一种80ksi钢级油井管及其制造方法

摘要

本发明提供一种80ksi钢级油井管及其制造方法，其化学成分Wt%为：C0.15%-0.19%、Si0.2%-0.3%、Mn1.20%-1.40%、P≤0.015%、S≤0.003%、Cr0.6%-0.9%、Nb0.01%-0.03%、Ti0.04%-0.06%、Cu0.08%-0.12%，RE为50～90g/t钢。采用铸坯冷装方式，终轧温度1170～1190℃；制管加热温度1200～1240℃，终轧温度1020～1050℃；淬火温度820～840℃保温20～25min，水淬，回火温度665～675℃保温25～35min。本发明油井管制造成本低，抗SSC性能按NACETM0177-2006试验加载95%YSMIN达到720小时不开裂，屈服强度为560～610MPa，抗拉强度＞620MPa，0℃V型缺口试样夏比冲击功＞100J，尤其适用于寒冷地区及海洋环境下使用。

说明书

技术领域

本发明属于低合金钢管生产工艺领域，尤其涉及一种80ksi强度级别的耐硫化氢腐蚀油井管及其制造方法。

背景技术

近年来石油的大量开采迫使许多国内外油田采用二次采油、三次采油注水等新的采油工艺，带来了55～80ksi强度级别油井管遭受硫化氢腐蚀的新问题。在这样的水环境下，油井管容易产生硫化物应力腐蚀裂纹（SSC），以至油井管损坏，油井报废，要求油井管管材具有优异的耐硫化氢腐蚀性能及力学性能。从油井管材料的角度看，普通的API油井管显然不能满足实际使用要求，而目前已开发的耐硫化氢应力腐蚀油井管制造成本较高，因此迫切需要开发成本适宜且屈服强度高于552MPa（80ksi）并兼具优异耐硫化氢应力腐蚀性能的油井管。

1）公开号为CN102747279A的中国专利，公开了一种强度级别80ksi抗硫化氢应力腐蚀开裂的油套管及其制造方法。其合金化特点是添加10～30ppm的B与0.3～0.6%的Mn，并经过调质处理来抵抗硫化氢应力腐蚀，但该发明未给出冲击功和硬度这两项性能指标。

2）日本专利JP2000063994公开了一种80ksi钢级的耐硫化氢应力腐蚀合金钢油井管，其合金设计的关键点在于含有：Mn 0.30%-1.50%、Cr 3.0%-9.0%，此外，还添加最大2.5%的Ni、2.0%的Mo、1.5%的Cu、2.0%的W等贵重金属。该发明合金成本高，且工业实施难度较大。

3）日本专利JP2001059136公开了一种80ksi钢级的耐硫化氢应力腐蚀合金钢油井管，其合金设计的关键点在于含有：B 0.0001%-0.0020%、Cr 1.0%-9.0%，而且，还添加较多的Ni、Mo等贵重金属。因此，该发明产品存在的问题是成本过高，工业实施难度大。

文献宝钢抗腐蚀系列油井管的开发，公开了宝钢80ksi钢级耐硫化氢腐蚀油井管BG80S（S），但只是综述性的介绍，并未公开产品的合金设计及制造工艺。

文献宝钢抗腐蚀系列油井管的开发与应用，提到了宝钢80ksi钢级耐硫化氢腐蚀油井管，但也只是综述性的介绍，并未公开产品的合金设计和制造工艺及参数。

发明内容

本发明的目的旨在提供一种能以较低的制造成本，生产出硬度低，冲击性能和耐SSC性能优异，应用范围更广阔的80ksi强度级别的耐硫化氢腐蚀油井管及其制造方法。

为此，本发明所采取的解决方案是：

一种80ksi钢级油井管，其特征在于，化学成分Wt%为：C 0.15%-0.19%、Si 0.2%-0.3%、Mn 1.20%-1.40%、P≤0.015%、S≤0.003%、Cr0.6%-0.9%、Nb0.01%-0.03%、Ti0.04%-0.06%、Cu0.08%-0.12%，RE添加量为50～90g/t钢，余量为Fe和不可避免的杂质；其中限定N＜0.005%、O＜0.002%、H＜0.0001%，且A、B、C、D类粗系夹杂物分别低于1.5级。

一种80ksi钢级油井管的制造方法，其具体方法是：

1、采用转炉冶炼+方坯连铸+热轧的圆坯制造工艺；

2、轧制圆坯时采用铸坯冷装炉方式，终轧温度1170～1190℃；

3、制管时加热温度1200～1240℃，轧管终轧温度1020～1050℃；

4、钢管热处理，将钢管加热至820～840℃，保温20～25min，水淬，接着将钢管加热至665～675℃，保温25～35min，然后空冷或水冷至室温。

各主要元素的作用及设计理由如下：

C：提高钢的淬透性，并与金属元素形成碳化物，以获得足够的强度，含量太低需增加合金元素的量以弥补其强度贡献的减小，含量太高则不利于获得较小尺寸的晶粒及碳化物，为达到本发明的目的，限定C含量范围为0.15%-0.19%。

Si：作用一方面起脱氧作用，另一方面固溶于铁素体起强化作用，对钢的强度起一定的贡献，但含量太高将增加热处理钢的氧化烧损倾向，本发明的Si含量限定在0.2%-0.3%。

Mn：作用一方面起脱氧作用，另一方面起固溶强化作用，并提高钢的淬透性，还有利于控轧控冷时晶粒尺寸的细化。但锰含量过高时会增加钢的偏析倾向，综合考虑，发明限定Mn的含量范围1.20%-1.40%。

Cr：作用一方面在油井管表面形成致密的氧化物膜，阻止H的渗入，可提高钢管的抗SSC性能，另一方面，提高淬透性，提高钢的强度。但含量超过1.0％时前述作用已饱和，故本发明限定Cr的含量范围0.6%-0.9%。

Cu：作用一方面在油井管表面形成保护膜，阻止H的渗入，可提高钢管的抗SSC性能，另一方面提高钢的淬透性，但含量过高会降低钢的热塑性，本发明限定Cu的含量范围0.08%-0.12%。

Ti：作用主要是形成化合物限制加热及热加工过程中的晶粒长大，获得细小的晶粒组织，改善抗SSC性能和强度，含量太高则上述作用饱和，故本发明限定Ti的含量范围0.04%-0.06%。

Nb：在实施控轧控冷工艺的钢中有强烈的细化晶粒组织的作用，可提高强度和改善抗SSC性能。含量过高则作用也饱和，本发明限定Nb的含量范围0.01%-0.03%。

RE：作用一方面改善MnS等夹杂物的形态，一方面抑制P、S等有害元素在晶界的偏聚。因此，可提高钢的抗SSC性能，但加入过多则对抗SSC性能产生负面影响，本发明限定RE的添加量为50~90g/t钢，且优先选用Ce。

P、S、O、N、H为钢中的杂质元素，含量越低越好，但过低的要求必将增加产品的制造成本，故本发明限定P≤0.015%、S≤0.003%、N＜0.005%、O＜0.002%、H＜0.0001%。

本发明的有益效果为：

1、本发明不添加W、Mo、Ni等贵金属，实施Cr、Cu、RE等合金化路线，因此可极大降低制造成本，提高产品的市场竞争力。

2、本发明油井管性能优异，抗SSC性能按NACE TM0177-2006试验加载95%YSMIN达到720小时不开裂；屈服强度为560～610MPa，抗拉强度＞620MPa，

HRC＜22HRC，0℃ V型缺口试样夏比冲击功＞100J，完全达到80ksi水平，解决了55～80ksi强度级别油井管遭受硫化氢应力腐蚀开裂的问题。

3、产品低温冲击韧性和硬度指标优异，可以用于寒冷地区及海洋的环境下使用，应用范围更广阔。

4、本发明采用转炉冶炼+方坯连铸与圆坯、钢管轧制相结合的工艺路线，坯料致密度好，无缝钢管制造工艺可避免产品由于焊缝及熔合线存在的增加使用风险问题。

与公开号JP2000063994及JP2001059136的日本专利相比，制造成本优势明显。与公开号为CN102747279A的中国专利相比，本发明油井管硬度低，冲击性能和耐SSC性能更加优异。

具体实施方式

本发明工艺流程为转炉冶炼—方坯连铸—圆坯轧制—无缝制管—热处理。

合金设计以C、Mn、Ti、Cr、Cu、Nb为主要成分，并添加RE，利用合金元素间交互作用，在合金成本与最大限度发挥元素对抗SSC性能及力学性能的作用之间找到平衡点。实施例钢的化学成分wt%见表1。

表1   实施例的化学成分wt%含量表

实施例CSiMnPSCrNbTiFe10.150.241.280.0110.00220.70.0280.042余量20.170.291.320.0100.00140.60.020.047余量30.180.251.330.0090.00270.70.0190.06余量40.160.201.210.0140.00100.90.0240.054余量50.190.271.390.0120.00260.70.0130.043余量60.170.221.250.0090.00230.80.0120.05余量

注：RE添加量为50～90g/t钢。控制N＜0.005%、O＜0.002%、H＜0.0001%，A、B、C、D类粗系夹杂物分别低于1.5级。实施例轧制工艺制度见表2。

表2   实施例轧制工艺制度

表3为实施例钢的性能指标检验结果。

表3   实施例钢管的性能指标检验结果