一种石油天然气专用C90-1钢级套管及其生产工艺

摘要

本发明公开了一种石油天然气专用C90-1钢级套管，所述套管的化学成分含量以重量百分比计如下：C：0.24～0.29，Si：0.17～0.37，Mn：0.40～0.60，P：≤0.015，S：≤0.008，Ni：≤0.20，Cr：0.90～1.20，Mo：0.15～0.35，Cu：≤0.15，Al：≤0.20，其余为Fe，另外还提供了该套管的生产工艺，本发明的产品达到C90-1钢级，抗硫化物腐蚀性能较好，能够在深井、超深井等恶劣环境中使用的，在同类产品中生产成本及原料采购价格相对低廉，生产加工便捷易行，具有较高的使用价值，市场潜力大。

说明书

技术领域

本发明涉及石油天然气专用管道，特别是一种能够在深井、超深井等恶劣环境中使用的石油天然气专用C90-1钢级套管及其生产工艺。

背景技术

随着世界能源短缺形势的加剧，石油开采业面临更严峻的挑战，浅井开采的资源有限，已不能解决油气能源短缺的问题，因此深井开采已成趋势，随之而来的，为了应对能够克服深井作业环境的套管需求，深井用套管的开发设计已经成为国内外石油管道厂家研发的主导方向。在石油天然气工业-油井套管和油管用无缝钢管中，高钢级产品能抗氢致裂(HIC)和抗SSC腐蚀，同时也能承受深井开采过程中地下恶劣环境产生的较大压力，为深井、超深井作业提供安全保障，在国内使用的抗硫化物腐蚀的套管，能够达到C90-1钢级的，只有极少钢管生产厂家可以生产，显然不能满足市场大量需求，油田使用大部分都靠进口，深井用套管不论是国内部分厂家生产还是进口，成本都比较高，是L80-1钢级套管的3倍以上。

发明内容

本发明所要解决的问题就是提供一种能够在深井、超深井等恶劣环境中使用的石油天然气专用套管及其生产工艺，达到C90-1钢级，抗硫化物腐蚀性能较好，在同类产品中生产成本及原料采购价格相对低廉，生产加工便捷易行，具有较高的使用价值，市场潜力大。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种石油天然气专用C90-1钢级套管，其特征在于：所述套管的化学成分含量以重量百分比计如下：C：0.24～0.29，Si：0.17～0.37，Mn：0.40～0.60，P：≤0.015，S：≤0.008，Ni：≤0.20，Cr：0.90～1.20，Mo：0.15～0.35，Cu：≤0.15，Al：≤0.20，其余为Fe。

本发明还提供一种石油天然气专用C90-1钢级套管的生产工艺，其特征在于：包括以下步骤：

1)对检测合格的圆钢按照工艺设计要求进行下料；

2)将截好的管坯加热到坯料匀热后出炉，按工艺要求进行穿孔；

3)将穿孔后的管坯轧制成毛管；

4)将经过轧制的毛管进行定径处理；

5)将定径之后的毛管进行矫直处理；

6)将矫直后的毛管切取管端毛头后，进行外观检验，并进行NDT检测，保留合格的钢管；

7)将检测合格后的钢管进行调质处理；

8)调质完成后，进行钢管管体矫直、椭圆度和直度修正；

9)对成品的钢管进行机械性能和化学分析以及内外缺陷的检验检测。

进一步的，所述管坯在穿孔之前送进环形炉加热到坯料匀热温度为1220～1250℃。

进一步的，所述毛管的管体经定径后的外径公差为+1％D～-0.5％D，D为管体外径；壁厚公差为-12.5％t，t为管体壁厚。

进一步的，所述毛管的管体经矫直后的弯曲度≤1mm/m，椭圆度≤0.35％D，D为管体外径。

进一步的，所述钢管的调质过程是连续性的，单位时间节奏为100秒，具体包括：

1)先将管料送进淬火炉，淬火炉内温度升至910±15℃；

2)保持淬火炉内温度在910±15℃，时间为32个单位时间节奏；

3)将管料进行高压水除鳞，除鳞后温度控制在830℃以上，将管料进行淬火处理，时间20秒，淬火冷却水温度不超过35℃；

4)将管料送至回火炉进行回火处理，回火炉内温度控制在680±10℃，时间为48个单位时间节奏；

5)将管料移出回火炉进行空冷。

进一步的，所述钢管在调质完成后的管体矫直、椭圆度和直度修正处理是在管体温度高于480℃时进行。

进一步的，所述机械性能和化学分析包括拉伸试验、冲击试验、硬度试验、晶粒度和淬透性测定、抗腐蚀试验、NTD及水压试验。

进一步的，所述成品的钢管经检验合格后进行管体表面喷漆喷标处理。防止成品管表面生锈和确保产品的可追溯性。

采用上述技术方案后，本发明具有如下优点：达到C90-1钢级，抗硫化物腐蚀性能较好，能够在深井、超深井等恶劣环境中使用的，在同类产品中生产成本及原料采购价格相对低廉，生产加工便捷易行，具有较高的使用价值，市场潜力大。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步说明：

图1为本发明的生产工艺流程示意图；

图2为调质处理工艺曲线图；

图3为拉伸试样的尺寸示意图。

具体实施方式

本发明的套管所含化学成分以重量百分比计要满足如下范围：C：0.24～0.29，Si：0.17～0.37，Mn：0.40～0.60，P：≤0.015，S：≤0.008，Ni：≤0.20，Cr：0.90～1.20，Mo：0.15～0.35，Cu：≤0.15，Al：≤0.20，其余为Fe。

实施例1：

本实施例的套管所用圆钢的化学成分含量以重量百分比计如下：C：0.24，Si：0.37，Mn：0.40，P：0.012，S：0.006，Ni：0.12，Cr：0.91，Mo：0.35，Cu：0.15，Al：0.20，其余为Fe。

实施例2：

本实施例的套管所用圆钢的化学成分含量以重量百分比计如下：C：0.26，Si：0.30，Mn：0.45，P：0.008，S：0.008，Ni：0.18，Cr：1.05，Mo：0.26，Cu：0.09，Al：0.10，其余为Fe。

实施例3：

本实施例的套管所用圆钢的化学成分含量以重量百分比计如下：C：0.27，Si：0.22，Mn：0.56，P：0.014，S：0.006，Ni：0.19，Cr：0.85，Mo：0.16，Cu：0.10，Al：0.17，其余为Fe。

实施例4：

本实施例的套管所用圆钢的化学成分含量以重量百分比计如下：C：0.27，Si：0.35，Mn：0.59，P：0.011，S：0.005，Ni：0.11，Cr：1.18，Mo：0.23，Cu：0.11，Al：0.18，其余为Fe。

实施例5：

本实施例的套管所用圆钢的化学成分含量以重量百分比计如下：C：0.29，Si：0.18，Mn：0.55，P：0.012，S：0.004，Ni：0.15，Cr：1.15，Mo：0.34，Cu：0.05，Al：0.18，其余为Fe。

上述5个实施例的套管，材质为28CrMo，由原材料经过电炉或转炉冶炼，然后进行炉外精炼，接着进行真空脱氧，最后连铸制造出套管用的圆钢。本发明产品规格是：Ф177.8×8.05mm，长度在12400～12500mm，因此圆钢规格为Ф180±3mm长度在6000～12000mm定尺或倍尺，所用圆钢的弯曲度不超过4mm/m，总弯曲度不大于总长的0.4％，圆钢的端部切直角，且端部切斜度不大于公称直径的4％。

圆钢的化学成份采用通常用来测定化学成分的任何一种方法，如发射光谱、X射线发射、原子吸收、燃烧技术或湿法分析方法进行，选用的校验方法溯源到所建立的标准，在结果出现不一致的情况下，化学分析按照ASTM A751进行。若代表同一炉产品的两根圆钢的化学成分分析结果都不符合规定要求，则该炉产品判废，或将该炉产品剩余的圆钢逐根检验，确定是否符合规定要求；若两根圆钢中仅有一根圆钢不符合规定要求，则该炉产品判废，或从该炉产品中再取两根圆钢进行复验，若复验的两根圆钢符合规定要求，则除最初分析不合格的那根圆钢外，该炉产品判为合格，若一根或两根复验圆钢不符合规定要求，则该炉产品判废，或将剩余的每根圆钢逐根检验。在逐根检验任一炉的剩余圆钢时，只检验不合格的元素或需要检验的元素，产品分析复验用圆钢的取法与规定的产品分析取样方法相同。

圆钢低倍检验目视或10倍放大镜下不应出现缩孔、气泡、裂纹、夹杂、翻皮、白点、分层、晶间裂纹等缺陷。酸浸低倍组织合格级别：中心疏松≤2.0级、一般疏松≤2.0级、锭型偏析≤2.0级。非金属夹杂物要求如下：

除此以外，圆钢为细晶粒镇静钢，晶粒度不小于ASTM 5级。

另外本发明提供了一种石油天然气专用C90-1钢级套管的生产工艺，生产工艺及相关文件由技术人员依据API Spec 5CT标准要求，根据本发明设计要求编写质量计划、技术规范、生产各工序工艺卡和检验工艺卡，包括以下步骤：

1)对检测合格的圆钢按照工艺设计要求进行下料；

2)将截好的管坯加热到坯料匀热后出炉，按工艺要求进行穿孔；

3)将穿孔后的管坯轧制成毛管；

4)将经过轧制的毛管进行定径处理；

5)将定径之后的毛管进行矫直处理；

6)将矫直后的毛管切取管端毛头后，进行外观检验，并进行NDT检测，保留合格的钢管；

7)将检测合格后的钢管进行调质处理；

8)调质完成后，进行钢管管体矫直、椭圆度和直度修正；

9)对成品的钢管进行机械性能和化学分析以及内外缺陷的检验检测。

管坯在穿孔之前送进环形炉加热到坯料匀热温度为1220～1250℃。毛管的管体经定径后的外径公差为+1％D～-0.5％D，D为管体外径；壁厚公差为-12.5％t，t为管体壁厚。毛管的管体经矫直后的弯曲度≤1mm/m，椭圆度≤0.35％D，D为管体外径。

轧制好的管体进淬火炉加热后经淬火和回火处理，整体调质过程是连续性的，单位时间节奏为100秒，如图2所示为调质过程的工艺曲线，0-a段为淬火炉加热阶段，a-b段为保温段，b-c段为淬火及回火炉升温段，c-d段为回火炉内保温段，d以后为出回火炉空冷段，具体要求如下：

经淬火加回火调质处理后管体硬度变化控制在3.0HRC以内，作为补充，在淬火完成后回火之前还有淬透性测试。热处理后在管体温度高于480℃时进行管体矫直、椭圆度和直度修正处理，既消除了内应力又无需再进行回炉应力消除，从而节省工序，降低成本。

对经过热轧后的钢管进行合理的热处理，使之机械性能达到C90-1钢级石油天然气专用套管的要求：

屈服强度：621～724Mpa；抗拉强度：≥689Mpa；总伸长率最小：0.5％；硬度：最大25.4HRC，允许变化值3HRC；淬透性：硬度HRC≥44；全尺寸纵向冲击吸收功：≥32J。

并且产品应符合NACE Standard TM0284-2003标准规定的抗氢致裂(HIC)，以及NACE TM0177-2005标准，通过720小时H₂S饱和的0.5wt％冰醋酸和5wt％NaCl的水溶液浸泡并同时加载496.8Mpa外应力时不发生断裂的抗SSC腐蚀试验。

热处理调质结束后就是对产品进行机械性能、化学分析以及内外缺陷的检验检测，API 5CT标准中规定进行机械性能试验的钢管，一批定义为来自同一炉，并且是轧制或连续热处理操作，或批量热处理操作的一部分具有相同规定尺寸和钢级的所有钢管，对于C90-1钢级，规格大于4-1/2的钢管，一批的数量不大于100根。

成品管的化学成分检验取样来自同一炉批次的两根钢管上，试样表面需磨光，成品管的化学成分检验和圆钢的化学成分检验相同类似，采用通常用来测定化学成分的任何一种方法如发射光谱、X射线发射、原子吸收、燃烧技术或湿法分析方法进行，和圆钢的化学成分检验一样，选用的校验方法应溯源到所建立的标准，测定结果应符合设计要求。

机械性能分析包括以下部分：

1、拉伸试验

拉伸试验从每一批热处理后的管坯中，任意抽取一根，切取拉伸试样进行试验，试验用样管随机抽取，当要求多次试验时，抽样方法应保证所提供的样品能代表该热处理周期的始末及管体的两端，试样从不同的管体上截取，拉伸试样采用条形试样。经热处理的管子的拉伸试样是在生产线上最终热处理后的管子上截取，若能使用适当曲面的试验夹具，或将试样两端部经过机加工，从而减少夹紧面的曲率，则所有条形试样标距长度内的宽度约为25.4mm(1.000in)，管坯管体的所有拉伸试样代表所截取钢管的整个壁厚，且试验时不能将试样压平；产品的拉伸性能在纵向试样上测定，试样及试验方法应符合GB/T228-2002或ASTM A370的要求，拉伸试验在室温下进行，拉伸试验过程中的应变速率符合GB/T228-2002或ASTM A370的要求。

对于拉伸试样的具体要求如下：

  尺寸名称  条形试样mm(in)  标距长度G  50.8±0.13(2.000±0.005)  直径或宽度D  25.4(1.000)  最小过渡圆角半径R  25.4(1.000)

  尺寸名称  条形试样mm(in)  最小缩减部分长度A  57.2(2.250)

拉伸试样的尺寸标示如图3所示，其中上表未提及的t为管体壁厚。

2、冲击试验

冲击试验的试样从每一批热处理后的管坯中抽取一组试样进行试验，一组试样包括3个试样，冲击试样的规格为10×7.5×55mm，采用“V”缺口，冲击试验按ASTM A370和ASTM E23规定进行，为确定测得的值是否符合这些要求，将该值圆整到最接近的整数，一组试样的冲击能值，即三个试样的平均值，以整数表示，必要时圆整为整数，圆整按ASTM E29中的圆整方法进行，若一个以上的试样的结果低于规定最小吸收能要求，或一个试样的结果低于规定最小吸收能要求的2/3，则应从同一根管上另取3个试样复验，复验的每一个试样的冲击吸收能都应等于或大于规定最小吸收能要求，否则该根钢管判废；若复检仍不合格时，则从该批钢管中的另外3根管坯每根上再取3个试样，若这些试样均符合要求，则除最初不合格的那根管坯外，该批管坯合格；若试验的这些管中的一根或多根管不符合规定要求，则可选择将该批剩余管子逐根检验，或将该批管重新热处理并重新试验。

3、硬度试验

硬度试验频次如下表：

  钢级  产品  试验数量  每批  一批中的  最大根数  试验类型  位置  C90-1  淬火产品  1  每次试运行  生产或热处  理试验操作  全壁厚，  全尺寸，  4个象限  设计最  大壁厚  处

硬度试样的两个表面磨平行、光滑，硬度试验表面不应有氧化皮、杂质和润滑剂，布氏硬度试验应按ISO6506-1或ASTM E10规定进行，洛氏硬度按ISO6508-1或ASTM E18规定进行。对于C90-1钢级，若任一个平均硬度读数介于25.4HRC和27.0HRC之间，包括27.0HRC，则应在最接近的区域内再测量3个硬度读数，确定一个新的平均硬度读数；如果新的平均硬度读数不超过25.4HRC，则该根管坯是合格的；如果新的平均硬度读数超过25.4HRC，则该根管坯应报废。为验证符合硬度要求，按要求进行过拉伸试验的每根管坯的管体还应在四个象限进行全壁厚硬度试验。

4、晶粒度、淬透性测定

晶粒度、淬透性的测定则是在淬火后回火前进行，以测定淬透性响应。这些试验在产品的管体上进行，晶粒度测定在淬透性试验的试样上进行，晶粒度采用金相法测定，如ISO643或ASTM规定的“McQuaid-Ehn”或其他方法测定，晶粒度不小于ASTM 5级或更细，每一生产过程或每一热处理操作进行一次淬透性试验，采用四个象限的全壁厚硬度测试，淬透性规定的硬度值应大于或等于由下列公式确定的最小为95％马氏体时的硬度值：

HRCmin＝59×(％C)+29。

5、抗腐蚀试验

硫化物的应力开裂试验，对每一炉管坯按照NACE Standard TM0284-2003标准规定的抗氢致裂(HIC)，及NACE TM0177-2005标准，通过720小时H₂S饱和的0.5wt％冰醋酸加5wt％NaCl的水溶液浸泡并同时加载496.8Mpa外应力时不发生断裂的抗SSC腐蚀试验。

6、100％NTD及水压试验

对产品进行外观几何尺寸检验，包括外径、直度、椭圆度、长度、通径(通径规尺寸：Ф158.52×152mm)。随后再进行NDT检测，通过在线漏磁、超声+全长测壁厚检测和管端磁粉检测，实现管体全长覆盖率100％的无损检测，管体探伤等级为L2，管端以A2等级采用荧光磁粉进行内外探伤，探伤合格产品最后再进行水压试验，压力值45Mpa、保压时间≥5s。

最后，对管体表面进行喷漆喷标处理，以防止表面生锈和确保产品的可追溯性，然后测长称重及打包入库。

本发明在热处理之前做探伤即NDT检测处理，其目的是将外观检验后的半成品管中带有缺陷的钢管挑出，有缺陷的钢管不需要再进行热处理，直接做降级管处理。