CN114959512B - 稠油热采井用高强焊接套管用钢及生产方法、稠油热采井用高强焊接套管热处理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了稠油热采井用高强焊接套管用钢及生产方法、稠油热采井用高强焊接套管热处理方法，成分：C：0.14％‑0.20％、Si：≤0.30％、Mn：0.80％‑1.20％、P：≤0.015％、S：≤0.0050％、Mo：0.10％‑0.30％、V：0.03‑0.06％、Ti：0.01‑0.03％、Cr：0.80‑1.20％；Als：0.020‑0.035％、N：≤0.0040％；其余为Fe及不可避免的夹杂。本发明通过合理的成分设计、冶炼和轧制工艺获得热轧卷，热处理工艺使得产品具备良好的强塑性、更高的高温力学性能和蠕变性能。

Description

稠油热采井用高强焊接套管用钢及生产方法、稠油热采井用 高强焊接套管热处理方法
技术领域
本发明属于热连轧钢卷，尤其是涉及稠油热采井用高强焊接套管用钢及生产方法、稠油热采井用高强焊接套管热处理方法。
背景技术
稠油指的是粘度较高的油藏，世界范围内稠油资源丰富，主要分布在加拿大、美国、俄罗斯、中国，总量约4000-6000×108m3，国内稠油资源主要分布在辽河、胜利、河南和新疆，累计探明稠油储量约20×108t。目前，热力采油是稠油开采的主要方法，蒸汽吞吐是热力采油的最主要方法，通过将300-350℃的蒸汽从注汽管注入，使蒸汽停留在油藏顶部并对油藏进行预热，降低油藏的粘度，待油层扩散之后再开井生产。
蒸汽吞吐开采过程中，钢管在注入高温高压蒸汽受到很大压力，停注采油时，由于降温钢管又受到很大的拉应力，钢管在这种高温环境中承受反复的拉-压应力而极易损坏。注蒸汽作为稠油井提高采收率的主要途径，其注蒸汽的平均温度在320℃左右，高的在350℃以上。由于高温蒸汽的注入，套管除了承受拉伸、内压、外挤等载荷外，还受到由热应力引起的压缩载荷，以及由于往复注气、停注引起的压缩、拉伸的交变载荷。因此，需要研发一种常温强度高、塑性好，高温强度下降较小、并且具备高温蠕变速率低的新型稠油井开采的套管产品。
2013年6月5日公开公开号为CN 103131947A的专利公开的一种高性能低碳微合金钢SEW膨胀套管及其制造方法，所述膨胀套管的化学成分以质量百分比计为：C 0.10-0.25％、Si 0.12-0.30％、Mn 0.60-1.50％、P≤0.010％、S≤0.005％、Nb+V+Ti 0.05-0.5％、其余为Fe和不可避免的杂质，该专利以高尺寸精度控制的低碳微合金钢TMCP热轧卷板为原料，并利用热机械轧制、热张力减径和全管体特殊热处理工艺对HFW焊管进行整管处理，从而实现焊缝组织优化，满足膨胀套管的相关要求；但由于该专利以低碳微合金为套管材料，其发生一定量的冷塑性变形后材料的塑韧性显著降低，尤其是高温强度下降明显，不能满足稠油热采井的苛刻环境。
2001年3月21日公开的申请号为00100635.5的专利公开了一种超稠油热采井用高强度石油套管及其生产方法，主要采用中碳Cr-Mo钢通过调质热处理制造，其不足之处是发明的产品仅限于300℃温度条件下使用，对于经常出现的350℃以上的工况条件未做相应的说明。
发明内容
本发明的目的在于提供一种稠油热采井用高强焊接套管用钢及其制造方法，合金元素成本较低，初期焊接性能优良。
本发明还提供了一种利用上述稠油热采井用高强焊接套管用钢生产稠油热采井用高强焊接套管的热处理方法，生产的钢管常温下屈服强度在800-850MPa、抗拉强度900-960MPa、横向-10℃夏比冲击功Akv≥100J、延伸率A≥13％；在350℃条件下，典型屈服强度在720-750MPa、抗拉强度820-850MPa、延伸率A在12-15％；在400℃条件下，典型屈服强度670-710MPa、抗拉强度750-800MPa、延伸率A为9-12％。在350℃下，典型实施例的强度相比较常温下，降低≤15％。在400℃、0.8应力系数(552MPa)的条件下，蠕变速率为≤3.79×10-6％·s-1。
本发明具体技术方案如下：
一种稠油热采井用高强焊接套管用钢，包括以下质量百分比成分：
C：0.14％-0.20％、Si：≤0.30％、Mn：0.80％-1.20％、P：≤0.015％、S：≤0.0050％、Mo：0.10％-0.30％、V：0.03-0.06％、Ti：0.01-0.03％、Cr：0.80-1.20％；Als：0.020-0.035％、N：≤0.0040％；其余为Fe及不可避免的夹杂。
所述稠油热采井用高强焊接套管用钢成分满足：C/Mo＝0.5～2.0、C/Cr＝0.12～0.17；主要的提高耐热性能元素Cr、Mo应该和C元素保持一定的配比，以保证钢的高温性能。
所述稠油热采井用高强焊接套管用钢的组织为铁素体、珠光体和少量的贝氏体组织，其中，铁素体的面积占比约60-80％，珠光体面积占比约20-40％，贝氏体占比≤5％，晶粒度等级为8.0-10.0级，较高的铁素体占比是为了获得较低的原始板卷强度，以便于焊接过程中的易成型。
本发明提供的一种稠油热采井用高强焊接套管用钢的生产方法，包括以下工艺：铁水预处理、转炉冶炼、LF炉精炼、RH炉精炼、连铸、铸坯缓冷、加热、轧制、层流冷却以及卷取，获得厚度在8-12mm的热轧板卷。
所述生产工艺具体为：
所述铁水预处理具体为：需要进行前扒渣和后扒渣操作，控制脱硫后的铁水[S]≤0.0050％；
所述转炉冶炼具体为：[P]≤0.015％，[S]≤0.0050％；出钢过程加入大部分合金使钢水成分达到或接近内控下限；做好挡渣操作，防止下渣回磷；
所述LF炉精炼具体为：钢包顶渣充分还原，调成分至目标值或接近目标值；
所述RH炉精炼具体为：调整所有成分至目标值；真空处理12min以上，使钢水[H]≤1.2ppm，终点的[Ca]含量控制在15-30ppm。
所述连铸具体为：中包进行烘烤，时间≥24h；中包目标温度控制在液相线温度以上10-25℃；最终浇铸成厚度为230mm的铸坯。
所述铸坯缓冷具体为：铸坯堆垛缓冷48小时以上；
所述加热具体为：初始连铸板坯的出炉温度在1170-1210℃，主要目的是保证材料完全奥氏体化，使合金元素充分固溶。
所述轧制具体为：采用两阶段轧制，第一阶段是再结晶区域轧制，轧制温度控制在1000-1060℃，通过反复变形和再结晶，使奥氏体晶粒显著细化，第二阶段是在未再结晶区域轧制，轧制温度控制在900-1000℃，是形变和相变同时进行的阶段，在这阶段中奥氏体晶粒被伸长，同时产生滑移带，奥氏体晶界的增加和滑移带出现为铁素体形核提供了有利条件，进而得到细晶粒铁素体。为了保证板卷具备优良的初期焊接性能，轧后板卷进行层流冷却，冷却结束温度在650-750℃，在该温度下进行卷取。
本发明提供的一种利用上述稠油热采井用高强焊接套管用钢生产稠油热采井用高强焊接套管的热处理方法，具体为：先淬火，再回火。
所述淬火具体为：温度920±20℃，保温时间40±5min，水淬；
所述回火具体为：温度550±20℃，保温时间80±5min，保温后空冷。
本发明合理的成分设计是获得产品的首要基础，本发明中：
C：C元素主要是提高淬透性，与钢中其他合金元素形成的碳化物可以提高强度，C含量低于0.14％，钢的淬透性和强度则难以保证，但C元素对钢的韧性会起到破坏作用，C高于0.20％，则韧性难以保证，所以本发明C控制在0.14％-0.20％。
Si：硅在这里主要是起脱氧作用，但对韧性损害较大，故将其限定在0.30％以下。
Mn：锰可提高淬透性，与钢中的S元素结合成MnS，可以避免钢的热脆性的产生，同时Mn可以扩大钢的奥氏体区，可以细化晶粒，起到改善钢的强韧性的作用，含量低于0.80％时作用不明显，含量超过1.20％时，促使有害元素在晶界偏聚的作用开始明显，降低超高强油井管钢的韧性，同时使钢易产生硫化氢应力腐蚀，所以本发明将Mn控制在0.80％-1.20％。
Cr：铬提高淬透性，改善钢的强韧性，并具有耐蚀作用，是一种强析出物形成元素，后续热处理时，可扩大热处理工艺窗口，形成析出物，明显提高钢材强度。为达到本发明的目的，Cr更优选的范围为0.80％～1.20％。
Mo：提高奥氏体的稳定性，在后续热处理过程中，提高热处理控制工艺的稳定性(扩大热处理工艺窗口)；通过与V和Ti的析出，提高钢材强度，且Mo对析出相细化效果明显，可抑制析出相的熟化和长大，但Mo合金成本较高，故本发明更优选的范围为0.10％-0.30％。
V：钒形成C、N化物，具有细化晶粒、提高强度的作用，可以改善钢的强韧性。为达到本发明的目的，V更优选的范围为0.03％-0.06％。
Ti：钛是典型的析出强化元素，在本专利中，主要利用TiN的析出，抑制后续焊接过程中热影响区的晶粒长大，剩余的Ti与C结合，其析出强化作用，提高钢材强度。
P、S为钢中有害杂质元素，会诱发偏析，增大材料脆性，因此，其含量越低越好。
为保证钢的高温性能，成分设计时候满足：C/Mo＝0.5～2.0、C/Cr＝0.12～0.17；主要的提高耐热性能元素Cr、Mo应该和C元素保持一定的配比。
本发明钢中的Cr、Mn和Mo会在本发明条件下的热处理后会形成强碳化物的析出相，从透射电镜的分析图中可以发现，基体中存在大量的直径在100-150nm左右的球状析出相，以及长度在200nm左右的棒状析出相，具体见图5和图6所示。位错滑移过程中会切割析出相形成层错，以上发明中的Cr、Mn和Mo形成的强碳化物析出相形成交错分布，位错的滑移不易绕过，主要通过切割的方式开动，这无疑提高了试验钢的蠕变性能，对本发明中获得更优异性能的产品有显著效果。
本发明通过合理的成分设计、冶炼和轧制工艺获得热轧卷，热处理工艺使得产品具备良好的强塑性、更高的高温力学性能和蠕变性能。本发明涉及的冶炼、热轧、冷却，包括后续的热处理等各道工序之间的关系都是紧密相连，不可分割的。在冶炼工序，严格控制钢水中的P、S以及气体含量，保证合金元素的含量，提高钢水纯净度，以便于后续热处理中产品强度和塑性的保证；在热轧和冷却工序，较高的卷取温度，获得铁素体和珠光体和少量的贝氏体组织，并且保持较高的铁素体组织占比，是为了获得较低的原始板卷的强度，以便于焊接过程中的易成型；在热处理工序，为了获得最终的较高的韧性指标，则回火温度不能过低，选择在550±20℃，则能够保证最终产品的冲击韧性能够达到较高水平(≥100J)。
与现有技术相比，采用本发明生产的高强韧焊接套管用钢组织为铁素体、珠光体和少量的贝氏体组织，调质处理后整管的常温下屈服强度在800-850MPa、抗拉强度900-960MPa、横向-10℃夏比冲击功Akv≥100J、延伸率A≥13％；在350℃条件下，典型屈服强度在720-750MPa、抗拉强度820-850MPa、延伸率A在12-15％，在400℃条件下，典型屈服强度在670-710MPa、抗拉强度750-800MPa、延伸率A在9-12％。常温和350℃条件下典型代表例的强度的下降≤15％。在400℃、0.8应力系数(552MPa)的条件下，蠕变速率为≤3.79×10-6％·s-1。
附图说明
图1为本发明典型的热轧板卷的金相组织；
图2为本发明典型的调质处理后的金相组织；
图3为本发明典型的常温和高温的拉伸曲线；
图4为本发明典型实施例在400℃、0.8应力系数下的蠕变曲线；
图5为本发明典型实施例析出相的TEM形貌；
图6为析出相的粒子能谱；
图7为对比例的热轧态组织图。
具体实施方式
本发明提供的一种稠油热采井用高强焊接套管用钢，包括以下质量百分比：
C：0.14％-0.20％、Si：≤0.30％、Mn：0.80％-1.20％、P：≤0.015％、S：≤0.0050％、Mo：0.10％-0.30％、V：0.03-0.06％、Ti：0.01-0.03％、Cr：0.80-1.20％；Als：0.020-0.035％、N：≤0.0040％；其余为Fe及不可避免的夹杂。
所述稠油热采井用高强焊接套管用钢的生产方法为：铁水预处理、转炉冶炼、LF炉精炼、RH炉精炼、连铸、铸坯缓冷、加热、轧制、层流冷却以及卷取，获得厚度在8-12mm的热轧板卷；生产中，所述铁水预处理具体为：需要进行前扒渣和后扒渣操作，控制脱硫后的铁水[S]≤0.0050％；所述转炉冶炼具体为：[P]≤0.015％，[S]≤0.0050％；出钢过程加入大部分合金使钢水成分达到或接近内控下限；做好挡渣操作，防止下渣回磷；所述LF炉精炼具体为：钢包顶渣充分还原，调成分至目标值或接近目标值；所述RH炉精炼具体为：调整所有成分至目标值；真空处理12min以上，使钢水[H]≤1.2ppm，终点的[Ca]含量控制在15-30ppm。所述连铸具体为：中包进行烘烤，时间≥24h；中包目标温度控制在液相线温度以上10-25℃；最终浇铸成厚度为230mm的铸坯。所述铸坯缓冷具体为：铸坯堆垛缓冷48小时以上；初始连铸板坯的出炉温度在1170-1210℃，主要目的是保证材料完全奥氏体化，使合金元素充分固溶。然后采用两阶段轧制，第一阶段是再结晶区域轧制，轧制温度控制在1000-1060℃，通过反复变形和再结晶，使奥氏体晶粒显著细化，第二阶段是在未再结晶区域轧制，轧制温度控制在900-1000℃，是形变和相变同时进行的阶段，在这阶段中奥氏体晶粒被伸长，同时产生滑移带，奥氏体晶界的增加和滑移带出现为铁素体形核提供了有利条件，进而得到细晶粒铁素体。为了保证板卷具备优良的初期焊接性能，轧后板卷进行空冷，空冷结束温度在650-750℃，在该温度下进行卷取。钢组织为铁素体、珠光体和少量的贝氏体组织，晶粒度等级为8.0-10.0级，如图1所示，是本申请的稠油热采井用高强焊接套管用钢冷却后形成的组织结构。
上述生产的热轧板卷经过高频电阻焊制管后，整管加热到900-940℃，保温35-45min，水淬；再将整管加热到530-570℃，保温75-85min，空冷。典型组织如图2所示。使调质处理后整管的常温下屈服强度在800-850MPa、抗拉强度900-960MPa、横向-10℃夏比冲击功Akv≥100J、延伸率A≥13％；在350℃条件下，典型屈服强度在720-750MPa、抗拉强度820-850MPa、延伸率A在12-15％，在400℃条件下，典型屈服强度在670-710MPa、抗拉强度750-800MPa、延伸率A在9-12％。常温和350℃条件下的典型代表例的拉伸曲线见图3所示，强度的下降≤15％。
按照上述方法，本发明具体实施方式如下：
实施例1-实施例4
一种稠油热采井用高强焊接套管用钢的生产方法，包括以下工艺流程：铁水预处理→转炉炼钢→合金微调站→LF炉外精炼→RH炉外精炼→连铸→铸坯缓冷→加热→轧制→层流冷却→卷取；中包钢水化学成分满足重量百分比(wt％)：C：0.14％-0.20％、Si：≤0.30％、Mn：0.80％-1.20％、P：≤0.015％、S：≤0.0050％、Mo：0.10％-0.30％、V：0.03-0.06％、Ti：0.01-0.03％、Cr：0.80-1.20％；Als：0.020-0.035％、N：≤0.0040％；其余为Fe及不可避免的夹杂。连铸全过程进行保护浇铸。
本发明各实施例的化学成分如表1所示，表1中没有显示的余量为Fe和不可避免的杂质。成分检测根据GB/T 4336《碳素钢和中低合金钢火花源原子发射光谱分析方法(常规法)》进行。
表1本发明各实施例的化学成分
按照上述生产工艺生产的各实施例的轧制工序采用板坯加热至1170-1210℃→高压水除鳞→2机架粗轧→7机架精轧→层流冷却→卷取，主要轧制工艺参数及试验钢的拉伸力学性能如表2所示。
表2轧制工序主要工艺参数及力学性能
表3试验钢的组织
各实施例生产的热轧卷按照上述热处理方法进行生产，具体热处理工艺参数如表4所示。
本发明各实施例生产的稠油热采井用高强焊接套管调质工艺和力学性能，如表4所示。
表4本发明实施例管的调质工艺和力学性能
本发明典型实施例2钢管的高温拉伸性能，如表5所示。
表5典型实施例2钢管的高温拉伸性能
本发明典型实施例2钢管的蠕变性能及对比见表6所示。
表6典型实施例2钢管的蠕变性能及对比
本发明典型实施例2钢管的蠕变性能，在400℃、0.8应力系数(552MPa)的条件下，蠕变曲线见图4，蠕变速率为3.79×10-6％·s-1。专利00100635.5、CN 103131947A等公开的稠油热采井用石油套管中对产品的蠕变速率均未明确表明，该产品对比同级别的无缝管，蠕变性能相当，并且指标显著高于国标要求。

Claims (7)

1.一种稠油热采井用高强焊接套管用钢，其特征在于，所述稠油热采井用高强焊接套管用钢包括以下质量百分比成分：
C：0.14%~0.20%、Si：≤0.30%、Mn：0.80%~1.20%、P：≤0.015%、S：≤0.0050%、Mo：0.10%~0.30%、V：0.03~0.06%、Ti：0.01~0.03%、Cr：0.80~1.20%；Als：0.020~0.035%、N：≤0.0040%；其余为Fe及不可避免的夹杂；
所述稠油热采井用高强焊接套管用钢的成分满足：C/Mo=0.5~2.0、C/Cr=0.12~0.17；
所述稠油热采井用高强焊接套管用钢的组织为铁素体、珠光体和少量的贝氏体组织，铁素体的面积占比60-80%，珠光体面积占比20-40%，贝氏体占比≤5%，晶粒度等级为8.0~10.0级；
所述稠油热采井用高强焊接套管常温下屈服强度在800-850MPa、抗拉强度900-960MPa、横向-10℃夏比冲击功Akv≥100J、延伸率A≥13%；在350℃条件下，典型屈服强度在720-750MPa、抗拉强度820-850MPa、延伸率A在12-15%；在400℃条件下，典型屈服强度670-710MPa、抗拉强度750-800MPa、延伸率A为9-12%；在350℃下，典型实施例的强度相比较常温下，降低≤15%；在400℃、0.8应力系数的条件下，蠕变速率为≤3.79×10-6%·s-1。
2.一种权利要求1所述的稠油热采井用高强焊接套管用钢的生产方法，其特征在于，所述生产方法包括加热，所述加热为：初始连铸板坯的出炉温度在1170~1210℃。
3.根据权利要求2所述的生产方法，其特征在于，所述生产方法包括轧制，采用两阶段轧制，第一阶段是再结晶区域轧制，轧制温度控制在1000~1060℃，第二阶段是在未再结晶区域轧制，轧制温度控制在900~1000℃。
4.根据权利要求3所述的生产方法，其特征在于，轧制后空冷，温度在650~750℃卷取。
5.一种利用权利要求1所述的稠油热采井用高强焊接套管用钢生产稠油热采井用高强焊接套管的热处理方法，其特征在于，所述热处理方法为：先淬火，再回火。
6.根据权利要求5所述的热处理方法，其特征在于，所述淬火具体为：温度920±20℃、保温时间40±5min，水淬。
7.根据权利要求5或6所述的热处理方法，其特征在于，所述回火具体为：温度550±20℃，保温时间80±5min。
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