高溫高壓含有毒有害氣體環(huán)境用恒載荷應(yīng)力環(huán)制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種高溫高壓含有毒有害氣體環(huán)境用恒載荷應(yīng)力環(huán)制造方法，第一，所述應(yīng)力環(huán)由高合金不銹鋼材料制成；第二，所述應(yīng)力環(huán)材料經(jīng)生產(chǎn)工藝流程制得所要求的強(qiáng)度和制作應(yīng)力環(huán)所需坯料尺寸要求；第三，對(duì)坯料進(jìn)行機(jī)械加工，生產(chǎn)出應(yīng)力環(huán)產(chǎn)品，應(yīng)力環(huán)為整體無焊接結(jié)構(gòu)；第四，將應(yīng)力環(huán)置于可調(diào)節(jié)溫度的恒溫箱中，利用壓力機(jī)施力于上壓塊，使應(yīng)力環(huán)發(fā)生位移，通過所施加的力值不同，測量得到不同的應(yīng)力環(huán)位移，從而得到在不同溫度下的力-位移曲線，并且滿足在不同溫度下，力-位移曲線為線性，其線性度要大于0.98。本發(fā)明的制造方法制成的應(yīng)力環(huán)能滿足模擬實(shí)際工況條件的檢驗(yàn)要求，同時(shí)也充分利用了現(xiàn)有的設(shè)備，能節(jié)約大量費(fèi)用。
【專利說明】高溫高壓含有毒有害氣體環(huán)境用恒載荷應(yīng)力環(huán)制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種在高溫、高壓和有毒有害氣體環(huán)境下的恒載荷應(yīng)力環(huán)制造方法?！颈尘凹夹g(shù)】
[0002]目前，石油、化工、醫(yī)藥等行業(yè)在生產(chǎn)過程中會(huì)大量使用或產(chǎn)生高溫高壓H2S、SO2,Cl2、CS2、CO等有毒有害氣體或含有這些有毒氣體的液體，而生產(chǎn)、貯存或傳輸這些介質(zhì)所需的罐、槽、管、板等金屬材料在壓力的作用下有可能會(huì)發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂。此類開裂往往是在遠(yuǎn)低于材料屈服強(qiáng)度且沒有預(yù)兆的情況下突然發(fā)生，使得有毒有害氣體失控外溢，對(duì)環(huán)境對(duì)人員帶來非常大的危害，因此需要對(duì)這些罐、槽、管、板所用金屬材料進(jìn)行實(shí)際環(huán)境下的適用性檢驗(yàn)，在確保安全的前提下才能將這些材料應(yīng)用于實(shí)際工程。為研制或評(píng)估這些抗有毒有害氣體材料，需要在實(shí)驗(yàn)室模擬工況條件下進(jìn)行試驗(yàn)。
[0003]為開發(fā)與有毒有害氣體相接觸的低合金結(jié)構(gòu)鋼金屬新產(chǎn)品，如抗硫化氫油井管，目前都按國際通用的NACE TM 0177的A、B、C、D四種方法進(jìn)行檢驗(yàn)，這四種方法各有特點(diǎn)，但就模擬性和可操作性來講，最常用的是A方法。A方法是在常溫常壓環(huán)境下的恒載荷試驗(yàn)，是目前油田用戶最可接受的方法，檢驗(yàn)周期為720小時(shí)，檢驗(yàn)裝置參見圖1，其原理是利用應(yīng)力環(huán)37的變形所產(chǎn)生的反作用力加載在試樣上。
[0004]但是，油井管的實(shí)際服役條件遠(yuǎn)非如此，往往是在高溫高壓的條件下服役，這就提出了產(chǎn)品在實(shí)際工況條件下的適用性檢驗(yàn)要求。為達(dá)到這一目標(biāo)，目前國內(nèi)外采取的應(yīng)對(duì)措施是:如圖1所示，將試驗(yàn)槽35及其配件都換成能夠承壓的耐溫耐腐蝕的高合金材料，并且需附加一套增壓和恒溫裝置。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定一次檢驗(yàn)需3根試樣，換言之，須配備3個(gè)應(yīng)力環(huán)與之相對(duì)應(yīng)，因?yàn)橐恢粦?yīng)力環(huán)只能進(jìn)行一根試樣的檢驗(yàn)，由于試驗(yàn)周期為720小時(shí)(一個(gè)月)，根據(jù)目前對(duì)國內(nèi)外生產(chǎn)企業(yè)和研究單位的調(diào)查可知，配備至少15組(45臺(tái))以上的環(huán)，如國內(nèi)某油井管生產(chǎn)企業(yè)配備了 86組(258臺(tái))環(huán)才勉強(qiáng)維持正常的生產(chǎn)和科研的需要，而每組環(huán)目前的價(jià)格都在20萬美元以上，這樣的價(jià)格為一般單位所不能承受，正是由于此原因，到目前為止，模擬實(shí)際工況條件下的恒載荷檢驗(yàn)還沒有找到很好地解決方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于提供一種高溫高壓含有毒有害氣體環(huán)境用恒載荷應(yīng)力環(huán)制造方法，該制造方法制成的應(yīng)力環(huán)能滿足模擬實(shí)際工況條件的檢驗(yàn)要求，同時(shí)也充分利用了現(xiàn)有的設(shè)備，能節(jié)約大量費(fèi)用。
[0006]為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用了如下技術(shù)方案:
一種高溫高壓含有毒有害氣體環(huán)境用恒載荷應(yīng)力環(huán)制造方法，
第一，所述應(yīng)力環(huán)由高合金不銹鋼材料制成；
第二，所述應(yīng)力環(huán)材料的生產(chǎn)工藝流程為:I)電爐冶煉，得到所述高合金不銹鋼材料目標(biāo)成分；2)電渣重熔，得到純凈鋼和控制鋼中的夾雜物數(shù)量、分布和形態(tài)；3)鍛造，得到穿孔所需的形狀和尺寸；4)熱軋穿孔，荒管成型；5)熱處理，控制材料中析出相；6)冷軋，控制變形量，得到要求的強(qiáng)度和制作應(yīng)力環(huán)所需坯料尺寸要求；
第三，對(duì)坯料進(jìn)行機(jī)械加工，生產(chǎn)出應(yīng)力環(huán)產(chǎn)品，應(yīng)力環(huán)為整體無焊接結(jié)構(gòu)；
第四，將應(yīng)力環(huán)置于可調(diào)節(jié)溫度的恒溫箱中，利用壓力機(jī)施力于上壓塊，使應(yīng)力環(huán)發(fā)生位移，通過所施加的力值不同，測量得到不同的應(yīng)力環(huán)位移，從而得到在不同溫度下的力-位移曲線，并且滿足在不同溫度下，力-位移曲線為線性，其線性度要大于0.98。
[0007]所述高合金不銹鋼材料的主要成分以質(zhì)量百分比計(jì)包括:C:0.01-0.05、Mn:0.2-2.0、P: ￡0.03、S: ￡0.01、Cr:15-25, Mo:5-15, ff:0.3-5、N1:50-60, N:0.0005-0.2、Cu:l-5, Co:0.3-5、Al:0.01-0.20，余量為鐵和不可避免雜質(zhì)。所述高合金不銹鋼材料的主要成分還包括:V、T1、Ca、B 一種或一種以上的元素，其中V:0.01-0.3、T1:0.01-0.70、Β:0.0001-0.015、Ca:0.001-0.01。
[0008]所述應(yīng)力環(huán)產(chǎn)品尺寸為:厚度5-35臟、內(nèi)徑40-100mm、壁厚5_15mm。
[0009]本發(fā)明的制造方法制成的應(yīng)力環(huán)是根據(jù)已知的最為苛刻的井況條件:PH2S ( 12MPa,PC02 ( 8MPa、Cr ( 250g/L、含有單質(zhì)硫、溫度≤150°C，在此條件下，應(yīng)力環(huán)材料采用一種高合金不銹鋼材料，其主要化學(xué)成分作用如下:
C:含有過多的C時(shí)，M23C6型碳化物的量顯著增加，合金的延伸性和韌性降低，惡化材料的加工和使用性能；本發(fā)明的應(yīng)力環(huán)材料C含量為0.01-0.05% ；
Mn:加入適當(dāng)?shù)腗n可以提高材料的強(qiáng)度,但過多的Mn會(huì)使材料發(fā)生成分偏析,導(dǎo)致產(chǎn)品性能具有方向性，最終使得材料受到不均腐蝕，導(dǎo)致失效，本發(fā)明的應(yīng)力環(huán)材料Mn含量為 0.2-2.0% ；
P: P通常不可避免地混入進(jìn)來的雜質(zhì)，通常，當(dāng)在合金中含有較多的P時(shí)，材料的加工性能、耐腐蝕性會(huì)顯著劣化；本發(fā)明的應(yīng)力環(huán)材料P含量為小于等于0.03% ；
S: S也是不可避免地混入進(jìn)來的雜質(zhì)，通常，當(dāng)在合金中含有較多的S時(shí)，材料的加工性能、耐腐蝕性會(huì)顯著劣化；本發(fā)明的應(yīng)力環(huán)材料S含量為小于等于0.01% ；
Cr =Cr和W具有使合金耐腐蝕性和強(qiáng)度提高的作用，在Cr為15%以上時(shí)，可顯著得到上述效果。但是當(dāng)Cr含量超過25%時(shí)，合金的加工性能降低。本發(fā)明的應(yīng)力環(huán)材料Cr含量為 15-25% ；
Mo: Mo都具有在與Cr的共存下提高合金強(qiáng)度的作用，具有顯著提高耐腐蝕性、特別是提高耐點(diǎn)腐蝕性的作用。但是當(dāng)Mo含量超過15%時(shí)，會(huì)導(dǎo)致材料的延展性和韌性等機(jī)械性能的大為減低；本發(fā)明的應(yīng)力環(huán)材料Mo含量為5-15% ；
W:W具有在與Cr的共存下提高合金強(qiáng)度的作用，具有顯著提高耐腐蝕性、特別是提高耐點(diǎn)腐蝕性的作用。但是當(dāng)W含量超過5%時(shí)，會(huì)導(dǎo)致材料的延展性和韌性等機(jī)械性能的大為減低；本發(fā)明的應(yīng)力環(huán)材料W含量為0.3-5% ；
N1: Ni具有使奧氏體的基體穩(wěn)定化的作用，其目的是為了 Ni合金中含有大量的Cr、Mo等具有強(qiáng)化作用與耐腐蝕作用的元素所必須的元素。此外，Ni抑制生成σ相的作用。在Ni的含量超過40%以上時(shí)能容易地得到上述各作用；另一方面，大量過多地添加Ni會(huì)導(dǎo)致合金成本的過度上升，同時(shí)也會(huì)造成性能的過剩，產(chǎn)生不必要的浪費(fèi)現(xiàn)象。本發(fā)明的應(yīng)力環(huán)材料Ni含量為50-60% ；
N:N具有合金析出強(qiáng)化的作用，但過多的N會(huì)使材料脆化，及致材料的延展性和韌性等機(jī)械性能的大為減低；本發(fā)明的應(yīng)力環(huán)材料N含量為0.0005-0.2% ；Cu: Cu是有效提高在酸氣環(huán)境下的耐腐蝕性的元素，特別是在確認(rèn)為S為單質(zhì)的酸氣 環(huán)境下，與Cr、Mo和W共存而具有大為提高耐腐蝕性的作用。在Cu含量為1-5%時(shí)可以得 到上述效果，但是過多的添加Cu會(huì)使材料的延展性和韌性減低，影響材料的加工性和機(jī)械 性能；本發(fā)明的應(yīng)力環(huán)材料Cu含量為1-5% ；
Co:添加Co，則具有使奧氏體穩(wěn)定化的作用。為了可靠地得到上述效果，優(yōu)選Co為 0. 3%以上的含量。但是，大量添加Co會(huì)導(dǎo)致合金成本的過度上升，因此本發(fā)明的應(yīng)力環(huán)材 料Co含量為0. 3-5% ；
A1:鋁可以細(xì)化材料晶粒，提高材料的沖擊和拉伸強(qiáng)度，但過多的A1會(huì)在材料中形 成夾雜，將降低材料耐腐蝕性能和抗硫硫化氫性能，因此本發(fā)明的應(yīng)力環(huán)材料A1含量為 0. 01-0. 20% ；
其他元素：適當(dāng)添加V、Ti、Ca、B —種或一種以上的元素，其中V:0. 01-0. 3%、Ti ： 0. 01-0. 70%、B:0. 0001-0. 015%、Ca ：0. 001-0. 01%。
[0010]由于應(yīng)力環(huán)需對(duì)試樣加載及應(yīng)力環(huán)裝置本身也受到試樣的反作用力，因此應(yīng)力環(huán) 必須具備一定的力學(xué)強(qiáng)度才能勝任對(duì)試樣的檢驗(yàn)工作。當(dāng)然也必須具備耐硫化氫應(yīng)力腐蝕 開裂性能。根據(jù)NACE TM0177標(biāo)準(zhǔn)、NACE MR0175標(biāo)準(zhǔn)、當(dāng)今世界含硫油氣井的實(shí)際情況條 件，可以得到應(yīng)力環(huán)的屈服強(qiáng)度要求范圍為：827-930MPa，抗拉強(qiáng)度≤870MPa。
[0011]基于上述的強(qiáng)度和必須具備的抗硫氫應(yīng)力腐蝕開裂要求，提出了制作應(yīng)力環(huán)坯料 的生產(chǎn)工藝流程：即：電爐冶煉，得到目標(biāo)成分；電渣重熔，得到純凈鋼和控制鋼中的夾雜 物數(shù)量、分布和形態(tài)；鍛造，得到穿孔所需的形狀和尺寸；熱軋穿孔，荒管成型；熱處理，控 制材料中析出相；冷軋，控制變形量，得到要求的強(qiáng)度和制作應(yīng)力環(huán)所需坯料尺寸要求。
[0012]應(yīng)力環(huán)結(jié)構(gòu)和尺寸設(shè)計(jì)的原則是：外形尺寸要小，形狀要合理，加載操作要方便， 同時(shí)能方便地將盡量多的應(yīng)力環(huán)放置到高壓釜內(nèi)，以提高工作效率。同時(shí)確保抗硫試樣的 尺寸滿足NACE TM0177-A法要求，抗硫試樣參見圖2。
[0013]本發(fā)明的應(yīng)力環(huán)是經(jīng)過對(duì)應(yīng)力環(huán)坯料進(jìn)行機(jī)械加工后，生產(chǎn)出應(yīng)力環(huán)產(chǎn)品。應(yīng)力 環(huán)產(chǎn)品尺寸為：應(yīng)力環(huán)厚度5-35mm、內(nèi)徑40-100mm、壁厚5-15mm。應(yīng)力環(huán)為整體無焊接結(jié) 構(gòu)，一方面避免了應(yīng)力環(huán)焊接結(jié)構(gòu)可能帶來的一些缺陷，另一方面可以使應(yīng)力環(huán)加載力均 勻、穩(wěn)定，能夠確保試驗(yàn)過程中，試樣受到的載荷恒定。
[0014]利用應(yīng)力環(huán)的變形位移力來實(shí)現(xiàn)對(duì)試樣的恒載荷加載，如應(yīng)力環(huán)位移小，則加載 力精度差；如應(yīng)力環(huán)位移大，則易使應(yīng)力環(huán)產(chǎn)生塑性變形，造成試驗(yàn)數(shù)據(jù)不正確。因此應(yīng)力 環(huán)位移的控制與應(yīng)力環(huán)的化學(xué)成分、強(qiáng)度、形狀、各項(xiàng)尺寸等都有很大的關(guān)聯(lián)。
[0015]本發(fā)明制作的恒載荷應(yīng)力環(huán)，其體積小，耐腐蝕、高溫和高壓，可以將多組應(yīng)力環(huán) 同時(shí)放入到高壓釜內(nèi)，這樣既可滿足模擬實(shí)際工況條件的檢驗(yàn)要求，同時(shí)也充分利用了現(xiàn) 有的設(shè)備，節(jié)約大量的費(fèi)用。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖1為現(xiàn)有的常溫常壓恒載荷試驗(yàn)裝置示意圖；
圖2為NACE TM0177恒載荷試樣示意圖；
圖3為應(yīng)力環(huán)計(jì)量裝置示意圖；
圖4為25°C應(yīng)力環(huán)力-位移計(jì)量曲線；圖5為100°C應(yīng)力環(huán)力-位移計(jì)量曲線；
圖6為150°C應(yīng)力環(huán)力-位移計(jì)量曲線；
圖7為205°C應(yīng)力環(huán)力-位移計(jì)量曲線；
圖8為本發(fā)明的應(yīng)力環(huán)恒載荷試樣加載示意圖。
[0017]圖中:I加載螺桿，2加載螺母，3應(yīng)力環(huán)，4過渡螺母，5試樣，6下螺母；21上壓塊，22上計(jì)量桿，23下計(jì)量桿，24恒溫箱，25下壓塊；31加載螺桿，32加載螺母，33上連接螺母，34試樣，35試驗(yàn)槽，36下連接螺母，37應(yīng)力環(huán)，38托架，39千分表。
【具體實(shí)施方式】
[0018]下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
[0019]1、本發(fā)明實(shí)施例編號(hào)為I至3的應(yīng)力環(huán)材料的化學(xué)成分如表1所示。
[0020]表1 應(yīng)力環(huán)材料的化學(xué)成分
【權(quán)利要求】
1.一種高溫高壓含有毒有害氣體環(huán)境用恒載荷應(yīng)力環(huán)制造方法，其特征是: 第一，所述應(yīng)力環(huán)由高合金不銹鋼材料制成； 第二，所述應(yīng)力環(huán)材料的生產(chǎn)工藝流程為:I)電爐冶煉，得到所述高合金不銹鋼材料目標(biāo)成分；2)電渣重熔，得到純凈鋼和控制鋼中的夾雜物數(shù)量、分布和形態(tài)；3)鍛造，得到穿孔所需的形狀和尺寸；4)熱軋穿孔，荒管成型；5)熱處理，控制材料中析出相；6)冷軋，控制變形量，得到要求的強(qiáng)度和制作應(yīng)力環(huán)所需坯料尺寸要求； 第三，對(duì)坯料進(jìn)行機(jī)械加工，生產(chǎn)出應(yīng)力環(huán)產(chǎn)品，應(yīng)力環(huán)為整體無焊接結(jié)構(gòu)； 第四，將應(yīng)力環(huán)置于可調(diào)節(jié)溫度的恒溫箱中，利用壓力機(jī)施力于上壓塊，使應(yīng)力環(huán)發(fā)生位移，通過所施加的力值不同，測量得到不同的應(yīng)力環(huán)位移，從而得到在不同溫度下的力-位移曲線，并且滿足在不同溫度下，力-位移曲線為線性，其線性度要大于0.98。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的恒載荷應(yīng)力環(huán)制造方法，其特征是:所述高合金不銹鋼材料的主要成分以質(zhì)量百分比計(jì)包括:C:0.01-0.05、Mn:0.2-2.0、P: ￡0.03、S: ￡0.0U Cr:15-25,Mo:5-15,ff:0.3-5,N1:50-60,N:0.0005-0.2,Cu: 1-5,Co:0.3_5、A1:0.01-0.20，余量為鐵和不可避免雜質(zhì)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的恒載荷應(yīng)力環(huán)制造方法，其特征是:所述高合金不銹鋼材料的主要成分還包括:V、T1、Ca、B —種或一種以上的元素，其中V:0.01-0.3、T1:0.01-0.70、Β:0.0001-0.015、Ca:0.001-0.01。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的恒載荷應(yīng)力環(huán)制造方法，其特征是:所述應(yīng)力環(huán)產(chǎn)品尺寸為:厚度 5_35mm、內(nèi)徑 40-100_、壁厚 5_15mm。
【文檔編號(hào)】C21D8/00GK103506809SQ201210216798
【公開日】2014年1月15日 申請(qǐng)日期:2012年6月28日 優(yōu)先權(quán)日:2012年6月28日
【發(fā)明者】郭金寶, 楊建強(qiáng) 申請(qǐng)人:寶山鋼鐵股份有限公司