軋制，然后進(jìn)行第1次調(diào)質(zhì)處理，其中，淬火前的加熱溫度為930°C，保溫45min，噴水淬火?；鼗饻囟葹?70°C，保溫90min，出爐后空冷。 再進(jìn)行第2次調(diào)質(zhì)處理，其中，淬火前的加熱溫度為850°C，保溫45min，噴水淬火?；鼗饻囟葹?50°C，保溫90min，出爐后空冷。表1，本發(fā)明的實(shí)施例和比較例的化學(xué)成分，Wt %
權(quán)利要求
1.一種高強(qiáng)度抗硫套管，其按重量百分比計(jì)的化學(xué)成分為C 0. 25-0. 35wt %，Si 0. 1-0. 5wt %，Mn 0. 4-0. 6wt %，Cr 0. 1-0. 6wt %, Mo 0. 2-0. 6wt%,V 0. 03-0. 15wt%,P < 0. 015wt%,S < 0. OlOwt%，其余為 Fe 和不可避免的雜質(zhì)元素；軋制成鋼管后，進(jìn)行兩次調(diào)質(zhì)熱處理；第一次調(diào)質(zhì)熱處理中，淬火前的加熱溫度為900°C -1000°C，保溫45min-120min，噴水淬火。回火溫度為670°C -710°C，保溫90min-150min，出爐后空冷；第二次調(diào)質(zhì)處理中，淬火前的加熱溫度為850°C -950°C，保溫45min-120min，噴水淬火。回火溫度為650°C -710°C，保溫90min-150min，出爐后空冷。
2.如權(quán)利要求1所述的高強(qiáng)度抗硫套管，其特征在于，在第二次熱處理后，在高于 480°C進(jìn)行熱矯直。
3.如權(quán)利要求2所述的高強(qiáng)度抗硫套管，其特征在于，在第二次熱處理后，在 480-580°C進(jìn)行熱矯直。
4.如權(quán)利要求1 3任一項(xiàng)所述的高強(qiáng)度抗硫套管，其特征在于，所述高強(qiáng)度抗硫套管的屈服強(qiáng)度RtO. 65彡862MPa，抗拉強(qiáng)度彡932MPa，延伸率彡19%，沖擊韌性為縱向 Akv 彡 90J，橫向 Akv 彡 90J。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種高強(qiáng)度抗硫套管，其按重量百分比計(jì)的化學(xué)成分為C0.25-0.35wt％，Si0.1-0.5wt％，Mn0.4-0.6wt％，Cr0.1-0.6wt％，Mo0.2-0.6wt％，V0.03-0.15wt％，P＜0.015wt％，S＜0.010wt％，其余為Fe和不可避免的雜質(zhì)元素；軋制成鋼管后，進(jìn)行兩次調(diào)質(zhì)熱處理；第一次調(diào)質(zhì)熱處理中，淬火前的加熱溫度為900℃-1000℃，保溫45min-120min，噴水淬火?；鼗饻囟葹?70℃-710℃，保溫90min-150min，出爐后空冷；第二次調(diào)質(zhì)處理中，淬火前的加熱溫度為850℃-950℃，保溫45min-120min，噴水淬火。回火溫度為650℃-710℃，保溫90min-150min，出爐后空冷。
文檔編號(hào)E21B17/01GK102373374SQ201010260449
公開(kāi)日2012年3月14日 申請(qǐng)日期2010年8月23日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月23日
發(fā)明者潘大剛, 王磊 申請(qǐng)人:寶山鋼鐵股份有限公司