一种低合金耐腐蚀油套管材料及其制备方法

摘要

本发明公开一种低合金耐腐蚀油套管材料及其制备方法，所述低合金耐腐蚀油套管材料的成分重量百分比为：0.15％≤C≤0.20％、0.15％≤Si≤0.35％、0.4％≤Mn≤0.6％、2.8％≤Cr≤3.2％、0.7％≤Mo≤0.9％、0.04％≤V≤0.07％、0.01％≤Al≤0.04％、P≤0.01％、S≤0.002％，余量为Fe及不可避免的杂质。本发明通过严格控制各化学组分的含量以及制备过程的工艺参数，成功制备了可在同时含有H2S和CO2两种腐蚀性气体的超深油井中使用的油套管材料，且材料中合金元素大幅度降低，显著降低了油套管材料的生产成本。

说明书

技术领域

本发明涉及油套管制造技术领域，尤其涉及一种低合金耐腐蚀油套管材料及其制备方法。

背景技术

目前，世界上已建地下储气库一般埋深在2000m以内，苏桥地下储气库群平均完井深度一般在5000m左右，最深已达5505m。超深随之带来的是超高温、超高压的开采条件，这种超深、超高温和超高压条件会给注采井井深结构和注采管柱带来一系列的挑战。苏桥地下储气库群原始油气藏中含有2.31％的CO

目前广泛采用镍基合金油套管开采同时含有CO

发明内容

针对现有的镍基合金油套管材料合金含量较高，以及低合金油套管材料的抗CO

为解决上述技术问题，本发明实施例提供的技术方案是：

一种低合金耐腐蚀油套管材料，其成分重量百分比为：0.15％≤C≤0.20％、0.15％≤Si≤0.35％、0.4％≤Mn≤0.6％、2.8％≤Cr≤3.2％、0.7％≤Mo≤0.9％、0.04％≤V≤0.07％、0.01％≤Al≤0.04％、P≤0.01％、S≤0.002％，余量为Fe及不可避免的杂质。

本发明的提供的耐腐蚀油套管材料，合金含量大幅度降低，通过添加少量的Mo元素，提高材料的回火抗力，降低材料的位错密度，减少氢原子的聚集点，提高材料的抗硫化物应力腐蚀性能；添加少量的V，起到析出强化和细化晶粒的作用，可促进Cr、Mo碳化物的析出，并且细化析出的碳化物，有利于改善扩散氢的分布，改善材料的抗硫化物应力腐蚀能力，同时，材料中均匀分布的细小碳化物还能进一步提高材料的抗二氧化碳腐蚀能力；加入适量的铝元素，作为合金元素和脱氧元素，可提高油套管材料的强度，同时还能提高表面Cr、Mo形成的钝化膜的稳定性，进一步提高材料的耐腐蚀性。本发明中合金元素含量大幅度降低，且不额外添加Nb、Ti、B、Cu等合金元素，属于低合金钢范畴，显著降低了油套管材料的生产成本，且上述各成分以特定比例相互配合，制备的抗硫油套管材料可达到110ksi钢级，能同时较好地满足油套管材料对高强度和耐腐性性能相匹配的要求。

本发明还提供了上述低合金耐腐蚀油套管材料的制备方法，包括如下步骤：

将炼钢原料经电弧炉熔炼、钢包精炼、VD真空精炼和连铸工序，制成与所述低合金耐腐蚀油套管材料化学成分相同的连铸圆坯；连铸圆坯经环形炉加热、穿孔后制成毛管、毛管经轧制后得到荒管、荒管经微张力减径得到轧制态钢管；将所述轧制态钢管经热处理得到低合金耐腐蚀油套管材料。

优选的，热处理工序包括如下步骤：将所述轧制态钢管在高温炉加热至预设温度T

本发明采用先将轧制态钢管在高温炉中加热至预设温度T

优选的，热处理工序中，T

本发明中优选的热处理方式，可细化材料的组织，控制碳化物的析出量以及尺寸，得到细小的、碳化物均匀弥散分布在回火索氏体基体中的组织，从而显著降低材料的腐蚀速率。

优选的，热处理工序中，所述轧制态钢管在高温炉中的在炉时间t

优选的，热处理工序中，第一预设时间为t

优选的在炉时间和保温时间，有利于Cr、Mo、V合金元素的充分扩散，确保组织的均匀性，还可确保组织的充分转变，进而提高材料的耐腐蚀性能，同时，还有利于减轻钢管的表面氧化和消除材料的残余应力。

优选的，电弧炉熔炼工序中，在出钢至1/3时，加入铝锭、硅锰合金、电石和石灰进行脱氧造渣；钢包精炼工序中，钢包精炼初期加入电石和石灰进行脱硫，脱硫至S≤0.001wt％时加入微碳铬铁、钼铁和钒铁进行合金化。

发明人在实践中发现，虽然加入Cr、Mo和V有利于提高材料的耐腐蚀性能，但是，在合金化过程中加入Cr、Mo和V后，还会增加钢液的黏度，降低钢液中硫的活度系数，影响脱硫效果。因此，本发明将钢液中进行深度脱硫后再进行合金化，不但提高了脱硫效率，还显著提高了材料的耐腐蚀性能。

优选的，环形炉加热工序中，所述连铸圆坯的在炉时间为0.8×D min，其中D为连铸圆坯的直径，单位为mm。

进一步优选的，环形炉加热工序中，按照连铸圆坯输送方向将环形加热炉依次分为加热段和均热段，各段分别进行温度控制；所述加热一段的温度为950～1150℃，加热二段的温度为1150～1240℃，加热三段的温度为1220～1260℃，所述均热段的温度为1220～1250℃。

优选的环形炉加热方式和在炉时间，保证钢坯在长度方向温度的一致性，避免了轧制过程中的钢坯内部产生热应力，降低开裂的风险；同时，优选的加热方式，还有利于合金元素的充分扩散，使钢坯中的碳化物充分溶于奥氏体中，改善材料的内部组织。

优选的，穿孔工序中，采用的穿孔顶头经过如下预处理：将穿孔顶头对150～180支C-Mn钢的连铸圆坯进行穿孔后，浸入冷水中冷却，即得穿孔工序用的穿孔顶头。

优选的穿孔顶头的预处理方式，可在穿孔顶头表面形成保护膜，可防止穿孔过程粘钢问题的出现，避免了穿孔过程中产生的内折缺陷，从而提高了钢管的内表面质量，有利于耐腐蚀性能的进一步提高。

优选的，轧制工序中，轧辊集中变形段的长度28～32mm，喂入角为6.9°～7.1°，碾轧角为11.8°～12.2°，导盘转速为1.5～1.6m/s，轧件线速度为0.4～0.42m/s。

轧制过程采用集中变形轧辊，增大了导盘和钢管之间的间隙，减少了导盘的摩擦力，有效降低了导盘粘钢问题的出现，通过控制轧制参数，提高了钢管的表面质量和成材率。

优选的，轧制工序中所用设备在加工制造所述耐腐蚀油套管材料前，先用于加工制造400～500支同规格C-Mn钢管。

在加工本发明所述的耐腐蚀油套管材料前，先将轧制设备用于加工制造400～500支同规格C-Mn钢管，可对设备的轧制参数进行精确的调整，并且有利于设备的磨合，从而尽量减少轧制过程对钢管质量的影响。

本发明中穿孔工序和轧制工序中所用的C-Mn钢的成分为：C 0.2～0.4％，Mn 1～1.6％，Si 0.2～0.4％，余量为Fe和不可避免的杂质元素。

本发明通过严格控制低合金耐腐蚀油套管材料中各化学组分的含量以及制备过程的工艺参数，成功制备了综合性能优异且成本较低的低合金耐腐蚀油套管材料，满足在同时含有H

附图说明

图1为本发明实施例制备的低合金耐腐蚀油套管材料的金相组织图；

图2为本发明实施例制备的低合金耐腐蚀油套管材料的屈服强度分布图；

图3为本发明实施例制备的低合金耐腐蚀油套管材料的抗硫化物应力腐蚀因子分布图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

为了更好的说明本发明，下面通过实施例做进一步的举例说明。

实施例1

本发明实施例提供一种低合金耐腐蚀油套管材料，其化学成分为：

C 0.15％、Si 0.20％、Mn 0.6％、Cr 3.2％、Mo 0.7％、V 0.07％、Al 0.03％、P0.01％、S 0.0009％，其余为Fe和不可避免的杂质。

上述低合金耐腐蚀油套管材料的制备步骤如下：

将炼钢原料经80t电弧炉熔炼、钢包精炼、VD真空脱气、连铸工序制成与上述油套管材料化学组分相同的φ180mm的连铸圆坯；连铸圆坯经环形炉加热、穿孔制成φ199.1mm×15.7mm的毛管、毛管经精密斜轧机组轧制得到φ198.7mm×8.56mm荒管、荒管经微张力减径制成φ177.8mm×9.19mm的轧制态钢管；轧制态钢管经热处理得到低合金耐腐蚀油套管材料。

其中，电弧炉熔炼工序中，在出钢至1/3时，加入铝锭、硅锰合金、电石和石灰进行脱氧造渣；钢包精炼工序中，钢包精炼初期加入电石和石灰进行脱硫，脱硫至S≤0.0009wt％时加入微碳铬铁、钼铁和钒铁进行合金化。

环形炉加热工序中，按照连铸圆坯输送方向将环形加热炉依次分为加热段和均热段，各段分别进行温度控制；所述加热一段的温度为950℃，加热二段的温度为1150℃，加热三段的温度为1220℃，所述均热段的温度为1220℃。管坯在炉时间控制在144min。

穿孔工序中，采用的穿孔顶头经过如下预处理：将穿孔顶头对150支C-Mn钢的连铸圆坯进行穿孔后，浸入冷水中，即得穿孔工序用的穿孔顶头。

轧制工序中，轧辊集中变形段的长度30mm，喂入角为7°，碾轧角为12°，导盘转速为1.5m/s，轧件线速度为0.41m/s。

轧制工序中所用设备在加工制造所述耐腐蚀油套管材料前，先用于加工制造400～500支同规格C-Mn钢管。

热处理工序包括如下步骤：将轧制态钢管加热至930℃，并在910℃保温9.3min后，水冷；然后加热至690℃，并在680℃保温14.5min后，空冷。

热处理工序中，高温炉的在炉时间为93min，低温炉的在炉时间为145min。

实施例2

本发明实施例提供一种低合金耐腐蚀油套管材料，其化学成分为：

C 0.18％、Si 0.35％、Mn 0.5％、Cr 2.8％、Mo 0.8％、V 0.04％、Al 0.04％、P0.008％、S 0.001％，其余为Fe和不可避免的杂质。

上述低合金耐腐蚀油套管材料的制备步骤如下：

将炼钢原料经80t电弧炉熔炼、钢包精炼、VD真空脱气、连铸工序制成与上述油套管材料化学组分相同的φ180mm的连铸圆坯；连铸圆坯经环形炉加热、穿孔制成φ199.1mm×15.7mm的毛管、毛管经精密斜轧机组轧制得到φ198.5mm×12.1mm荒管、荒管经微张力减径制成φ177.8mm×12.65mm的轧制态钢管；轧制态钢管经热处理得到低合金耐腐蚀油套管材料。

其中，电弧炉熔炼工序中，在出钢至1/3时，加入铝锭、硅锰合金、电石和石灰进行脱氧造渣；钢包精炼工序中，钢包精炼初期加入电石和石灰进行脱硫，脱硫至S≤0.0009wt％时加入微碳铬铁、钼铁和钒铁进行合金化。

环形炉加热工序中，按照连铸圆坯输送方向将环形加热炉依次分为加热段和均热段，各段分别进行温度控制；所述加热一段的温度为1150℃，加热二段的温度为1240℃，加热三段的温度为1260℃，所述均热段的温度为1240℃。管坯在炉时间控制在144min。

穿孔工序中，采用的穿孔顶头经过如下预处理：将穿孔顶头对160支C-Mn钢的连铸圆坯进行穿孔后，浸入冷水中，即得穿孔工序用的穿孔顶头。

轧制工序中，轧辊集中变形段的长度32mm，喂入角为7°，碾轧角为12°，导盘转速为1.6m/s，轧件线速度为0.42m/s。

轧制工序中所用设备在加工制造所述耐腐蚀油套管材料前，先用于加工制造150～200支同规格C-Mn钢管。

热处理工序包括如下步骤：将轧制态钢管加热至950℃，并在930℃保温9.9min后，水冷；然后加热至670℃，并在660℃保温10.4min后，空冷。

热处理工序中，高温炉的在炉时间为99min，低温炉的在炉时间为154min。

实施例3

本发明实施例提供一种低合金耐腐蚀油套管材料，其化学成分为：

C 0.2％、Si 0.15％、Mn 0.4％、Cr 3.0％、Mo 0.9％、V 0.06％、Al 0.01％、P0.006％、S 0.0007％，其余为Fe和不可避免的杂质。

上述低合金耐腐蚀油套管材料的制备步骤如下：

将炼钢原料经80t电弧炉熔炼、钢包精炼、VD真空脱气、连铸工序制成与上述油套管材料化学组分相同的φ210mm的连铸圆坯；连铸圆坯经环形炉加热、穿孔制成φ228.1mm×31.6mm的毛管、毛管经精密斜轧机组轧制得到φ227.8mm×25.2mm荒管、荒管经微张力减径制成φ205mm×26mm的轧制态钢管；轧制态钢管经热处理得到低合金耐腐蚀油套管材料。

其中，电弧炉熔炼工序中，在出钢至1/3时，加入铝锭、硅锰合金、电石和石灰进行脱氧造渣；钢包精炼工序中，钢包精炼初期加入电石和石灰进行脱硫，脱硫至S≤0.0009wt％时加入微碳铬铁、钼铁和钒铁进行合金化。

环形炉加热工序中，按照连铸圆坯输送方向将环形加热炉依次分为加热段和均热段，各段分别进行温度控制；所述加热一段的温度为1050℃，加热二段的温度为1200℃，加热三段的温度为1240℃，所述均热段的温度为1250℃。管坯在炉时间管坯在炉时间控制在168min。

穿孔工序中，采用的穿孔顶头经过如下预处理：将穿孔顶头对180支C-Mn钢的连铸圆坯进行穿孔后，浸入冷水中，即得穿孔工序用的穿孔顶头。

轧制工序中，轧辊集中变形段的长度28mm，喂入角为7°，碾轧角为12°，导盘转速为1.5m/s，轧件线速度为0.4m/s。

轧制工序中所用设备在加工制造所述耐腐蚀油套管材料前，先用于加工制造150～200支同规格C-Mn钢管。

热处理工序包括如下步骤：将轧制态钢管加热至940℃，并在920℃保温14.7min后，水冷；然后加热至720℃，并在710℃保温12.9min后，空冷。

热处理工序中，高温炉的在炉时间为147min，低温炉的在炉时间为229min。

实施例1～实施例3中穿孔工序和轧制工序中所用的C-Mn钢的成分为：C 0.2～0.4％，Mn 1～1.6％，Si 0.2～0.4％，余量为Fe和不可避免的杂质元素。其中所述的钢包精炼初期指的是钢包精炼工序开始至钢包精炼t/2的时间段，t代表整个钢包精炼的时间。

实施例1～实施例3制得的耐腐蚀油套管材料的金相组织为均匀的回火索氏体组织，如图1所示。

对实施例1～实施例3制备的油套管材料进行质量检测，从连铸圆坯到成品的成材率达到92％。

按照API 5CT第10版的标准要求从实施例1～实施例3制备的油套管材料中任意取样分析其屈服强度、抗拉强度、伸长率和横向冲击功，其统计分析结果如表1所示。屈服强度的分布图如图2所示，图中的样品数为所取的低合金耐腐蚀油套管材料的个数，采用随机取样方式。

表1

依据NACE TM0177-2005标准对实施例1～实施例3制得的低合金耐腐蚀油套管材料进行硫化物应力开裂性能评价试验，采用A法(标准拉伸法)进行应力腐蚀试验，在饱和H

将实施例1～实施例3制得的低合金耐腐蚀油套管材料置于高压釜中进行抗CO

对比例1

本对比例提供一种油套管材料，其化学成分为：

C 0.2％、Si 0.15％、Mn 0.4％、Cr 0.4％、Mo 0.9％、V 0.15％、Al 0.01％、P0.006％、S 0.0007％，其余为Fe和不可避免的杂质。

上述油套管材料的制备方法与实施例3完全相同，此处不再赘述。

按照与实施例1～实施例3相同的检测方法，测试其抗硫化物应力腐蚀和抗二氧化碳腐蚀性能。

按照NACE TM0177-2005标准A法A溶液进行实验，在饱和H

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。