CN113088832A - 一种铁镍基耐蚀合金连续管及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于石油天然气管材技术领域，特别涉及一种铁镍基耐蚀合金连续管及其制造方法，所述铁镍基耐蚀合金连续管主要适合高H2S油气井环境中应用。其中，铁镍基耐蚀合金连续管，由如下质量百分比的化学成分组成：C：≤0.03％、Cr：26～28％、Ni：28～31％、Mo：3.0～4.0％、N：≤0.11％、Mn：≤2％、Si：≤1.00％、S：≤0.030％、P：≤0.030％、Cu：0.8～1.5％，其余为Fe及不可避免的杂质。本发明制造的铁镍基耐蚀合金连续管屈服强度≥620MPa、抗拉强度≥669MPa、延伸率≥30％、硬度≤30HRC，具有良好的抗SCC性能和高强度、疲劳寿命好、耐蚀性能优良等特点，适合在H2S、CO2、Cl‑等腐蚀介质共存的酸性油气田深井和超深井中应用。
Description
技术领域
本发明属于石油天然气管材技术领域，特别涉及一种铁镍基耐蚀合金连续管及其制造方法，所述铁镍基耐蚀合金连续管主要适合高H2S油气井环境中应用。
背景技术
连续管(CT，Coiledtubing)是一种单根长度可达上万米的新型管材，主要用于油气田修井、测井、钻井、完井、油气输送等作业领域。由于其具有作业范围广、占地面积小、作业效率高、安全可靠等诸多优点，所以被油气田广泛使用。
随着经济的迅速发展，社会对石油天然气的需求与日俱增。经过长时间的油气开发，世界上易开采的油气资源逐渐枯竭，已迈向复杂地质工况条件、富含腐蚀性介质的油气田以及深井、超深油气藏资源和海洋石油天然气，高压高温、超高压高温井的不断涌现。目前，油气勘探开发的主攻方向已转变为深层、低渗透、海洋及非常规油气藏。
随着油气勘探开发的发展，油气开采面临的环境越来越恶劣，特别是CO2-H2S-Cl-、CO2-Cl-以及H2S-Cl-共存环境下的腐蚀环境，使得连续管的腐蚀问题也越来越突出，直接影响油气田生产，制约了多项采油采气技术应用。普通的碳钢、低合金钢乃至13Cr、22Cr等不锈钢已无法满足开采需求，所以国内各大油气田作业单位急需高耐蚀性连续管在H2S、CO2、Cl-等腐蚀介质共存的酸性油气田中应用。
铁镍基合金与一般的不锈钢相比，不仅具有良好的抗全面腐蚀、局部腐蚀、点蚀、缝隙腐蚀性能以及抗氧化性，且具有高温下可维持高强度，抗疲劳等机械性质，以及良好的塑性和焊接性。“一种镍基合金钢连续油管的制造方法”(CN108942103A)中公布了一种镍基合金钢连续油管的制造方法，该方法中镍基合金连续管中Ni等贵金属元素含量较高，Ni含量高达40-45％，因此采用该方法生产的镍基合金连续管的价格高，成本高，严重制约镍基耐蚀合金连续管的应用。同时由于深井、超深油气藏资源对连续管强度要求很高，所以急需一种经济型高强度高耐蚀连续管解决高腐蚀深井与超深井的油气资源开采技术问题。
“一种低碳高强度奥氏体不锈钢连续管及其制备方法”(CN111570559A)中公布了一种低碳高强度奥氏体不锈钢连续管的制造方法，该方法中奥氏体不锈钢连续管中Cr、Ni、Mo等金属元素含量低，导致其耐蚀性能大大下降。基于此原因，该方法生产的奥氏体不锈钢连续管应用受到严重制约，急需一种高强度、高耐蚀性好的连续管解决深井与超深井的耐蚀性技术问题。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种铁镍基耐蚀合金连续管及其制造方法，通过设计合金成分，钢带对接、UOE排辊成型、激光焊接、热处理等多种制造工艺，生产出具有高强度、高抗疲劳性、高塑韧性、耐蚀性能优良的铁镍基耐蚀连续管，适合在含有较高H2S、CO2、Cl-的深井、超深井酸性油气田环境中应用。
本发明的实现过程如下：
一种铁镍基耐蚀合金连续管，由如下质量百分比的化学成分组成：C：≤0.03％、Cr：26～28％、Ni：28～31％、Mo：3.0～4.0％、N：≤0.11％、Mn：≤2％、Si：≤1.00％、S：≤0.030％、P：≤0.030％、Cu：0.8～1.5％，其余为Fe及不可避免的杂质。
进一步，所述铁镍基耐蚀合金连续管的屈服强度≥620MPa、抗拉强度≥669MPa、延伸率≥30％、外径范围为Φ25.4～Φ88.9mm、壁厚范围为1.9～7.6mm、长度范围为61～10000m、硬度≤30HRC。
上述铁镍基耐蚀合金连续管的制备方法，包括如下步骤：
步骤1，铁镍基耐蚀合金连续管，由如下质量百分比的化学成分组成：C：≤0.03％、Cr：26～28％、Ni：28～31％、Mo：3.0～4.0％、N：≤0.11％、Mn：≤2％、Si：≤1.00％、S：≤0.030％、P：≤0.030％、Cu：0.8～1.5％，其余为Fe及不可避免的杂质；按照上述化学成分进行配料，冶炼并制备成卷板；
步骤2，将步骤1中的卷板进行纵剪成50～280mm的钢带；
步骤3，将步骤2中纵剪完的钢带前后端头加工成40°，进行合理坡口加工；
步骤4，将步骤3加工好坡口的钢带通过钨极氩弧焊、激光焊或等离子焊方法，并采用Ar气保护，进行对接焊，冷却后对焊缝进行打磨、清理；
步骤5，将步骤4对接清理完后的钢带侧面刨成I型坡口，采用UOE排辊成型方法控制进行钢带成型；
步骤6，将步骤5成型后的钢带采用激光焊进行纵向焊接，焊接成铁镍基耐蚀合金连续管；
步骤7，将步骤6焊接成的连续管进行全管体热处理，采用中频感应加热至1100～1200℃，保温0.5～5min后，在保护气氛下快速水冷；
步骤8，将步骤7热处理完的连续管通过卷取机缠绕到适当芯径的卷筒上，连续生产长度为61～10000m。
进一步，步骤1中，冶炼并制备成卷板的过程为将上述组分按照对应的质量百分比投入到真空感应炉中加热到1500～1600℃熔炼，然后再进行真空自耗电弧熔炼并进行均质化处理，浇铸成连铸坯；将铸坯在1170℃进行10小时均匀化处理，空冷；将均匀化处理过的铸坯加热到1150～1250℃，采用连铸技术并应用电磁搅拌控制铸成25～70mm厚度的板坯；在1000～1050℃温度下轧成2.5～8mm厚度的热轧板，然后在900℃温度下进行退火，酸洗；最后冷轧成2.3～7.65mm厚度的板材，并在1160℃退火3min，随后进行水冷卷曲，最后制成长度超过250米卷板。
进一步，步骤3中，所述坡口为I型、V型或U型。
进一步，步骤6中，激光焊的参数为坡口间隙≤0.1mm，离焦量-5～5mm，功率2Kw～12Kw，保护气氩气流量15～40L/min，焊速1.5～8m/min。
进一步，步骤6中，所述铁镍基耐蚀合金连续管的管径为Φ25.4～Φ88.9mm，壁厚为1.9～7.6mm。
本发明的有益效果在于：
(1)本发明采用添加了钼和铜的镍-铁-铬合金系，贵金属镍含量相对镍基合金较低，降低了铁镍基耐蚀合金连续管成本；它又与13Cr、22Cr及较低含镍量的奥氏体不锈钢相比，因其镍含量相对较高，显著提高了它的H2S、CO2、Cl-等的耐蚀性；同时，此钢具有高Cr量且含有3％～4％Mo和约1.0％Cu，因此在许多强还原性腐蚀环境中耐全面腐蚀性优异，而且在—些氧化性、氧化-还原复合、含卤素元素介质中，既耐全面腐蚀，又耐局部腐蚀。加之，此合金又具有奥氏体组织，其强度和塑、韧优良。因此，开发出的铁镍基耐蚀合金连续管合金体系适合在含有较高H2S、CO2、Cl-的深井、超深井酸性油气田环境中使用。
(2)本发明制造的低碳高强度铁镍基耐蚀合金连续管屈服强度≥620MPa、抗拉强度≥669MPa、延伸率≥30％、硬度≤30HRC，说明此铁镍基耐蚀合金连续管具有高强度、疲劳寿命好、耐蚀性能优良等特点，适合在H2S、CO2、Cl-等腐蚀介质共存的酸性油气田深井和超深井中应用。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步详细说明。
实施例1
本实施例所述铁镍基耐蚀合金连续管，由如下质量百分比的化学成分组成：C：0.02％、Cr：27.5％、Ni：30.4％、Mo：3.35％、N：0.08％、Mn：1.92％、Si：0.4％、S：0.025％、P：0.03％、Cu：1.0％，其余为Fe及不可避免的杂质。
上述铁镍基耐蚀合金连续管的制造方法，具体包括如下步骤：
步骤1：按照上述化学成分组成进行配料，冶炼并制备成卷板。所述冶炼并制备成卷板的过程为将上述组分按照对应的质量百分比投入到真空感应炉中加热到1500～1600℃熔炼，然后再进行真空自耗电弧熔炼并进行均质化处理，浇铸成连铸坯；将铸坯在1170℃进行10小时均匀化处理，空冷；将均匀化处理过的铸坯加热到1150～1250℃，采用连铸技术并应用电磁搅拌控制铸成25～70mm厚度的板坯；在1000～1050℃温度下轧成2.5～8mm厚度的热轧板，然后在900℃温度下进行退火，酸洗；最后冷轧成3.4mm厚度的板材，并在1160℃退火3min，随后进行水冷卷曲，最后制成长度超过600米卷板。
步骤2：将步骤1中的卷板进行纵剪成120mm的钢带；
步骤3：将步骤2中纵剪完的钢带前后端头加工成40°，进行坡口加工，坡口为I型；
步骤4：将步骤3加工好坡口的钢带通过等离子焊方法，采用Ar气保护，进行对接焊，冷却后对焊缝进行打磨、清理；
步骤5：将步骤4对接清理完后的钢带侧面刨成I型坡口，采用UOE排辊成型方法控制进行钢带成型；
步骤6：将步骤5成型后的钢带采用激光焊，坡口间隙0.09mm，离焦量+3.2mm，激光功率6.8Kw，保护气氩气流量24L/min，焊接速度为3.2m/min，进行纵向焊接，焊后确保焊缝无气孔、微裂纹等缺陷，制成管径为Φ38.1mm，壁厚为3.4mm的直缝高强度铁镍基耐蚀合金连续管；
步骤7：将步骤6焊接成的连续管进行全管体热处理，采用中频感应加热至1150℃，保温2min后，在保护气氛保护下快速水冷；
步骤8：将步骤7热处理完的连续管通过卷取机缠绕到适当芯径的卷筒上，连续生产长度为9000m的连续管，以便运输和使用。
步骤9：将步骤8得到的铁镍基耐蚀合金连续管通过检测，主要性能：屈服强度650MPa、抗拉强度785MPa、硬度23HRC、延伸率45％。
腐蚀试验检测：腐蚀试验条件：Na++K+：9.55×104mg/l，Ca2+：1.056×102mg/l，Mg2+：9.58×102mg/l，HCO3-：2.41×102mg/l，SO42-：2.582×103mg/l，Cl-：1.212×103mg/l，总矿化度：3.124×103mg/l；CO2气体压力：0.5MPa，硫化氢压力：1.38MPa，实验温度为130℃，试验时间为168小时；结果它的最大均匀腐蚀速率为0.0184mm/a。
实施例2
本实施例所述铁镍基耐蚀合金连续管，由如下质量百分比的化学成分组成：C：0.03％、Cr：26％、Ni：28％、Mo：4％、N：0.1％、Mn：1.92％、Si：0.4％、S：0.03％、P：0.03％、Cu：0.8％，其余为Fe及不可避免的杂质。
上述铁镍基耐蚀合金连续管的制造方法，具体包括如下步骤：
步骤1：按照上述化学成分组成进行配料，冶炼并制备成卷板。所述冶炼并制备成卷板的过程为将上述组分按照对应的质量百分比投入到真空感应炉中加热到1500～1600℃熔炼，然后再进行真空自耗电弧熔炼并进行均质化处理，浇铸成连铸坯；将铸坯在1170℃进行10小时均匀化处理，空冷；将均匀化处理过的铸坯加热到1150～1250℃，采用连铸技术并应用电磁搅拌控制铸成25～70mm厚度的板坯；在1000～1050℃温度下轧成2.5～8mm厚度的热轧板，然后在900℃温度下进行退火，酸洗；最后冷轧成5.2mm厚度的板材，并在1160℃退火6min，随后进行水冷卷曲，最后制成长度超过350米卷板。
步骤2：将步骤1中的卷板进行纵剪成280mm的钢带；
步骤3：将步骤2中纵剪完的钢带前后端头加工成40°，进行坡口加工，坡口为U型；
步骤4：将步骤3加工好坡口的钢带通过等离子焊方法，采用Ar气保护，进行对接焊，冷却后对焊缝进行打磨、清理；
步骤5：将步骤4对接清理完后的钢带侧面刨成I型坡口，采用UOE排辊成型方法控制进行钢带成型；
步骤6：将步骤5成型后的钢带采用激光焊，坡口间隙0.1mm，离焦量+5mm，激光功率10.6Kw，保护气氩气流量32L/min，焊接速度为2m/min，进行纵向焊接，焊后确保焊缝无气孔、微裂纹等缺陷，制成管径为Φ88.9mm，壁厚为5.2mm的直缝高强度铁镍基耐蚀合金连续管；
步骤7：将步骤6焊接成的连续管进行全管体热处理，采用中频感应加热至1100℃，保温5min后，在保护气氛保护下快速水冷；
步骤8：将步骤7热处理完的连续管通过卷取机缠绕到适当芯径的卷筒上，连续生产长度为1200m的连续管，以便运输和使用。
步骤9：将步骤8得到的铁镍基耐蚀合金连续管通过检测，主要性能：屈服强度750MPa、抗拉强度885MPa、硬度28HRC、延伸率35％。
本发明中，中频感应加热方式是利用电磁感应的原理，使置于感应线圈中的工件中产生涡流，从而使工件发热，加热至所需温度。设备采用串联谐振或并联谐振，因而功率因数较高。与传统加热方式相比具有效率高，污染小等优点。该设备在锻造和金属热处理等行业有着广泛的应用。
本发明中，UOE排辊成型方法具体为先成U型，再形成O型的成型方法，它是采用双半径偏心的方式通过平辊、立辊交替布置产生椭圆效应，对提高钢管的形位公差等级、克服钢带回弹、扭曲等不利因素，提高成品管质量起很大的作用。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作出的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施仅限于这些说明。对于本发明所属领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以作出若干简单推演或替换，都应该视为属于本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种铁镍基耐蚀合金连续管，其特征在于，由如下质量百分比的化学成分组成：C：≤0.03％、Cr：26～28％、Ni：28～31％、Mo：3.0～4.0％、N：≤0.11％、Mn：≤2％、Si：≤1.00％、S：≤0.030％、P：≤0.030％、Cu：0.8～1.5％，其余为Fe及不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述铁镍基耐蚀合金连续管，其特征在于：所述铁镍基耐蚀合金连续管的屈服强度≥620MPa、抗拉强度≥669MPa、延伸率≥30％、外径范围为Φ25.4～Φ88.9mm、壁厚范围为1.9～7.6mm、长度范围为61～10000m、硬度≤30HRC。
3.权利要求1所述铁镍基耐蚀合金连续管的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，铁镍基耐蚀合金连续管，由如下质量百分比的化学成分组成：C：≤0.03％、Cr：26～28％、Ni：28～31％、Mo：3.0～4.0％、N：≤0.11％、Mn：≤2％、Si：≤1.00％、S：≤0.030％、P：≤0.030％、Cu：0.8～1.5％，其余为Fe及不可避免的杂质；按照上述化学成分进行配料，冶炼并制备成卷板；
步骤2，将步骤1中的卷板进行纵剪成50～280mm的钢带；
步骤3，将步骤2中纵剪完的钢带前后端头加工成40°，进行合理坡口加工；
步骤4，将步骤3加工好坡口的钢带通过钨极氩弧焊、激光焊或等离子焊方法，并采用Ar气保护，进行对接焊，冷却后对焊缝进行打磨、清理；
步骤5，将步骤4对接清理完后的钢带侧面刨成I型坡口，采用UOE排辊成型方法控制进行钢带成型；
步骤6，将步骤5成型后的钢带采用激光焊进行纵向焊接，焊接成铁镍基耐蚀合金连续管；
步骤7，将步骤6焊接成的连续管进行全管体热处理，采用中频感应加热至1050～1200℃，保温0.5～5min后，在保护气氛下快速水冷；
步骤8，将步骤7热处理完的连续管通过卷取机缠绕到适当芯径的卷筒上，连续生产长度为61～10000m。
4.根据权利要求3所述铁镍基耐蚀合金连续管的制备方法，其特征在于：步骤1中，冶炼并制备成卷板的过程为将上述组分按照对应的质量百分比投入到真空感应炉中加热到1500～1600℃熔炼，然后再进行真空自耗电弧熔炼并进行均质化处理，浇铸成连铸坯；将铸坯在1170℃进行10小时均匀化处理，空冷；将均匀化处理过的铸坯加热到1150～1250℃，采用连铸技术并应用电磁搅拌控制铸成25～70mm厚度的板坯；在1000～1050℃温度下轧成2.5～8mm厚度的热轧板，然后在900℃温度下进行退火，酸洗；最后冷轧成2.3～7.65mm厚度的板材，并在1160℃退火3min，随后进行水冷卷曲，最后制成长度超过250米卷板。
5.根据权利要求3所述铁镍基耐蚀合金连续管的制备方法，其特征在于：步骤3中，所述坡口为I型、V型或U型。
6.根据权利要求3所述铁镍基耐蚀合金连续管的制备方法，其特征在于：步骤6中，激光焊的参数为坡口间隙≤0.1mm，离焦量-5～5mm，功率2Kw～12Kw，保护气氩气流量15～40L/min，焊速1.5～8m/min。
7.根据权利要求3所述铁镍基耐蚀合金连续管的制备方法，其特征在于：步骤6中，所述铁镍基耐蚀合金连续管的管径为Φ25.4～Φ88.9mm，壁厚为1.9～7.6mm。
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