CN115369313A - 一种高韧性抗腐蚀马氏体不锈钢油套管及其制造方法 - Google Patents

一种高韧性抗腐蚀马氏体不锈钢油套管及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高韧性抗腐蚀马氏体不锈钢油套管，其除了Fe和不可避免的杂质以外还含有质量百分含量如下的下述各化学元素：0＜C≤0.015％，Si：0.1～0.4％，Mn：0.20～1.0％，Cr：10.0～13.0％，Ni：1.0～3.0％，Mo：0.2～1.0％，0＜N≤0.010％，Al：0.01～0.04％，Ti：0.01％～0.15％；其中Ti、C和N元素含量满足Ti：(C+N)＝2：1～8：1。相应地，本发明还公开了上述高韧性抗腐蚀马氏体不锈钢油套管的制造方法，其包括步骤：(1)制得管坯；(2)热加工成型：控制最终变形温度T1为Ac3～Ac3+80℃，且截面变形量S≥15％；(3)对制成的无缝钢管用空冷以上的冷却速度冷却至室温；(4)淬火+回火热处理。

Description

一种高韧性抗腐蚀马氏体不锈钢油套管及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种钢材及其制造方法，尤其涉及一种油套管及其制造方法。
背景技术
近年来，随着易开采资源的逐渐枯竭，人类不得不向极地等极端恶劣的自 然环境中去寻找新的资源，以北极地区为例，北极地区的原油储量大概为2500 亿桶，相当于目前被确认的世界原油储量的1/4，其天然气的储量估计为80万 亿立方米，相当于全世界天然气储量的45％。由此可见，开发北极油田具有十 分重要的经济效益，其有可能从根本上改变世界的原油供需结构。
在北极地区进行油气资源开采时，主要面临以下两个难点：第一，地下资 源本身可能具有高温高压、含高含CO2、Cl-等共存的强腐蚀环境等苛刻特征； 第二，极地自然条件也是极为苛刻，-40℃以下的低温环境对材料的低温韧性 提出了较高的要求。在北极这样低温恶劣环境中，一方面要满足低温自然条件 下的储存、运输等过程对材料的性能要求，另一方面还要满足开采环境中的耐 腐蚀性能要求。
传统的具有高的低温冲击韧性的用于油套管的马氏体不锈钢其主要成分 体系为超低碳，且含有12.5％的Cr、5.0％的Ni和2％的Mo。这种成分体系具 有贵金属含量高、成本较高的特点，且对于150℃以下的油气资源开采环境来 说，耐腐蚀性能过剩。由此，这种超低碳体系的马氏体不锈钢并不能完美的适 用于低温油气开采过程中，目前急需获得一种新的高韧性抗腐蚀马氏体不锈钢 油套管。
例如：公开号为特開2010-242163，公开日为2010年10月28日，名称为 “油井管用马氏体系列不锈钢接头无钢管的制造方法”的日本专利文献，公开 了一种耐二氧化碳气体腐蚀性和耐硫化物应力腐蚀破裂性能优良的强度可以 达到95ksi甚至110ksi钢级的马氏体不锈钢管，其化学成分特点为：C：0.015％ 以下、N：0.015％以下、Si：1.0％以下、Mn：2.0％以下、P：0.020％以下、S：0.010％以下、Al：0.01～0.10％、Cr：10～14％、Ni：3～8％、Ti：0.03～0.15％、 Mo：1～4％、Cu：1～40％以下、W：1～4％、Co：1～4％。在达到150℃的高温且含有CO2、Cl-的高温环境下具有优良的耐二氧化碳腐蚀性、在进一步含 有H2S的腐蚀环境下兼具优良的耐硫化物应力开裂性，同时韧脆转变可以达到 -65℃。
又例如：公开号为特開2000-160300，公开日为2000年6月13日，名称 为“具有高耐腐蚀性的655Nmm-2级低碳高Cr合金井管及其制造方法”的日 本专利文献，公开了一种耐二氧化碳气体腐蚀性和耐硫化物应力腐蚀破裂性能 优良的强度可以达到95ksi钢级的马氏体不锈钢管，其化学成分特点为：C： 0.005～0.05％、Si：1.0％以下、Mn：0.05～0.3％、Cr：12～16％、Ni：3.5～6.0％、 Mo：1.5～2.5％、V:0.01～0.05％、N：0.02％以下，且满足 705-25[％Ni]+5[％Cr]+25[％Mo]≥680。在达到180℃的高温且含有CO2、Cl- 的高温环境下具有优良的耐二氧化碳腐蚀性，且在含有H2S的腐蚀环境下兼 具优良的耐硫化物应力开裂性，-20℃低温冲击韧性可以达到200J以上。
再例如：公开号为CN106399829，公开日为2017年2月15日，名称为“高 强高韧耐腐蚀马氏体不锈钢油井管及其制造方法”的中国专利文献公开了一种 高强高韧耐腐蚀的马氏体不锈钢油井管，其特征是具有862MPa以上的屈服强 度，化学成分特点为，含有C≤0.03％、Si：0.2～0.5％、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：0.005～0.050％、P：0.02％以下、S：0.005％以下，剩 余部分由Fe及杂质构成，金相组织为单一马氏体，韧脆转变温度在-80℃以下。
相应地，不同于现有技术中的油井管用钢材，本发明期望获得一种新的高 韧性抗腐蚀马氏体不锈钢油套管，该高韧性抗腐蚀马氏体不锈钢油套管综合性 能优异，其不仅满足80ksi钢级要求，适合150℃以上高浓度二氧化碳(CO2) 环境下应用，还具有优良的耐二氧化碳和氯离子的高温腐蚀和特别优异的低温 冲击韧性，能够有效适用于恶劣低温环境下的油气资源采集，具有良好的经济 效益和十分广阔的应用前景。
发明内容
本发明的目的之一在于提供一种高韧性抗腐蚀马氏体不锈钢油套管，该高 韧性抗腐蚀马氏体不锈钢油套管综合性能优异，其不仅满足80ksi钢级要求， 适合150℃以上高浓度二氧化碳(CO2)环境下应用，还具有优良的耐二氧化 碳和氯离子的高温腐蚀和特别优异的低温冲击韧性，能够有效适用于恶劣低温 环境下的油气资源采集，具有良好的经济效益和十分广阔的应用前景。
为了实现上述目的，本发明提出了一种高韧性抗腐蚀马氏体不锈钢油套 管，其含有Fe和不可避免的杂质，此外还含有质量百分含量如下的下述各化 学元素：
0＜C≤0.015％，Si：0.1～0.4％，Mn：0.20～1.0％，Cr：10.0～13.0％，Ni： 1.0～3.0％，Mo：0.2～1.0％，0＜N≤0.010％，Al：0.01～0.04％，Ti：0.01％～0.15％；
其中Ti、C和N元素含量满足Ti：(C+N)＝2：1～8：1。式中的Ti、C和N 均代入对应元素质量百分含量。
进一步地，在本发明所述的高韧性抗腐蚀马氏体不锈钢油套管中，其各化 学元素质量百分含量为：
0＜C≤0.015％，Si：0.1～0.4％，Mn：0.20～1.0％，Cr：10.0～13.0％，Ni： 1.0～3.0％，Mo：0.2～1.0％，0＜N≤0.010％，Al：0.01～0.04％，Ti：0.01％～0.15％； 余量为Fe和其他不可避免的杂质；
其中Ti、C和N元素含量满足Ti：(C+N)＝2：1～8：1。式中的Ti、C和N 均代入对应元素质量百分含量。
在本发明所述的高韧性抗腐蚀马氏体不锈钢油套管中，为了确保钢材在满 足80ksi钢级要求的同时，还兼具有优良的耐二氧化碳和氯离子的高温腐蚀和 特别优异的低温冲击韧性，本案发明人针对C、Ni、Mo等合金元素及Ti等微 合金元素、热加工工艺、热处理工艺、金相组织对以Cr为主要合金成分的马 氏体不锈钢的强度、耐CO2腐蚀能力、低温冲击韧性等性能进行了细致研究。
结果发现，在化学成分设计中添加适量的Ti元素并实施合适的热加工工 艺时，由于Ti与碳和氮的结合能力强，利用适当的Ti和N、C的配比，可避 免大尺寸的碳氮化钛析出。细小弥散的碳氮化钛弥散析出降低了马氏体基体晶 格内碳原子的含量，进而降低了碳原子引起的晶格畸变，从而提高了马氏体不 锈钢在低温条件下的冲击韧性。同时，为了使Ti的析出弥散作用得以发挥， 研究还发现Ti元素与Mo元素的协同添加可以提高碳氮化钛在基体中的固溶 度，进一步获得弥散的析出。相应地，为了进一步地获得细小弥散的析出相，本发明还可以配合实施合适的热加工工艺和热处理工艺。
在本发明所述的高韧性抗腐蚀马氏体不锈钢油套管中，各化学元素的设计 原理具体如下所述：
C：在本发明所述的高韧性抗腐蚀马氏体不锈钢油套管中，C可以作为奥 氏体形成元素，通过提高钢中C元素含量可以增加不锈钢在高温下奥氏体化的 百分数，继而获得室温条件下的马氏体，提高钢材的强度。但对于本技术方案 来说，钢中C元素含量不宜过高，当钢中C元素含量过多时，会使得不锈钢 的耐腐蚀性能下降，同时韧性降低。因而，尽可能的降低碳含量是本发明的要 点之一，但降低碳含量对于冶炼的工序成本会增加。鉴于此，在本发明中，为 了获得更好的低温冲击韧性，将C元素的质量百分含量控制为0＜C≤0.015％。
当然，在某些优选的实施方式中，为了获得更优的实施效果，可以优选地 控制C元素的质量百分含量为0＜C≤0.012％。
Si：在本发明所述的高韧性抗腐蚀马氏体不锈钢油套管中，Si元素是炼钢 过程中重要的脱氧剂，但Si元素在Cr含量较高的不锈钢中有促进σ相和铁素 体相形成的风险，而σ相和铁素体相对于不锈钢的韧性和耐腐蚀性能都有不利 的影响。基于此，为了确保材料的性能，在本发明所述的高韧性抗腐蚀马氏体 不锈钢油套管中，将Si元素的质量百分含量控制在0.1～0.4％之间。
当然，在某些优选的实施方式中，为了获得更优的实施效果，可以优选地 将Si元素的质量百分含量控制在0.1～0.3％之间。
Mn：在本发明所述的高韧性抗腐蚀马氏体不锈钢油套管中，添加适量的 Mn元素可以提高不锈钢材的强度。在本发明中，为了保证不锈钢材用作油套 管时能够具有所需的强度，钢中需要添加0.20％以上的Mn元素。但需要注意 的是，钢中Mn元素含量不宜过高，当钢中Mn元素超过1.0％时，则钢材的韧 性下降。因此，在本发明所述的高韧性抗腐蚀马氏体不锈钢油套管中，将Mn元素的质量百分含量控制在0.20～1.0％之间。
当然，在某些优选的实施方式中，为了获得更优的实施效果，可以优选地 将Mn元素的质量百分含量控制在0.20～0.5％之间。
Cr：在本发明所述的高韧性抗腐蚀马氏体不锈钢油套管中，Cr是不锈钢中 提高耐蚀性能的重要元素，Cr的添加使得不锈钢的表面及时在空气中也能迅速 形成耐腐蚀的钝化膜，以提高油套管的耐高温环境下的CO2腐蚀性能。为了获 得具有150℃以上的耐CO2腐蚀性能，本发明的不锈钢体系中Cr元素的添加 量要达到10.0％以上。另一方面，钢中Cr元素含量不宜过高，当钢中Cr元素 含量超过13.0％时，会增加铁素体析出的风险，对产品的热加工性能和耐腐蚀 性能都有不利影响。为此，在本发明所述的高韧性抗腐蚀马氏体不锈钢油套管 中，将Cr元素的质量百分含量控制在10.0～13.0％之间。
当然，在某些优选的实施方式中，为了获得更优的实施效果，可以优选地 将Cr元素的质量百分含量控制在11.5～12.5％之间。
Ni：在本发明所述的高韧性抗腐蚀马氏体不锈钢油套管中，Ni是扩大不锈 钢材奥氏体区的重要元素，其同时可以提高不锈钢的耐腐蚀性能和韧性，特别 是能够提高在高温条件下抗应力腐蚀开裂能力。为获得上述效果，需要控制钢 中Ni元素的含量大于1.0％。需要注意的是，钢中同样也不宜添加过量的Ni， Ni是一种较贵重的合金元素，其会增加合金成本，在本发明的不锈钢体系中 Ni元素的含量不宜超过3.0％。基于此，在本发明所述的高韧性抗腐蚀马氏体 不锈钢油套管中，将Ni元素的质量百分含量控制在1.0～3.0％之间。
当然，在某些优选的实施方式中，为了获得更优的实施效果，可以优选地 将Ni元素的质量百分含量控制在1.5～2.5％之间。
Mo：在本发明所述的高韧性抗腐蚀马氏体不锈钢油套管中，Mo是增加不 锈钢耐Cl离子点蚀能力的元素。在本发明中，Mo元素还有一个与Ti元素的 协同作用，特别是Ac3(奥氏体转变终了温度)以上到AC3+80℃的范围内进 行变形时，可复合形成Mo和Ti的碳氮化物，并具有弥散的特征。为了保证本 发明不锈钢材能够获得150℃以上的高温环境中的耐腐蚀性能，在本发明中需 要添加0.2％以上的Mo。但需要注意的是，Mo是贵金属元素，钢中添加过量 的Mo会大大提高合金成本；同时在钢中Mo元素的含量超过1.0％时，还会形 成较多量的铁素体，其会对产品的热加工性能和耐腐蚀性能产生不利影响。基 于此，在本发明所述的高韧性抗腐蚀马氏体不锈钢油套管中，将Mo元素的质 量百分含量控制在0.2～1.0％之间。
当然，在某些优选的实施方式中，为了获得更优的实施效果，可以优选地 将Mo元素的质量百分含量控制在0.3～0.8％之间。
N：在本发明所述的高韧性抗腐蚀马氏体不锈钢油套管中，N是可以提高 不锈钢耐点蚀性能的元素，同时N作为奥氏体形成元素可以提高不锈钢的马氏 体比例，进而提高材料的强度。但需要注意的是，在本发明中N作为残余元素， 由于N在晶格中引起畸变，会降低不锈钢的冲击韧性，为了提高本发明钢的低 温冲击韧性，N元素含量要控制在0.01％以下。因此，在本发明所述的高韧性 抗腐蚀马氏体不锈钢油套管中，将N元素的质量百分含量控制为0＜N≤ 0.010％。
Al：在本发明所述的高韧性抗腐蚀马氏体不锈钢油套管中，Al是作为脱氧 剂在冶炼过程添加的元素，为了达到脱氧的效果，钢中Al元素的添加量需要 控制在0.01％以上。但需要注意的是，钢中Al元素含量不宜过高，当钢中Al 元素含量超过0.04％时，会使得钢材的韧性下降。因此，在本发明所述的高韧 性抗腐蚀马氏体不锈钢油套管中，将Al元素的质量百分含量控制在0.01～ 0.04％之间。
Ti：在本发明所述的高韧性抗腐蚀马氏体不锈钢油套管中，Ti是十分重要 的微合金元素，其可以与C元素和N元素结合形成碳氮化物，利用碳氮化物 析出的钉扎作用细化晶粒；此外，碳氮化物的形成还可以降低基体中碳和氮原 子的含量，减少了因晶格畸变而引起的冲击性能下降。另外，复和添加Mo元 素和Ti元素，并结合实施合适的变形工艺，可以形成弥散的碳氮化物，从而 进一步实现细化晶粒，提高低温冲击韧性的目的。为达到上述效果，钢中Ti 元素的添加量需要控制在0.01％以上。相应地，钢中Ti元素含量同样不宜过高，当钢中Ti元素含量高于0.15％时，Ti的过量添加会在冶炼过程中形成钛的氧 化物，进而造成非金属夹杂物。基于此，在本发明所述的高韧性抗腐蚀马氏体 不锈钢油套管中，将Ti元素的质量百分含量控制在0.01％～0.15％之间。
此外，需要说明的是，本发明所述的高韧性抗腐蚀马氏体不锈钢油套管在 控制单一元素质量百分含量的同时，还需要控制Ti元素、C元素和N元素含 量满足：Ti：(C+N)＝2：1～8：1。上式中各化学元素均可以对应代入该化学元 素的质量百分含量。控制Ti、C和N元素含量满足上述公式要求，可以确保上 述Ti元素在钢中作用所产生的的析出细化晶粒和弥散析出的效果。
进一步地，在本发明所述的高韧性抗腐蚀马氏体不锈钢油套管中，其各化 学元素质量百分含量还满足下述各项的至少其中之一：
0＜C≤0.012％，
Si：0.1～0.3％，
Mn：0.20～0.5％，
Cr：11.5～12.5％，
Ni：1.5～2.5％，
Mo：0.3～0.8％。
进一步地，在本发明所述的高韧性抗腐蚀马氏体不锈钢油套管中，还含有： Zr和RE的至少其中之一，其中Zr≤0.2％，RE≤0.2％。
在本发明的上述技术方案中，Zr、RE元素均可以进一步地提高本发明所 述高韧性抗腐蚀马氏体不锈钢油套管的性能。其中RE元素包括但不限于Nd、 Ce、Er、Pr、Pm、Dy、La等。
在本发明中，当高韧性抗腐蚀马氏体不锈钢油套管中含有Zr和RE的至少 其中之一时，利于碳氮化物的析出和细化晶粒提高强度和韧性。但是，若其中 任意元素大于0.2％，则会使本发明钢种韧性降低。因此，在本发明中，需要 将Zr和RE元素的含量限定在0.2％以下。另外，在某些优选的实施方式中， Zr和RE元素的总计组合含量Zr+RE可以优选地限定为Zr+RE≤0.3％。
进一步地，在本发明所述的高韧性抗腐蚀马氏体不锈钢油套管中，Zr+RE ≤0.3％。
进一步地，在本发明所述的高韧性抗腐蚀马氏体不锈钢油套管中，在不可 避免的杂质中，P≤0.03％，O≤0.004％，S≤0.01％。
在上述技术方案中，P元素、S元素和O元素均为钢中的杂质元素，在技 术条件允许情况下，为了获得性能更好且质量更优的钢材，应尽可能降低钢中 杂质元素的含量。
P：P是使不锈钢油套管在高温下抗CO2腐蚀性能下降的有害元素，其还 会对钢材的热加工性能产生不利影响，当钢中P元素的含量超过0.03％时，则 会导致钢材的抗腐蚀的性能无法满足高温的环境要求。因此，在本发明中，将 P元素的质量百分含量控制为P≤0.03％。在某些优选的实施方式中，可以优选 地控制为P≤0.015％。
S：S不仅会导致不锈钢油套管的热加工性能降低，其同时还会对不锈钢 油套管的冲击韧性产生不良影响。当钢中S元素含量超过0.01％时，则不能正 常制造钢管。因此，在本发明中，将S元素的质量百分含量控制为S≤0.01％。 在某些优选的实施方式中，可以优选地控制为S≤0.005％。
O：O在钢中以氧化物存在，其对于钢材的热加工性能、冲击韧性和耐腐 蚀性能都有不利的影响。因此，在本发明中，将O元素的质量百分含量控制为 O≤0.004％。
进一步地，在本发明所述的高韧性抗腐蚀马氏体不锈钢油套管中，其性能 满足：屈服强度≥552MPa，抗拉强度≥655MPa，-60℃下夏比冲击功≥100J， 在至少150℃下的CO2和Cl-共存环境下的腐蚀速率≤0.06mm/a。
相应地，本发明的另一目的在于提供一种高韧性抗腐蚀马氏体不锈钢油套 管的制造方法，该制造方法生产简单，所获得的高韧性抗腐蚀马氏体不锈钢油 套管不仅具有优良的强度，还具有耐二氧化碳和氯离子的高温腐蚀和特别优异 的低温冲击韧性，其屈服强度≥552MPa，抗拉强度≥655MPa，-60℃下夏比 冲击功≥100J，在至少150℃下的CO2和Cl-共存环境下的腐蚀速率≤0.06mm/a， 有效适用于恶劣低温环境下的油气资源采集，具有良好的经济效益和十分广阔 的应用前景。
为了实现上述目的，本发明提出了上述的高韧性抗腐蚀马氏体不锈钢油套 管的制造方法，其包括步骤：
(1)制得管坯；
(2)热加工成型：控制最终变形温度T1为Ac3～Ac3+80℃，且截面变 形量S≥15％；
(3)对制成的无缝钢管用空冷以上的冷却速度冷却至室温；
(4)淬火+回火热处理。
在本发明的上述技术方案中，需要采用合适的热处理工艺和热加工步骤以 配合材料的成分，从而进一步地获得细小弥散的析出相，保证马氏体不锈钢油 套管的综合性能。
在上述步骤(1)中，本发明可以采用常规的转炉、电炉、真空感应炉等 熔炼方法，用连铸，铸锭初轧等方法制造管坯
在本发明的上述技术方案中，在上述步骤(2)的热加工成型过程中，需 要对原材料进行加热，加热温度控制在1150～1200℃之间进行热加工成型，为 获得Mo元素与Ti元素的协同碳氮化物的作用，需要控制最终变形温度T1为 Ac3～Ac3+80℃，且截面变形量S≥15％。其中，Ac3表示奥氏体转变终了温 度。设定最终变形温度T1为Ac3～Ac3+80℃的目的是为了保证获得Mo元素 与Ti元素的协同碳氮化物的作用。
相应地，在上述步骤(3)中对制成的无缝钢管用空冷以上的冷却速度冷 却至室温，而后进入步骤(4)的淬火+回火热处理步骤，进行淬火+回火热处 理。
进一步地，在本发明所述的制造方法中，在步骤(2)中，在最终变形温 度区间内进行最终道次变形的变形量≤30％。
在上述步骤(2)中，最终变形温度区间内进行最终道次变形的变形量不 宜过大，当变形量大于30％时，不仅会加大轧机的负荷，同时还会形成开裂和 表面缺陷。
进一步地，在本发明所述的制造方法中，在步骤(4)中：在淬火步骤中， 淬火加热温度T2为Ac3～1000℃，保温时间为2～6min/cm×壁厚；随后用 20～40℃/s的冷却速度冷却至T3＝Ms-40℃，保温时间为0.5～1.5min/cm×壁厚， 完成保温处理后再以2～40℃/s的冷却速度冷却至室温；在回火步骤中，回火加 热温度为500℃～Ac3，保温时间为3～10min/cm×壁厚，随后用5～30℃/s的冷 却速度冷却至室温。
在本发明上述步骤(4)的淬火+回火热处理步骤中，热处理实施淬火加热 温度为T2，控制T2在AC3～1000℃之间，是因为：若在AC3以下进行加热， 不能够使得本发明的钢材充分奥氏体化，因而在随后的处理中难以得到均匀的 析出。优选在1000℃以下的温度区域进行加热，若淬火加热温度高于1000℃ 则奥氏体组织长大，进而恶化冲击韧性。
相应地，淬火加热完成后，随后用20～40℃/s的冷却速度冷却至 T3＝Ms-40℃，保温时间为0.5～1.5min/cm×壁厚，完成保温处理后再以2～40℃ /s的冷却速度冷却至室温。其中，Ms表示马氏体开始转变温度。在奥氏体化 温度保温后冷却过程中实施T3的保温过程，可以降低马氏体转变的晶格畸变， 能使得Mo元素与Ti元素的协同碳氮化物更加弥散的分布在马氏体板条间的残 余奥氏体中，同时控制马氏体板条中C含量的降低，以提升马氏体基体的韧性 和塑性。
随后在回火步骤中，回火加热温度为500℃～Ac3，保温时间为3～10min/cm ×壁厚，最后用5～30℃/s的冷却速度冷却至室温。
本发明所述的高韧性抗腐蚀马氏体不锈钢油套管及其制造方法相较于现 有技术具有如下所述的优点以及有益效果：
在本发明中，本发明通过合理的化学成分设计和优化生产工艺，采用合适 的热处理工艺配合生产，可以获得具有较高的强度、良好的低温冲击韧性以及 优良的耐二氧化碳和氯离子的高温腐蚀性能的高韧性抗腐蚀马氏体不锈钢油 套管。
该高韧性抗腐蚀马氏体不锈钢油套管屈服强度≥552MPa，抗拉强度≥ 655MPa，-60℃下夏比冲击功≥100J，在至少150℃下的CO2和Cl-共存环境下 的腐蚀速率≤0.06mm/a，其满足80ksi钢级要求，适合150℃以上高浓度二氧 化碳(CO2)环境下应用，能够有效适用于恶劣低温环境下的油气资源采集， 具有良好的经济效益和十分广阔的应用前景。
具体实施方式
下面将结合具体的实施例对本发明所述的高韧性抗腐蚀马氏体不锈钢油 套管及其制造方法做进一步的解释和说明，然而该解释和说明并不对本发明的 技术方案构成不当限定。
实施例1-15和对比例1-7
实施例1-15的高韧性抗腐蚀马氏体不锈钢油套管和对比例1-3的对比钢 管，均采用以下步骤制得：
(1)按照下述表1-1和表1-2所示的化学成分进行冶炼，采用常规的转炉、 电炉、真空感应炉等熔炼方法，用连铸，铸锭初轧等方法制造管坯。
(2)热加工成型：控制加热温度在1150～1200℃之间进行热加工成型， 控制最终变形温度T1为Ac3～Ac3+80℃，且截面变形量S≥15％，在最终变 形温度区间内进行最终道次变形的变形量≤30％。
(3)对制成的无缝钢管用空冷以上的冷却速度冷却至室温。
(4)淬火+回火热处理：在淬火步骤中，淬火加热温度T2为Ac3～1000℃， 保温时间为2～6min/cm×壁厚；随后用20～40℃/s的冷却速度冷却至 T3＝Ms-40℃，保温时间为0.5～1.5min/cm×壁厚，完成保温处理后再以2～40℃ /s的冷却速度冷却至室温；在回火步骤中，回火加热温度为500℃～Ac3，保 温时间为3～10min/cm×壁厚，随后用5～30℃/s的冷却速度冷却至室温。
在本发明的实施例1-15中，实施例1-15的高韧性抗腐蚀马氏体不锈钢油 套管的化学成分设计以及相关工艺均满足本发明设计规范要求。按照表1-1和 表1-2所示化学成分制成管坯后，在炉中进行加热，管坯的加热温度列于表2。 经过穿孔和连轧后，确定毛管的温度达到表1中的温度T1后进行定径，定径 变形量列于表2，制成外径88.9mm×壁厚9.52mm的无缝钢管。
需要说明的是，在本发明中，还设置有对比例1-7的对比钢管，其中对比 例1-3的对比钢管在化学成分设计时，均存在不符合本发明设计规范要求的参 数。相应地，对比例4-7未采用本发明上述的制造工艺，其相关工艺并不满足 本发明设计规范要求的内容。
对比例4-5采用常规的热加工工艺方法，其采取定径温度为1000℃进行定 径，定径变形量也为18％；对比例6-7采用的是常规的淬火+回火热处理工艺， 其淬火温度列于表2，加热时间为30min进行空冷至室温并进行了一次回火热 处理，回火热处理的温度列于表2，加热保温时间为40min。
表1-1和表1-2列出了实施例1-15的高韧性抗腐蚀马氏体不锈钢油套管和 对比例1-7的对比钢管的各化学元素的质量百分配比。
表1-1.(wt.％，余量为Fe和除了P、O和S以外的其他不可避免的杂质)
Figure BDA0003069759600000111
Figure BDA0003069759600000121
表1-2.
Figure BDA0003069759600000122
注：上述表1-2中的式子Ti：(C+N)中的各化学元素均可以对应代入该化学元素的质量百分含量。
结合参阅上述表1-1可以看出，在本发明中，对比例4-7的对比钢管在化学 成分设计时，参阅了实施例1-4的化学成分设计。对比例4-7对比钢管的钢种与 实施例1-4的高韧性抗腐蚀马氏体不锈钢油套管所采用的钢种一一对应。
表2-1和表2-2列出了实施例1-15的高韧性抗腐蚀马氏体不锈钢油套管和 对比例1-7的对比钢管在上述工艺步骤中的具体工艺参数。
表2-1.
Figure BDA0003069759600000123
Figure BDA0003069759600000131
表2-2.
Figure BDA0003069759600000132
Figure BDA0003069759600000141
将得到的实施例1-15的高韧性抗腐蚀马氏体不锈钢油套管和对比例1-7 的对比钢管分别取样，并对各实施例和对比例钢板进行进一步地检测，分别进 行强度测试、夏比V型冲击吸收功测试和抗腐蚀试验，并将各实施例和对比例 的测试试验结果分别列于表3中。
相关试验测试手段，如下所述：
强度测试：将制成的钢管加工成近弧形试样，按ASTM标准进行室温拉 伸试验，以得到各实施例和对比例钢管的屈服强度和抗拉强度的数值。
夏比V型冲击吸收功测试：在各实施例和对比例的钢管上取截体积为 5*10*55(mm)尺寸V型冲击试样，按GB/T 229标准检验后取平均数，并按照 API 5CT标准换算成10*10*55(mm)全尺寸后列于表3，控制试验温度为-60℃。
抗腐蚀试验：进行高温下的CO2、Cl-共存腐蚀试验，将各实施例和对比例 的试样浸入高压釜里的液体中，控制高压釜内的温度为150℃，控制CO2分压 为1MPa，控制Cl-浓度为100000mg/L，将液体流速控制为1m/s，并保证试验 时间为240h，对比试验前后的试样重量，计算得出均匀腐蚀速率。
表3列出了实施例1-15的高韧性抗腐蚀马氏体不锈钢油套管和对比例1-7 的对比钢管的测试试验结果。
表3.
Figure BDA0003069759600000142
Figure BDA0003069759600000151
从表3中可以看出，相较于对比例1-7的对比钢管，本发明所述实施例1-15 的高韧性抗腐蚀马氏体不锈钢油套管具有显著的优点，其性能更优。
本发明所述实施例1-15的高韧性抗腐蚀马氏体不锈钢油套管具有较高的 强度、良好的低温冲击韧性，其屈服强度≥562MPa，抗拉强度≥705MPa，满 足80ksi钢级要求。相应地，实施例1-15的高韧性抗腐蚀马氏体不锈钢油套管 在-60℃下夏比冲击功≥128J，且在至少150℃下的CO2和Cl-共存环境下的腐 蚀速率≤0.058mm/a，其在150℃且含有CO2和高Cl离子浓度的环境下耐均匀 腐蚀性能优良。与对比例钢种和制造方法相比，具有高强度、高韧性、高耐腐 蚀的显著优点。
综上所述可以看出，本发明通过合理的化学成分设计和优化生产工艺，采 用合适的热处理工艺配合生产，可以获得具有较高的强度、良好的低温冲击韧 性以及优良的耐二氧化碳和氯离子的高温腐蚀性能的高韧性抗腐蚀马氏体不 锈钢油套管。该高韧性抗腐蚀马氏体不锈钢油套管满足80ksi钢级要求，适合 150℃以上高浓度二氧化碳(CO2)环境下应用，能够有效适用于恶劣低温环境 下的油气资源采集，具有良好的经济效益和十分广阔的应用前景。
需要说明的是，本案中各技术特征的组合方式并不限本案权利要求中所记 载的组合方式或是具体实施例所记载的组合方式，本案记载的所有技术特征可 以以任何方式进行自由组合或结合，除非相互之间产生矛盾。
还需要注意的是，以上所列举的实施例仅为本发明的具体实施例。显然本 发明不局限于以上实施例，随之做出的类似变化或变形是本领域技术人员能从 本发明公开的内容直接得出或者很容易便联想到的，均应属于本发明的保护范 围。

Claims (10)

1.一种高韧性抗腐蚀马氏体不锈钢油套管，其含有Fe和不可避免的杂质，其特征在于，还含有质量百分含量如下的下述各化学元素：
0＜C≤0.015％，Si：0.1～0.4％，Mn：0.20～1.0％，Cr：10.0～13.0％，Ni：1.0～3.0％，Mo：0.2～1.0％，0＜N≤0.010％，Al：0.01～0.04％，Ti：0.01％～0.15％；
其中Ti、C和N元素含量满足Ti：(C+N)＝2：1～8：1。
2.如权利要求1所述的高韧性抗腐蚀马氏体不锈钢油套管，其特征在于，其各化学元素质量百分含量为：
0＜C≤0.015％，Si：0.1～0.4％，Mn：0.20～1.0％，Cr：10.0～13.0％，Ni：1.0～3.0％，Mo：0.2～1.0％，0＜N≤0.010％，Al：0.01～0.04％，Ti：0.01％～0.15％；余量为Fe和其他不可避免的杂质；
其中Ti、C和N元素含量满足Ti：(C+N)＝2：1～8：1。
3.如权利要求1或2所述的高韧性抗腐蚀马氏体不锈钢油套管，其特征在于，各化学元素质量百分含量还满足下述各项的至少其中之一：
0＜C≤0.012％，
Si：0.1～0.3％，
Mn：0.20～0.5％，
Cr：11.5～12.5％，
Ni：1.5～2.5％，
Mo：0.3～0.8％。
4.如权利要求1或2所述的高韧性抗腐蚀马氏体不锈钢油套管，其特征在于，还含有：Zr和RE的至少其中之一，其中Zr≤0.2％，RE≤0.2％。
5.如权利要求5所述的高韧性抗腐蚀马氏体不锈钢油套管，其特征在于，Zr+RE≤0.3％。
6.如权利要求1或2所述的高韧性抗腐蚀马氏体不锈钢油套管，其特征在于，在不可避免的杂质中，P≤0.03％，O≤0.004％，S≤0.01％。
7.如权利要求1或2所述的高韧性抗腐蚀马氏体不锈钢油套管，其特征在于，其性能满足：屈服强度≥552MPa，抗拉强度≥655MPa，-60℃下夏比冲击功≥100J，在至少150℃下的CO2和Cl-共存环境下的腐蚀速率≤0.06mm/a。
8.如权利要求1-7中任意一项所述的高韧性抗腐蚀马氏体不锈钢油套管的制造方法，其特征在于，其包括步骤：
(1)制得管坯；
(2)热加工成型：控制最终变形温度T1为Ac3～Ac3+80℃，且截面变形量S≥15％；
(3)对制成的无缝钢管用空冷以上的冷却速度冷却至室温；
(4)淬火+回火热处理。
9.如权利要求8所述的制造方法，其特征在于，在步骤(2)中，在最终变形温度区间内进行最终道次变形的变形量≤30％。
10.如权利要求8所述的制造方法，其特征在于，在步骤(4)中：在淬火步骤中，淬火加热温度T2为Ac3～1000℃，保温时间为2～6min/cm×壁厚；随后用20～40℃/s的冷却速度冷却至T3＝Ms-40℃，保温时间为0.5～1.5min/cm×壁厚，完成保温处理后再以2～40℃/s的冷却速度冷却至室温；在回火步骤中，回火加热温度为500℃～Ac3，保温时间为3～10min/cm×壁厚，随后用5～30℃/s的冷却速度冷却至室温。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115896628A (zh) * 2022-11-28 2023-04-04 攀钢集团攀枝花钢铁研究院有限公司 一种输油用高强度无缝管及其制造方法
WO2024113654A1 (zh) * 2023-04-21 2024-06-06 达力普石油专用管有限公司 一种耐腐蚀高韧性石油套管及其制备方法

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH05263137A (ja) * 1992-02-18 1993-10-12 Nippon Steel Corp 耐食性に優れたマルテンサイト系ステンレス鋼継目無鋼管の製造法
CN1906319A (zh) * 2004-01-30 2007-01-31 杰富意钢铁株式会社 马氏体类不锈钢管
CN101076612A (zh) * 2004-12-07 2007-11-21 住友金属工业株式会社 油井用马氏体系不锈钢管
CN101437973A (zh) * 2007-06-29 2009-05-20 杰富意钢铁株式会社 油井管用马氏体类无缝不锈钢管及其制造方法
CN105734453A (zh) * 2016-03-23 2016-07-06 宝山钢铁股份有限公司 耐硫化氢应力腐蚀开裂的马氏体不锈钢油套管用钢、油套管及其制造方法

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH05263137A (ja) * 1992-02-18 1993-10-12 Nippon Steel Corp 耐食性に優れたマルテンサイト系ステンレス鋼継目無鋼管の製造法
CN1906319A (zh) * 2004-01-30 2007-01-31 杰富意钢铁株式会社 马氏体类不锈钢管
CN101076612A (zh) * 2004-12-07 2007-11-21 住友金属工业株式会社 油井用马氏体系不锈钢管
CN101437973A (zh) * 2007-06-29 2009-05-20 杰富意钢铁株式会社 油井管用马氏体类无缝不锈钢管及其制造方法
CN105734453A (zh) * 2016-03-23 2016-07-06 宝山钢铁股份有限公司 耐硫化氢应力腐蚀开裂的马氏体不锈钢油套管用钢、油套管及其制造方法

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115896628A (zh) * 2022-11-28 2023-04-04 攀钢集团攀枝花钢铁研究院有限公司 一种输油用高强度无缝管及其制造方法
WO2024113654A1 (zh) * 2023-04-21 2024-06-06 达力普石油专用管有限公司 一种耐腐蚀高韧性石油套管及其制备方法

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