CN102747279A - 一种抗硫化氢应力腐蚀开裂的油套管及其制造方法 - Google Patents

Abstract

一种抗硫化氢应力腐蚀开裂的油套管及其制造方法，其成分质量百分比为：C：0.2~0.3%、Si：0.1~0.5%、Mn：0.3~0.6%、P≤0.012%、S≤0.002%、Ti：0.01~0.05%、Al：0.01~0.08%、Ca:0.0005~0.005%、B：0.001~0.003%，其余为Fe和不可避免的杂质。其制造方法如下：1）冶炼、铸造，按上述成分冶炼，铸造成管坯；2）轧制，将管坯轧制成钢管；3）热处理，加热，加热温度900~950℃，保温30~60min；水淬后回火，回火温度710℃~730℃，保温40~60min。本发明油套管具有低成本和良好的抗硫化氢应力腐蚀开裂性能，满足具有抗硫化氢应力腐蚀要求的油气田勘探开发的需要。

Description

一种抗硫化氢应力腐蚀开裂的油套管及其制造方法

技术领域

本发明涉及油套管，具体涉及一种抗硫化氢应力腐蚀开裂的油套管及其制造方法，在硫化氢环境下使用的具有良好抗硫化氢应力腐蚀。

背景技术

石油开采用油套管所使用的环境很多含有硫化氢等腐蚀介质，不仅能够对管体表面进行均匀腐蚀，还能与钢铁作用生成氢，进入钢铁基体内部，使套管发生应力腐蚀断裂，在极短的时间内失效，从而给油田生产带来极大的经济损失和安全隐患，每年因CO₂和H₂S腐蚀所产生的事故给油田带来经济损失高达亿元以上。

生产抗硫化氢腐蚀的无缝油套管工艺流程为：钢种冶炼、浇铸成管坯，轧制为无缝管后进行整管调质热处理，最后经过机械加工制成抗硫化氢应力腐蚀的油套管。

抗硫化氢腐蚀油套管与一般的石油开采用的油套管在选材和生产工艺上有所区别，主要是钢种设计和热处理工艺。

在钢种设计上，一般是加入提高淬透性和回火稳定性的合金元素，以期在淬火过程中获得更多的马氏体组织和较高的硬度，保证组织的均匀性，比如C、Mn、Cr、Mo、V等，同时对P、S、O等杂质元素进行严格控制。在热处理工艺上主要采用高温调质热处理工艺获得均匀回火索氏体组织，低合金钢的各种组织中回火索氏体组织具有最好的抗硫化氢应力腐蚀性能。

如中国专利CN00136666.1、CN200510029218.0，CN200580019466.5等，都采用加入Cr、Mo、V、Ni、Cu、Nb等一种或几种合金元素的钢种并进行热处理来生产抗硫化氢应力腐蚀的油套管，但是随着近年来合金元素价格飞涨，对于低成本的抗硫化氢应力腐蚀的油套管需求越来越强烈，目前现有油套管已不能满足用户对产品升级的要求。

表1现有抗硫化氢腐蚀油套管钢的化学成分、产品钢级

发明内容

本发明的目的在于设计一种抗硫化氢应力腐蚀开裂的油套管及其制造方法，其为一种碳锰钢成分体系的80ksi钢级抗硫化氢腐蚀油套管，性能指标：按API5CT标准，Rt0.5(屈服强度)：552-655MPa，抗拉强度：大于655MPa，延伸率：大于15%，抗硫化氢腐蚀性能：抗硫性能按照NACE0177-2005标准采用A法在加载85％以上名义屈服强度的载荷下试样经过720小时不开裂；具有低成本和良好的抗硫化氢应力腐蚀开裂性能，满足具有抗硫化氢应力腐蚀要求的油气田勘探开发的需要。

为达到上述密度，本发明的技术方案是：

本发明采用碳锰钢成分体系并添加少量B，不添加Cr、Mo、Ni、V、Ni、Cu等合金元素，控制较低的夹杂物含量和采用高温短时的热处理工艺生产抗化氢应力腐蚀的油套管。在成分设计上优化C、Mn的含量而不添加价格较高的合金元素，具有低成本的优势；添加B，利用其对晶界的强化作用，使晶界自由能降低，阻碍使晶界脆化的氢化物的形成；利用提高淬透性的作用弥补了不添加合金元素所带来的淬透性不足的问题，保证了淬火后马氏体组织的含量；由于本发明成分体系为碳锰钢，未添加Cr、Mo等合金元素，抗回火稳定性较差，如果采用一般合金抗硫管的两个小时左右的回火热处理工艺，力学性能会达不到标准要求，而且碳化物颗粒会比较粗大，不利于抗化氢应力腐蚀性能，因此采用高温短时的快速回火热处理工艺，较一般抗硫管的回火热处理温度提高10-20℃，回火时间缩短一半以上，保证获得细小均匀分布的碳化物和转变充分的回火索氏体组织，提高了抗化氢应力腐蚀性能，同时满足力学性能要求，并且由于缩短了热处理时间可以极大的提高了生产效率，降低了生产成本。

具体地，本发明的抗硫化氢应力腐蚀开裂的油套管，其成分质量百分比为：C：0.2~0.3%、Si：0.1~0.5%、Mn：0.3~0.6%、P≤0.012%、S≤0.002%、Ti：0.01~0.05%、Al：0.01~0.08%、Ca:0.0005~0.005%、B：0.001~0.003%，其余为Fe和不可避免的杂质。

在本发明成分设计中：

C：0.2~0.3%，C为碳化物形成元素，可以提高钢的强度，太低时效果不明显，太高时会显著降低钢的抗化氢应力腐蚀性能。

Si：0.1~0.5%，Si固溶于铁素体以提高钢的屈服强度，不宜过高，太高会使加工和韧性恶化，低于0.1%效果不明显。

Mn：0.3~0.6%，Mn为奥氏体形成元素，可以提高钢的淬透性，含量小于0.3时作用不明显，含量大于0.6%时，将显著增加钢中的组织偏析，影响热轧组织的均匀性及抗化氢应力腐蚀性能。

Ti：0.01~0.05%，Ti是强碳氮化物形成元素，显著细化奥氏体晶粒，由于添加了B，Ti可与N形成TiN，可防止形成BN而影响B的效果，，若含量太高，易形成粗大的TiN，降低材料性能。

B：0.001~0.003，B可以增加淬透性，能有效的强化晶界，使沿晶界的析出物降低，能延迟晶界上的裂纹形成过程，提高抗硫化物应力腐蚀开裂性能，含量小于0.001%时作用不明显，含量太高则炼钢难以精确控制。

Al：0.01~0.08%，Al在钢中起到了脱氧作用和细化晶粒的作用，另外还提高了表面膜层的稳定性和耐蚀性。当加入量低于0.01%时，效果不明显，加入量超过0.08%，力学性能变差。

Ca：0.0005~0.005%，Ca在钢种起到脱氧脱硫的作用，使杂质S与Ca形成球化的CaS，防止S与Mn生成抗硫化氢应力腐蚀性能较差的MnS,加入量超过0.005%，钢种氧化物杂质增多。

P：≤0.012%、S：≤0.002%，P和S是钢中的有害杂质元素，含量过高会恶化抗硫化物应力腐蚀性能和钢的韧性，因此应尽量降低钢中的磷、硫含量。

本发明的抗硫化氢应力腐蚀开裂的油套管的制造方法，包括如下步骤：

1)冶炼、铸造

按上述成分冶炼，铸造成管坯；

2)轧制

将管坯轧制成钢管

3)热处理

加热，加热温度900~950℃，保温30~60min；水淬后回火，回火温度710℃~730℃，保温40~60min。

经过以上加工过程的钢力学性能达到了80钢级的要求，而且其抗硫性能按照NACE 0177-2005标准采用A法在加载85%、90%名义屈服强度的载荷下试样经过720小时不开裂。抗硫化氢应力腐蚀性能检验采用NACE TM0177-2005抗硫化物应力腐蚀开裂钢铁的实验室检测方法进行检测。

本发明与现有技术相比具有的优点是：

1.本发明提供的油套管用钢，其能够在不添加Cr、Mo、V、Ni、Cu等合金的条件下用于制造80ksi钢级且具有良好抗硫化物应力腐蚀开裂的高频电阻焊石油套管。

2.采用高温短时的回火热处理工艺，在保证了抗硫化氢应力腐蚀性能的基础上使油套管热处理时间缩短一半，极大的提高了生产效率。

3.本发明提供的油套管，其符合80ksi钢级要求，性能指标：按API 5CT标准，Rt0.5(屈服强度)：552-655MPa，抗拉强度：大于655MPa，延伸率：大于15%，抗硫化氢腐蚀性能：抗硫性能按照NACE 0177-2005标准采用A法在加载85％以上名义屈服强度的载荷下试样经过720小时不开裂；可以广泛用于石油开采。

4.本发明所使用的材料合金成本很低，具有重大的经济效益。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步说明。

实施例1

实施例1化学成分见表2。钢水经电炉冶炼，连铸，加热至1250℃加热后进行穿孔和轧制，终轧温度900℃，将热轧管进行整管热处理，奥氏体化温度950℃，保温30min后水淬，回火温度710℃，保温时间60min，力学性能和抗硫化物应力腐蚀开裂性能如表3所示。

实施例2

实施例2化学成分见表2。钢水经电炉冶炼，连铸，加热至1250℃加热后进行穿孔和轧制，终轧温度930℃，将热轧管进行整管热处理，奥氏体化温度900℃，保温60min后水淬，回火温度730℃，保温时间40min，力学性能和抗硫化物应力腐蚀开裂性能如表3所示。

实施例3

实施例3化学成分见表2。钢水经电炉冶炼，连铸，加热至1250℃加热后进行穿孔和轧制，终轧温度950℃，将热轧管进行整管热处理，奥氏体化温度920℃，保温40min后水淬，回火温度720℃，保温时间40min，力学性能和抗硫化物应力腐蚀开裂性能如表3所示。

实施例4

实施例4化学成分见表2。钢水经电炉冶炼，连铸，加热至1250℃加热后进行穿孔和轧制，终轧温度910℃，将热轧管进行整管热处理，奥氏体化温度930℃，保温45min后水淬，回火温度725℃，保温时间45min，力学性能和抗硫化物应力腐蚀开裂性能如表3所示。

比较例1

与实施例1在成分上不同之处在于添加了Cr、Mo等价格较高的合金元素，没有添加微量B，奥氏体化温度950℃，保温30min后水淬，回火温度700℃，回火保温时间120min，其他制造和检测方法均一致其他制造和检测方法均一致。

比较例2与实施例2不同之处没有添加微量B和Ti，其他制造和检测方法均一致。

比较例3与实施例3不同之处在于采用传统的长时间回火热处理工艺，奥氏体化温度920℃，保温40min后水淬，回火温度680℃，保温时间120min，其他制造和检测方法均一致。力学性能和抗硫化物应力腐蚀开裂性能如表3所示。

比较例1的现有80钢级抗硫管成分合金含量较高，并且热处理效率低下，生产成本比本发明提高800元/吨，并且吨钢能耗较高，不利于节能减排。比较例2中不加B和Ti的钢种抗硫化物应力腐蚀开裂性能不满足要求。比较例3热处理效率较低，生产成本比本发明提高250元/吨以上，能耗较高，不利于节能减排。

可见，采用本发明所设计的化学成分和制造工艺，可以稳定生产出满足80ksi钢级抗硫化物应力腐蚀开裂性能良好的油套管。

表2    单位：重量百分比

表2为实施例和比较例的化学成分，比较例1为油田目前常用的80钢级抗硫化氢应力腐蚀钢成分，比较例2为不添加B和Ti的成分体系。

表3试验钢的力学性能、腐蚀性能

本发明的合金钢由于其低成本、低能耗、生产效率高并且抗硫化氢应力腐蚀开裂性能良好，可广泛用于油井管等需要耐腐蚀的油气田，其成功设计和开发将会带来巨大的经济效益，其市场前景将非常巨大。

Claims (2)

1.一种抗硫化氢应力腐蚀开裂的油套管，其成分质量百分比为：C：0.2~0.3%、Si：0.1~0.5%、Mn：0.3~0.6%、P≤0.012%、S≤0.002%、Ti：0.01~0.05%、Al：0.01~0.08%、Ca:0.0005~0.005%、B：0.001~0.003%，其余为Fe和不可避免的杂质。

2.如权利要求1所述的抗硫化氢应力腐蚀开裂的油套管的制造方法，包括如下步骤：

1)冶炼、铸造

按上述成分冶炼，铸造成管坯；

2)轧制

将管坯轧制成钢管

3)热处理

加热，加热温度900~950℃，保温30~60min；水淬后回火，回火温度710℃~730℃，保温40~60min。