本發(fā)明涉及一種不銹鋼油井管的制造方法,尤其涉及一種高強(qiáng)高韌耐腐蝕馬氏體不銹鋼油井管及其制造方法。
背景技術(shù):
國內(nèi)外許多地區(qū)儲(chǔ)藏著豐富的石油、天然氣資源,但較多儲(chǔ)藏地質(zhì)中含有二氧化碳腐蝕性氣體和高的氯離子濃度。從將來石油資源逐漸枯竭的觀點(diǎn)出發(fā),這些嚴(yán)酷環(huán)境下的油氣井的開發(fā)正在積極的進(jìn)行之中。因此對(duì)適用于此種用途的油井管,要求具有高強(qiáng)度,并且耐腐蝕性能優(yōu)良,此外為適用于國內(nèi)的東北地區(qū)和國外的北極等寒冷區(qū)域,低溫韌性亦非常重要。
一直以來,作為油井管的鋼材,一般使用碳鋼或低合金鋼,但是隨著油氣儲(chǔ)藏環(huán)境變得嚴(yán)酷,已經(jīng)開始逐漸增加鋼中合金的含量。例如目前在二氧化碳腐蝕環(huán)境中使用的API標(biāo)準(zhǔn)鋼級(jí)L80-13Cr和SUP13Cr類馬氏體不銹鋼。L80-13Cr采用的鋼種在552MPa及以下鋼級(jí)有合理的強(qiáng)韌性匹配,低溫韌脆轉(zhuǎn)變溫度在-30℃左右,但是當(dāng)增加到655MPa鋼級(jí)及以上強(qiáng)度時(shí),韌性急劇下降,已經(jīng)不能滿足使用要求。SUP13Cr可以達(dá)到862MPa鋼級(jí)且具有優(yōu)良低溫韌性,但是由于含有超過7%的Ni和Mo等合金元素,成本高,亦大大限制了其廣泛應(yīng)用。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:
本發(fā)明的目的在于,解決上述現(xiàn)有技術(shù)的不足,提供一種高強(qiáng)高韌耐腐蝕馬氏體不銹鋼油井管及其制造方法。通過降低碳含量,控制合金元素配比和微量元素Nb、V、W的同時(shí)加入,獲得一種具有高強(qiáng)度高韌性耐腐蝕的具有單一馬氏體組織的不銹鋼油井管,且成本較低。
為實(shí)現(xiàn)上述目的,本發(fā)明提供了一種高強(qiáng)高韌耐腐蝕馬氏體不銹鋼油井管,其中:該油井管化學(xué)元素質(zhì)量%含量為:C≤0.03,Si:0.20-0.50,Mn:0.20~1.50,Cr:9.0~12.5,Ni:0.5-3.0,Mo:0.1~1.0,V:0.01~0.2,Nb:0.01~0.08,W:0.01~0.50,Al:0.005-0.060,P≤0.02,S≤0.005,余量為Fe和不可避免的雜質(zhì),形成單一馬氏體組織的油井管。
同時(shí)提供一種高強(qiáng)高韌耐腐蝕馬氏體不銹鋼油井管的制造方法。
本發(fā)明的有益效果是:
(1)屈服強(qiáng)度Rp0.2達(dá)到862MPa以上,且殘余應(yīng)力低;
(2)具有優(yōu)異的韌性,低溫韌脆轉(zhuǎn)變溫度在-80℃以下。
(3)具有單一的馬氏體組織,避免在油田酸化作業(yè)過程中發(fā)生鐵素體的選擇性腐蝕。
(4)可以使用于CO2和Cl-離子共存的高溫高壓油氣田腐蝕環(huán)境。
(5)合金配比合理,成本比原有SUP13Cr低30%以上。
附圖說明
圖1為本發(fā)明的高強(qiáng)高韌耐腐蝕馬氏體不銹鋼油井管的金相組織圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的高強(qiáng)高韌耐腐蝕馬氏體不銹鋼油井管及其制造方法作進(jìn)一步闡述。
本發(fā)明所述的高強(qiáng)高韌經(jīng)濟(jì)耐蝕的馬氏體不銹鋼油井管在成分設(shè)計(jì)方面,通過降低C含量添加Cr、Mo來獲得抗腐蝕性能,添加適量的Ni元素保證經(jīng)過常規(guī)熱處理即可獲得單一馬氏體組織從而得到高強(qiáng)度,從而避免了在油田酸化作業(yè)過程中發(fā)生鐵素體的選擇性腐蝕。為了降低成本,本發(fā)明不追求過高的Ni、Mo含量,而是通過合金的優(yōu)化配比獲得綜合性能最佳。
高強(qiáng)高韌耐腐蝕馬氏體不銹鋼油井管,其特征是:該油井管化學(xué)元素質(zhì)量%含量為:C≤0.03,Si:0.20-0.50,Mn:0.20~1.50,Cr:9.0~12.5,Ni:0.5-3.0,Mo:0.1~1.0,V:0.01~0.2,Nb:0.01~0.08,W:0.01~0.50,Al:0.005-0.060,P≤0.02,S≤0.005,余量為Fe和不可避免的雜質(zhì),形成單一馬氏體組織的油井管。所述油井管的屈服強(qiáng)度Rp0.2達(dá)862MPa以上,且低溫韌脆轉(zhuǎn)變溫度在-80℃以下。
本發(fā)明不銹鋼油井管化學(xué)成分說明:
C:鋼中若有大量C存在就會(huì)降低低溫韌性,且降低該鋼在CO2環(huán)境中的耐腐蝕性。因此,降低C含量對(duì)改善這些性能有效,當(dāng)C≤0.03%時(shí),這種效果更好。
Si:Si是脫氧所必要的元素,也能提高鋼的強(qiáng)度,但加入大量的硅會(huì)降低韌性和耐蝕性,所以將其含量控制在0.20~0.50%范圍內(nèi)。
Mn:對(duì)含C≤0.03%的鋼種,Mn提高鋼的強(qiáng)度并有效地脫氧。Mn是奧氏體化形成元素,可部分代替Ni,降低成本。但是過高的Mn含量降低腐蝕性能。因此優(yōu)選的控制范圍為:0.20-1.50%
P、S:P和S是雜質(zhì)元素。為提高韌性和耐蝕性,要盡量降低其含量。但又不能不考慮煉鋼的成本,可是為了得到更好的抗腐蝕性能,優(yōu)選的控制P<0.020%、S<0.005%。
Cr:Cr是組成馬氏體不銹鋼最基本和最必要的元素,用以使鋼獲得必要的耐蝕性,對(duì)于減慢CO2-Cl-環(huán)境中的腐蝕速度極為有利;另一方面它的彌散碳化物也是氫的強(qiáng)陷阱。當(dāng)鋼中Cr含量少于9%時(shí),它的耐蝕性還不夠高,當(dāng)含量超過12.5%時(shí),為最終獲得單一的馬氏體組織,需要增加Ni含量,增加成本,并且軋制難度加大。所以Cr的含量優(yōu)選的控制范圍為:9.0-12.5%。
Mo:Mo能顯著提高不銹鋼耐全面腐蝕與局部腐蝕的能力,對(duì)改善不銹鋼在濕CO2-Cl-環(huán)境下的耐蝕性有效,改善鋼的鈍化性能。Mo也可阻礙P偏析。但當(dāng)其含量過高時(shí),其改善效果會(huì)達(dá)到飽和,優(yōu)選含量為0.10-1.00%。
Al:Al是脫氧劑,其含量低于0.005%時(shí)不能達(dá)到這種效果,但含量過高時(shí),易導(dǎo)致夾雜物增多,易發(fā)生點(diǎn)蝕且降低韌性和熱加工性能。因此優(yōu)選的控制在0.005%-0.060%。
Ni:Ni可改善不銹鋼在濕CO2環(huán)境下的耐蝕性,抑制δ-鐵素體的生成,保證最終通過常規(guī)熱處理即可獲得單一馬氏體組織。Ni還能提高鋼的熱力學(xué)穩(wěn)定性和鋼的低溫韌性,但由于Ni是稀缺資源,價(jià)格高,所以應(yīng)盡量減少Ni的使用。因此優(yōu)選的控制范圍為:0.5~3.0%之間。
V:是特意加入的元素,對(duì)進(jìn)一步改善耐蝕性有效,對(duì)提高鋼的回火強(qiáng)度有利,但含量過高時(shí)韌性反而降低,因此其含量控制在0.01~0.20%之間。
Nb:是特意加入元素,可細(xì)化晶粒,對(duì)提高韌性和耐腐蝕性有利,但含量過高時(shí)韌性反而降低,因此其含量取為0.01~0.08%之間。
W:是特意加入元素,以提高鋼的強(qiáng)度,對(duì)進(jìn)一步改善高溫耐蝕性有效。但含量超過0.50%易生成有害相,降低韌性和熱加工性,因此其含量控制在0.01~0.5%之間。
本發(fā)明中不可避免的雜質(zhì)元素主要是指O、H和五害元素。
本發(fā)明同時(shí)提供了上述高強(qiáng)高韌耐蝕馬氏體不銹鋼油井管的制造方法,具體包括以下步驟:煉鋼、模鑄鍛造、退火、環(huán)形爐加熱、穿孔、連軋、熱處理。
在上述的高強(qiáng)度高韌性耐腐蝕馬氏體不銹鋼油井管的制造方法中,在模鑄鍛造步驟中,采用模鑄熱送,鋼錠的入爐前溫度要控制在600℃以上,然后入爐加熱,加熱到1150℃以上再進(jìn)行鍛造。鍛坯的退火溫度為800℃-900℃,保溫時(shí)間為根據(jù)坯子直徑設(shè)定為3-5min/mm。冷卻速度≤30℃/h。
在上述的高強(qiáng)度高韌性耐腐蝕馬氏體不銹鋼油井管的制造方法中,在軋制步驟中,采用錐形穿孔機(jī)穿孔,PQF或MPM機(jī)組連軋,再通過定徑機(jī)或張減機(jī)定徑。
在上述的高強(qiáng)度高韌性耐腐蝕馬氏體不銹鋼油井管的制造方法中,在熱處理步驟采用淬火和二次回火。淬火加熱爐中加熱到920~1000℃,保溫時(shí)間根據(jù)壁厚設(shè)定為3-6min/mm,以不低于空冷的速度冷卻至室溫,然后在回火加熱爐中加熱到550~650℃,進(jìn)行高溫回火,保溫時(shí)間根據(jù)壁厚設(shè)定為5-10min/mm,然后進(jìn)行熱矯直,矯直出口溫度≥400℃,然后空冷至室溫;第二次回火溫度為低于第一次回火溫度50-100℃,保溫時(shí)間根據(jù)壁厚設(shè)定為4-7min/mm,然后不再進(jìn)行矯直。
實(shí)施例A-D和比較例E-G。
按照下述步驟制造本發(fā)明所述的高強(qiáng)高韌耐腐蝕馬氏體不銹鋼油井管。
1)煉鋼:電爐/感應(yīng)爐熔煉→鋼包精煉→VOD→喂絲處理,最終獲得如表1所示的化學(xué)成分。
2)模鑄鍛造:
模鑄熱送,鋼錠的入爐前溫度要控制在600℃以上,然后入爐加熱。鍛造溫度在1150℃~1250℃之間,選擇合理的模鑄斷面,保證鍛造比≥4,以改善鑄坯芯部質(zhì)量,減少軋制后內(nèi)表面缺陷。
3)鍛坯退火
鍛坯的退火溫度為800℃-900℃,保溫時(shí)間為根據(jù)坯子直徑設(shè)定為3-5min/mm。冷卻速度≤30℃/h,以確保坯子不會(huì)開裂。
4)環(huán)形爐加熱
環(huán)形爐加熱溫度控制在1200~1250℃,溫度過高會(huì)析出有害相,溫度過低則變形抗力大,增加軋制負(fù)荷,易形成表面缺陷。
5)軋制
采用錐形穿孔機(jī)穿孔,PQF或MPM機(jī)組連軋,再通過定徑機(jī)或張減機(jī)定徑,軋出177.80*10.36mm無縫鋼管。
6)淬火
將無縫鋼管在步進(jìn)式高溫爐里進(jìn)行加熱和保溫,保溫溫度為920~1000℃。高溫淬火是為了使鋼管充分奧氏體化,由于該鋼的成分設(shè)計(jì)中,含有一定量的Cr、Ni、Mo合金和Nb、V、W微合金,高溫保溫會(huì)使這些元素更加均勻化,減少成品的成分偏析;但是過高的奧氏體化溫度又會(huì)使奧氏體晶粒迅速長大,對(duì)韌性和抗腐蝕性能不利,因此高溫奧氏體化淬火的溫度為920~1000℃。
7)第一次回火
將高溫淬火后的鋼管進(jìn)步進(jìn)式低溫爐進(jìn)行回火處理,回火溫度為550~650℃。本次回火的目的是達(dá)到所需的力學(xué)性能,而又使析出合金碳化物不過分長大影響韌性,因此回火溫度設(shè)為550~650℃,保溫時(shí)間根據(jù)鋼管規(guī)格為30~60min。
8)熱矯直
回火后,加快輥道速度,在不低于400℃的條件下,通過3點(diǎn)6輥矯直機(jī)進(jìn)行熱矯直,保證鋼管的直度和低矯直應(yīng)力。
9)第二次回火
雖然不進(jìn)行冷加工,但是調(diào)質(zhì)后的鋼管仍然存在著殘余應(yīng)力,一般在100~200MPa,而這種殘余應(yīng)力會(huì)使得鋼管在使用過程中容易發(fā)生失效。經(jīng)研究和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明,這種殘余應(yīng)力是由熱矯直產(chǎn)生的。因此為了得到低殘余應(yīng)力的鋼管,則需要進(jìn)行再一次的回火。為了避免影響力學(xué)性能,去應(yīng)力回火溫度比高溫回火溫度低50~100℃,保溫時(shí)間根據(jù)壁厚設(shè)定為42-73min,經(jīng)過本次回火后,鋼管的殘余應(yīng)力基本可以消除。
由于沒有再次淬火,不會(huì)產(chǎn)生淬火變形,因此,去應(yīng)力后不再進(jìn)行矯直,也避免了新的殘余應(yīng)力的產(chǎn)生。
表1顯示了實(shí)施例A-D和比較例E—G的化學(xué)成分。
表1化學(xué)成分
具有表1化學(xué)成分的鋼管進(jìn)行了不同制度的熱處理,具體見表2。
表2熱處理工藝
將按本方案制成的實(shí)施例和比較例鋼管進(jìn)行如下測(cè)試:
屈服強(qiáng)度測(cè)試:根據(jù)API 5CT標(biāo)準(zhǔn)中的要求加工成平行段寬度為25mm的拉伸試樣,按標(biāo)準(zhǔn)拉伸速率在拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行檢測(cè)。
韌脆轉(zhuǎn)變溫度測(cè)試:依據(jù)ASTM E23選取沖擊功試樣,試樣尺寸為縱向55mmx10mmx7.5mm V型缺口,在擺錘沖擊試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn),測(cè)定沖擊功。韌脆轉(zhuǎn)變溫度為沖擊試樣斷口纖維區(qū)和結(jié)晶區(qū)各占50%的試驗(yàn)溫度。
金相組織觀察:在鋼管上取樣后,制成表面拋光的金相試樣,使用FeCl3+HCl溶液將其拋光后的表面腐蝕15秒鐘后,取出沖凈吹干,在金相顯微鏡上觀察。
腐蝕性能測(cè)試:進(jìn)行兩種腐蝕性能測(cè)試,一種模擬產(chǎn)層地質(zhì)條件,一種模擬酸化液腐蝕。
1)模擬產(chǎn)層地質(zhì)條件腐蝕,即高溫下的CO2和Cl-均勻腐蝕實(shí)驗(yàn)
試樣尺寸為50mmx10mmx3mm,將試樣浸入如下環(huán)境的溶液中,溫度為150℃,CO2壓力為3.5bar和15%NaCl的水溶液,試驗(yàn)周期為168h。對(duì)腐蝕試驗(yàn)后的試驗(yàn)片測(cè)定重量,求出從腐蝕試驗(yàn)前后的重量差計(jì)算出的腐蝕速度。并且對(duì)試驗(yàn)后的腐蝕試驗(yàn)片進(jìn)行觀察,如有點(diǎn)蝕則使用200倍的金相顯微鏡聚焦的方法測(cè)量點(diǎn)蝕坑深度,其中,對(duì)于點(diǎn)腐蝕,將觀察到點(diǎn)蝕深度為0.2mm以上的情況判斷為發(fā)生點(diǎn)腐蝕,除此之外判斷為沒有點(diǎn)腐蝕。所得到的結(jié)果如表3所示。
2)模擬油田酸化液腐蝕
由于油田作業(yè)過程中多數(shù)存在酸化壓裂的過程,以增加產(chǎn)量。酸化液一般為HCl和HF的混合液,對(duì)鋼管有極強(qiáng)的腐蝕性。本實(shí)驗(yàn)中HCl和HF的混合液比例為1:1,試驗(yàn)溫度80℃,試驗(yàn)時(shí)間為4h。對(duì)腐蝕試驗(yàn)后的試驗(yàn)片測(cè)定重量,求出從腐蝕試驗(yàn)前后的重量差計(jì)算出的腐蝕速度。并且對(duì)試驗(yàn)后的腐蝕試驗(yàn)片進(jìn)行觀察,如有點(diǎn)蝕則使用200倍的金相顯微鏡聚焦的方法測(cè)量點(diǎn)蝕坑深度,其中,對(duì)于點(diǎn)腐蝕,將觀察到點(diǎn)蝕深度為0.2mm以上的情況判斷為發(fā)生點(diǎn)腐蝕,除此之外判斷為沒有點(diǎn)腐蝕。所得到的結(jié)果如表3所示。
表3微觀組織、力學(xué)性能和腐蝕性能
通過表3可以看出:實(shí)施例A~D鋼管的屈服強(qiáng)度均達(dá)到了862MPa以上,沖擊韌性優(yōu)異,且韌脆轉(zhuǎn)變溫度均在-80℃以下。金相組織均為單一的馬氏體組織,在油田酸化液腐蝕實(shí)驗(yàn)中表現(xiàn)出較好的抗腐蝕性能。此外,從表3中還可以看到,比較例E的Cr含量超出范圍,導(dǎo)致其室溫微觀組織中含有較多的鐵素體從而無法達(dá)到高的強(qiáng)度,在模擬產(chǎn)層腐蝕時(shí),在鐵素體和馬氏體相界面處發(fā)生點(diǎn)蝕,且在油田酸化液腐蝕中發(fā)生明顯的鐵素體選擇性腐蝕,腐蝕速率高。比較例F為目前普遍使用的普通13Cr,經(jīng)熱處理還未達(dá)到862Mpa,沖擊韌性已幾乎沒有,不具備應(yīng)用價(jià)值,且由于C量較高,腐蝕性能較差。比較例G為SUP13Cr,可以達(dá)到862MPa以上,韌脆轉(zhuǎn)變溫度和腐蝕性能都滿足要求,但是其Ni和Mo含量合計(jì)超過7%,價(jià)格遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于本發(fā)明油井管。
本技術(shù)領(lǐng)域中的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到,以上的實(shí)施例僅是用來說明本發(fā)明,而并非用作為對(duì)本發(fā)明的限定,只要在本發(fā)明的實(shí)質(zhì)范圍內(nèi),對(duì)以上所述實(shí)施例的變化或變型均為本發(fā)明的權(quán)利要求書范圍內(nèi)。