抗沟槽腐蚀高强度ERW焊接套管用钢、套管及生产方法

摘要

本发明提供一种抗沟槽腐蚀高强度ERW焊接套管用钢，其化学成分(wt％)为：C：0.15～0.25；Si：0.05～0.4；Mn：0.7～1.5；P：≤0.1；S：＜0.005；Ti：0.005～0.03；Nb：0.005～0.04；V：0.005～0.04；Cr：0.1～0.7；Cu：0.1～0.3；B：0～0.003；Al：0.002～0.04；Ca：0.001～0.01，其余为Fe和不可避免杂质。本发明还提供上述钢制备的套管及其生产方法。本发明具有优良的抗沟槽腐蚀性能，不含Mo、Ni等昂贵的合金元素，套管成本不高。

说明书

技术领域

本发明涉及一种抗沟槽腐蚀高强度电阻焊(ERW)焊接套管用钢、抗沟槽腐蚀高强度电阻焊(ERW)焊接套管及其生产方法。

背景技术

石油及天然气开采用套管一般而言是根据API(美国石油协会)标准组织生产与供货的。API标准规定，石油套管有无缝管和焊管两种类型。相对于无缝管而言，焊管具有生产效率高、尺寸精度好、规格范围宽、成本低等显著特点，因此是生产厂家与油田用户的首选品种，一直受到市场的青睐。N80钢级套管是一种高强度钢管，根据API标准规定，其屈服强度R_0.5须在552～758MPa之间，抗拉强度R_m须大于689MPa。

高强度焊接套管易于发生沟槽腐蚀。沟槽腐蚀是ERW焊管焊接区产生的一种腐蚀现象，通常在焊缝附近形成沟槽状的选择性腐蚀，导致焊管过早穿孔失效。ERW套管的生产工艺是：炼钢→连铸→热轧成板卷→板卷头尾剪切对焊→板带成型→在线焊接→焊缝热处理或整管热处理→管加工→出厂检验等。板卷头尾剪切对焊工序是实现多卷连续生产、体现ERW焊管生产效率的关键工序。但是板卷头尾对焊工艺对材料的碳当量须低，否则容易造成钢板断带，严重影响生产效率。可以通过两种途径来实现焊管产品高强度的性能要求。

一种是通过焊后整管热处理。比如通过调质处理可使产品达到80钢级的水平，由于焊缝和管体同时经历了相变，整管热处理能有效的减轻焊缝与管体组织上的差异，消除残余应力，从而提高套管的抗沟槽腐蚀性能。但是，整管调质具有明显的缺点，其一、在设备上要求生产厂家具有整管热处理的配套设备。如果生产厂家没有相关装备，则不能生产高强度套管；其二、ERW焊管的直径一般都大于219mm，淬火必将导致套管不圆度的增大，虽可经校直，但“包申格效应”的存在必然使得焊接套管丧失其“天生的”高抗挤特性，从而降低了焊接套管尺寸精度上的优势；其三、由于经过整管热处理，套管的生产成本明显提高，降低了焊接套管的市场竞争优势。

另一种实现高强度性能要求的方法是首先获得高强度的热轧钢板，焊接后仅对焊缝进行热处理。这样，一方面提高焊缝的抗沟槽腐蚀的能力，另一方面又使得焊缝达到所要求的强度。这种方式不具有整管热处理所带来的不利因素，但是，焊缝热处理无法消除因板带成型而引入的宏观的残余应力，在这一应力的作用下，因焊缝处和管体不可避免的存在组织上的差异，所以极易导致沟槽腐蚀的发生。

自上世纪七十年代迄今，开发出具有优良抗沟槽腐蚀性能的焊接钢管是几代材料科学工作者孜孜追求的目标。如表1，专利JP54097522A和JP61124552A公开了一种抗沟槽腐蚀焊接钢管的生产方法，所使用合金为超低碳的铁素体组织，由于钢管的硬度很低，抗粘扣的性能很差，不适合生产石油套管；专利JP54097524A、JP56123349A以及JP57104648A所使用的合金成分不含Ti、Nb、V、Cr、Cu或仅含少量的Nb等强化元素，钢管强度较低，无法实现生产高钢级焊接套管的要求；专利JP56035749A不含上述元素，虽然可以实现高强度的要求，而Si高达1％，焊接时焊缝处容易形成灰斑，严重影响焊缝质量，并且碳当量高达0.8，无法实现剪切对焊的要求；添加了Cu的专利JP09029460A、JP54097523A、JP56069354A和JP59047364A分别以P、Ti、Nb或V作为强化元素，也可能通过控制冷却来实现生产高强度套管的要求(如专利JP56069354A的所有实施例仅达70钢级)，但是由于不含有Cr，在实现高强度的同时，不可能具备良好的抗沟槽腐蚀的能力；而专利JP57131346A、JP58093855A以及JP59096244A都含有昂贵的Ni元素，合金成本较高，另外JP57131346A和JP58093855A的Si含量较高，难以获得优良的焊缝性能；专利US4772771A和JP60187663A所公开的高强度的焊接钢管，其实际强度也仅达70钢级，不含抗沟槽腐蚀的Cr、Cu等合金元素，并且没有对影响沟槽腐蚀性能的关键元素之一的S的含量做出限制，不具有抗沟槽腐蚀性能的能力。此外，表1所列的日本产品除了不具有抗沟槽腐蚀性能的能力外，还含有昂贵的Mo元素，所生产套管的成本太高。

因此，为克服以上不足，本发明目的是提供一种抗沟槽腐蚀的高强度电阻焊(ERW)焊接套管用钢，使其具备高强度的同时具有良好的焊接性能。

同时，本发明提供采用上述的钢生产的套管，以满足生产中对高强度和焊接性能的要求。

此外，本发明提供上述套管的生产方法，工艺简单，便于操作。

发明内容

本发明的目的是这样实现的：

本发明提供一种抗沟槽腐蚀高强度ERW焊接套管用钢，其化学成分质量百分比如下：C：0.15～0.25；Si：0.05～0.4；Mn：0.7～1.5；P：≤0.1；S：＜0.005；Ti：0.005～0.03；Nb：0.005～0.04；V：0.005～0.04；Cr：0.1～0.7；Cu：0.1～0.3；B：0～0.003；Al：0.002～0.04；Ca：0.001～0.01，其余为Fe和不可避免杂质。

本发明的合金成分设计机理说明如下：

碳C：C含量的过高，沟槽腐蚀敏感性增大，按重量百分比，C含量不宜大于0.25，但是C含量太低将有损材料的强度，套管的抗粘扣性能差，宜采用含碳量0.15～0.25。

锰Mn：主要溶于铁素体起强化作用，用可细化铁素体晶粒，但含量太高时偏析严重，按重量百分比，宜采用Mn含量为0.7～1.5。

硅Si：脱氧元素，固溶于铁素体以提高钢的屈服强度，但同时要损失塑性和韧性，是焊接时产生焊接灰斑的主要原因。按重量百分比，宜采用硅含量为0.05～0.4。

磷P：可以提高材料的抗沟槽腐蚀的能力，同时可固溶于铁素体以提高材料的强度，但含量过高会有损材料的塑性，采用磷含量不宜大于0.1。

硫S：与Mn结合生成MnS，焊接时在焊缝处聚集，严重恶化沟槽腐蚀性能，含量越低越好，但过低将大大的提高材料的冶炼成本，综合考虑不宜大于0.005。

铬Cr：为强碳化物形成元素，可以提高材料的抗沟槽腐蚀能力，钢板在冷却时析出碳化物提高钢的强度，按重量百分比，宜采用含量0.1～0.7。

铜Cu：可以提高钢的耐腐蚀性能，在室温基本不溶于α-Fe，而以ε-Cu或面心立方α-Cu的形式析出，并可使钢得以强化。按重量百分比，宜采用含量0.1～0.3。

铝Al：传统脱氧元素，可以提高钢的耐腐蚀性能，还可以通过形成AlN细化奥氏体晶粒，提高材料强度，按重量百分比，宜采用含量0.01～0.05。

钛Ti：强碳氮化物形成元素，形成TiN、TiC在均热和再加热过程中均可以细化奥氏体晶粒，改善焊缝的力学性能；若含量太高，易形成粗大的TiN，达不到添加的目的。按重量百分比，宜采用含量0.005～0.03。

铌Nb：热轧时可以推迟奥氏体再结晶而达到细化晶粒的目的，在随后的冷却及热轧过程中，Nb(C、N)粒子弥散析出，又能起到析出强化的作用。在焊接过程中，可以改善焊缝的力学性能，按重量百分比，宜采用含量0.005～0.04。

钒V：钒的碳氮化物在铁素体中析出，可以在控制冷却的过程中提高材料的强度，同时有利于提高材料的抗腐蚀性能，按重量百分比，宜采用含量0.005～0.04。

硼B：偏聚于奥氏体晶界以抑制先共析铁素体的析出，使得碳化物在低温区均匀弥散析出。含量过高会形成粗大的BN，降低B的作用。按重量百分比，宜采用含量0～0.003。

钙Ca：净化钢液，使夹杂物变性以控制硫化物分布形态，达到获得细小球形、弥散均布的硫化物的目的，按重量百分比，宜采用含量0.001～0.01。.

根据本发明所述的抗沟槽腐蚀高强度ERW焊接套管用钢，其中较好地是，所述的钢成分碳当量Ceq≤0.5。设计成分碳当量Ceq≤0.5，可以满足剪切对焊的要求。

本发明还提供一种抗沟槽腐蚀高强度ERW焊接套管，是采用上述的钢生产的套管，其化学成分质量百分比如下：C：0.15～0.25；Si：0.05～0.4；Mn：0.7～1.5；P：≤0.1；S：＜0.005；Ti：0.005～0.03；Nb：0.005～0.04；V：0.005～0.04；Cr：0.1～0.7；Cu：0.1～0.3；B：0～0.003；Al：0.002～0.04；Ca：0.001～0.01，其余为Fe和不可避免杂质。

根据本发明所述的抗沟槽腐蚀高强度ERW焊接套管，其中较好地是，所述的套管成分碳当量Ceq≤0.5。设计成分碳当量Ceq≤0.5，可以满足剪切对焊的要求。

本发明还提供抗沟槽腐蚀高强度ERW焊接套管的生产方法，包括冶炼、浇铸、轧制、冷却、卷取成板、焊接成型、热处理、剪切和管加工，其中，所述的生产方法中轧制温度为1200～1300℃，终扎温度为850～950℃；冷却速度为2～30℃/s，冷却至500～620℃卷取成板；热处理温度为950±50℃。

根据上述合金设计方案，钢水经转炉或电炉冶炼，并浇铸制成板坯；板坯经1200～1300℃加热后轧成板带，板带的终轧温度在850～950℃之间，轧后板带经层流冷却，以2～30℃/s的速度冷却到500～620℃卷取成板卷。

根据本发明所述的抗沟槽腐蚀高强度ERW焊接套管的生产方法，其中较好地是，所述的热处理采用感应加热线圈对焊缝进行正火热处理。焊接成型后，使用感应加热线圈对焊缝进行正火热处理，感应加热温度为950±50℃，钢管经剪切，并进行管加工，获得具有优良抗沟槽腐蚀性能的N80套管。

综上所述，本发明在材料设计上采用适当的碳含量，保持适当的Mn含量，为降低材料对沟槽腐蚀的敏感性，添加合金元素Cr、Cu，以此为基础，添加微合金元素Ti、Nb、V达到弥补因碳含量降低而导致的强度不足的问题，以B结合Ti的作用优化材料的组织性能，经钙处理以净化钢液，通过冶炼、浇铸、轧制、冷却、卷取成板、焊接成型、热处理、剪切和管加工等一系列工序，最终获得符合要求碳当量适中并且具有良好抗沟槽腐蚀性能、高强度的N80钢级ERW套管。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

1、本发明合金成分碳当量适中，充分利用合金元素的作用，不仅具有优良的抗沟槽腐蚀性能，而且合金含量低；

2、不含Mo、Ni等昂贵的合金元素，仅经焊缝热处理，套管成本不高，具有重大的经济和社会效益。

以下用实施例对本发明作更详细地描述。这些实施例仅仅是对本发明最佳实施方式的描述，并不对本发明的范围有任何限制。

具体实施方式

下面结合实施例与对比例，更具体地说明本发明。

实施例1

本实施例套管用钢化学成分质量百分比为：C：0.16；Si：0.27；Mn：1.33；P：0.007；S：0.004；Ti：0.025；Nb：0.035；V：0.011；Cr：0.33；Cu：0.13；B：0.0022；Al：0.036；Ca：0.007，其余为Fe和不可避免杂质。

将转炉冶炼、炉外精炼后的钢水经Ca处理后，连铸成坯。连铸坯经1200～1250℃加热后热轧成板带，终轧温度大于850℃，轧后板带经层流冷却到570℃卷取成板卷。经剪切对焊、板卷成型、ERW制管后，对焊缝进行感应加热正火处理，加热温度为930℃，加热时间为20～60s，最后钢管经剪切，并进行管加工，生产出本发明的抗沟槽腐蚀的N80电阻焊石油套管。

经检测，本实施例套管力学性能结果如下：R_0.5为687MPa、683MPa；R_m为756MPa、766MPa。

通过电化学试验方法来衡量沟槽腐蚀性能的好坏。该方法是将含有ERW焊缝的试样浸泡在3.5％NaCl水溶液中，然后对其施加阳极极化，对达到给定电位φ时，极化6天后取出，然后测试样品的均匀腐蚀深度d2和沟槽腐蚀深度d1。以沟槽腐蚀系数α，α＝d1/d2，来表示焊管的沟槽腐蚀倾向。一般而言，以α＝1.3作为衡量抗沟槽腐蚀性能好坏的分界线。实验中，φ值为阳极过电位为50mv时的电位。

经检测，本实施例套管的沟槽腐蚀敏感系数α＝1.23。

实施例2

本实施例套管用钢化学成分质量百分比为：C：0.18；Si：0.27；Mn：1.24；P：0.007；S：0.004；Cr：0.22；Cu：0.24；Nb：0.024；V：0.022；Ti：0.019；B：0.0018；Al：0.029；Ca：0.007，其余为Fe和不可避免杂质。

其他同实施例1。

经检测，本实施例套管力学性能结果如下：R_0.5为666MPa、681MPa；R_m为776MPa、764MPa。

经检测，本实施例套管的沟槽腐蚀敏感系数α＝1.12。

实施例3

本实施例套管用钢化学成分质量百分比为：C：0.19；Si：0.25；Mn：1.18；P：0.007；S：0.004；Cr：0.32；Cu：0.20；Nb：0.021；V：0.021；Ti：0.017；Al：0.047；Ca：0.007，其余为Fe和不可避免杂质。

其他同实施例1。

经检测，本实施例套管力学性能结果如下：R_0.5为621MPa、614MPa；R_m为709MPa、701MPa。

经检测，本实施例套管的沟槽腐蚀敏感系数α＝1.05。

实施例4

本实施例套管用钢化学成分质量百分比为：C：0.21；Si：0.31；Mn：0.80；P：0.008；S：0.002；Cr：0.61；Cu：0.18；Nb：0.020；V：0.035；Ti：0.01；Al：0.04；Ca：0.004，其余为Fe和不可避免杂质。

其他同实施例1。

经检测，本实施例套管力学性能结果如下：R_0.5为558MPa、563MPa；R_m为699MPa、713MPa。

经检测，本实施例套管的沟槽腐蚀敏感系数α＝1.15。

实施例5

本实施例套管用钢化学成分质量百分比为：C：0.24；Si：0.29；Mn：0.90；P：0.08；S：0.003；Cr：0.48；Cu：0.17；Nb：0.012；V：0.025；Ti：0.01；Al：0.04；Ca：0.006，其余为Fe和不可避免杂质。

其他同实施例1。

经检测，本实施例套管力学性能结果如下：R_0.5为637MPa、750MPa；R_m为814MPa、896MPa。

经检测，本实施例套管的沟槽腐蚀敏感系数α＝1.21。

比较例1

本比较例套管用钢化学成分质量百分比为：C：0.18；Si：0.26；Mn：1.23；P：0.007；S：0.005；Cr：0.24；Cu：0.22；Al：0.024；Ca：0.008，其余为Fe和不可避免杂质。

将转炉冶炼、炉外精炼后的钢水经Ca处理后，连铸成坯。连铸坯经1200～1250℃加热后热轧成板带，终轧温度大于850℃，轧后板带经层流冷却到570℃卷取成板卷。经剪切对焊、板卷成型、ERW制管后，对焊缝进行感应加热正火处理，加热温度为930℃，加热时间为20～60s，最后钢管经剪切，并进行管加工，生产出本发明所需的比较例石油套管。

经检测，本比较例套管力学性能结果如下：R_0.5为428MPa、412MPa；R_m为540MPa。

比较例2

本比较例套管用钢化学成分质量百分比为：C：0.17；Si：0.26；Mn：1.15；P：0.007；S：0.003；Nb：0.019；V：0.17；Ti：0.26；Al：0.041；Ca：0.008，其余为Fe和不可避免杂质。

其他同比较例1。

经检测，本比较例套管力学性能结果如下：R_0.5为510MPa、519MPa；R_m为632MPa、627MPa。

比较例3

本比较例套管用钢化学成分质量百分比为：C：0.18；Si：0.25；Mn：1.16；P：0.007；S：0.002；Cr：0.21；Nb：0.018；V：0.021；Ti：0.018；Al：0.045；Ca：0.008，其余为Fe和不可避免杂质。

其他同比较例1。

经检测，本比较例套管力学性能结果如下：R_0.5为525MPa、531MPa；R_m为636MPa、642MPa。

比较例4

本比较例套管用钢化学成分质量百分比为：C：0.17；Si：0.26；Mn：1.18；P：0.007；S：0.003；Cr：0.21；Nb：0.021；V：0.022；Ti：0.019；B：0.0022；Al：0.045；Ca：0.009，其余为Fe和不可避免杂质。

其他同比较例1。

经检测，本比较例套管力学性能结果如下：R_0.5为475MPa、521MPa；R_m为622MPa、635MPa。

比较例5

本比较例套管用钢化学成分质量百分比为：C：0.24；Si：0.30；Mn：1.5；P：0.008；S：0.004；Nb：0.06；Ti：0.025；Al：0.04；Ca：0.008；Mo：0.25，其余为Fe和不可避免杂质。

其他同比较例1。

经检测，本比较例套管力学性能结果如下：R_0.5为631MPa、559MPa；R_m为826MPa、767MPa。

通过电化学试验方法来衡量沟槽腐蚀性能的好坏。该方法是将含有ERW焊缝的试样浸泡在3.5％NaCl水溶液中，然后对其施加阳极极化，对达到给定电位φ时，极化6天后取出，然后测试样品的均匀腐蚀深度d2和沟槽腐蚀深度d1。以沟槽腐蚀系数α，α＝d1/d2，来表示焊管的沟槽腐蚀倾向。一般而言，以α＝1.3作为衡量抗沟槽腐蚀性能好坏的分界线。实验中，φ值为阳极过电位为50mv时的电位。

经检测，本比较例套管的沟槽腐蚀敏感系数α＝1.50。

由上述实施例和比较例可以看出，实施例1～5的强度均满足屈服强度(R_0.5)在552～758MPa之间、抗拉强度(R_m)≥689MPa的高强度的要求，而且沟槽腐蚀系数α均低于1.3，具有良好的抗沟槽腐蚀性能。比较例1没有Ti、Nb、V等强化元素，而比较例2～4不含Cu等强化和耐腐蚀元素，材料的力学性能达不到N80钢级的强度要求。比较例5含有贵重的Mo元素，力学性能合格但抗沟槽腐蚀性能较差。可见，采用本发明所设计的化学成分和工艺制度，可以生产出抗沟槽腐蚀的高强度的N80ERW套管。