高鋼級高抗二氧化碳、氯離子腐蝕油套管用鋼及製造方法

2023-05-07 07:12:41 1

專利名稱：：高鋼級高抗二氧化碳、氯離子腐蝕油套管用鋼及製造方法
技術領域：
：本發明涉及一種油套管用鋼及其製造方法，特別涉及一種110ksi高鋼級抗高溫(120-15(TC)、高抗C02、氯離子腐蝕條件下的油井管用鋼及製造方法。
背景技術：
：隨著我國石油天然氣開發力度的加大，採集油氣的油井套管和油管面臨著高溫高壓、高含0)2、C1—等共存的強腐蝕環境，從而造成油氣田多次發生井下油管斷裂，集氣幹線洩漏事故，致使許多油氣田井都在投產一年左右由於此類問題而提前報廢，造成巨大損失，給人民群眾的生命和財產安全造成了嚴重的危害，同時也威脅到了國家能源戰略安全。現有API5CT規範中有L80-13Cr油套管產品，能生產的強度為80和95鋼級，最高服役溫度一般為12(TC，耐蝕性能小於0.25mm/y。隨著油井和氣井的開發，井深也在不斷增加，井深超過5000米的富含C02且超過API標準13Cr鋼管服役條件的油氣井不斷增加，急需耐更高服役溫度(120-150'C)、耐蝕性能更好、強度更高的IIO鋼級油套管。為滿足高的強度和高耐蝕性要求，國外各大鋼管廠紛紛研製出非標的110鋼級13Cr不鏽鋼油套管，如川崎的K0-HP1-13Crl10、住友的低碳SM13CR110等，其成熟產品的化學成分及性能如表1所示。表l川崎和住友110鋼級油套管化學成分tableseeoriginaldocumentpage3API標準檢索到耐腐蝕用合金油套管用鋼的發明專利7項，見表2。檢索專利主要針對要求抗C02腐蝕及抗C02和微量H2S腐蝕用油套管，所述合金設計中一項(11-140594)未涉及強度要求，一項強度要求超過110鋼級(2003-105441，95125Kpsi，-40，30J以上)，但未說明使用環境，一項強度為80鋼級，其它4項強度要求也均不超過110鋼級。上述川崎和住友公司的非標13Cr均含有較高的鎳和鉬及較低的碳，專利中提到的高Cr合金部分專利如昭61-207550、特開平4-224656、特幵平11-140594等也含有較高的鎳和鉬。主要通過增加合金含量特別是Ni和Mo等貴金屬合金，保證耐高溫、C02、及微量H2S腐蝕性能。對於深井要求耐高溫120-150°C、耐0)2腐蝕而並不要求H2S腐蝕的環境，高鎳、鉬合金的油套管成本過高。本發明通過在API標準L80-13Cr油套管成分基礎上，只添加少量鎳和鉬即可達到IIO鋼級強度要求，同時滿足耐120-15CTCC02及氯離子腐蝕要求。表2已有主要專利的合金設計(wt%)tableseeoriginaldocumentpage4
發明內容本發明的目的在於提供一種110ksi高鋼級高抗C02腐蝕油套管鋼的成分及其製造方法。主要解決超低碳13Cr高合金油套管用鋼含有較高的Ni和Mo等貴金屬合金，成本很高以及冶煉難度大的技術問題。本發明的技術方案為高鋼級高抗二氧化碳、氯離子腐蝕油套管用鋼，按重量百分比，其化學成分配比為C:0.150.25%Si:0.20.5%Mn:0.201.0%Cr:12.014.0%Ni:0.51.5%Mo:0.21.0%Al:0.010.1%其餘為Fe和不可避免的雜質元素，雜質元素總量低於0.5%。本發明鋼種通過轉爐(或電爐)煉鋼、模鑄後(在高於125(TC溫度下均勻化退火)並初軋開坯後在65075(TC去應力退火以防止管坯開裂，管坯經穿孔制管、熱軋、熱處理、水壓檢驗後並進行整體調質熱處理和管端加工，經過管體檢驗合格就可製成合格的油套管產品。本發明的高合金鋼化學成分設計的選擇原因如下C:是保證鋼管強度性能及腐蝕性能的必要元素。為保證必要的強度，碳含量不能過低，碳含量低於O.15%時強度不足；碳含量高於0.25%，導致組織中因碳與鉻形成碳化物而降低晶界鉻含量，降低抗腐蝕性能。同時，碳含量過高，材料的硬度高，韌性變壞，而且耐蝕性將受到影響，需要適當限制碳含量。Cr:是提高耐蝕性和強度的主要合金元素。Cr含量小於12%時，耐蝕性不足，Cr含量大於14W時，材料的強度和硬度過高，導致材料的韌性下降。鉻過高也易導致高溫鐵素體形成，降低熱加工性能。Ni:提高腐蝕性能和韌性，有利於高溫軋制，降低形成高溫S鐵素體傾向。同時對降低冷脆轉變溫度有益。Ni加入量過低，效果不明顯，加入量過高則增加成本。Mo的加入提高了耐蝕性特別是抗局部腐蝕性，還提高了材料的強度和淬透性。如加入量低於0.2%，效果不明顯，高於1.0%，加工性能和塑性惡化。Si:加入鋼中起到脫氧和改善耐蝕性的作用，低於0.2%，效果不明顯，大於0.5%，加工和韌性惡化。Mn:改善鋼的強韌性的元素並時奧氏體區擴大元素，小於0.2%時作用不明顯，大於1%，將降低腐蝕性能。Al:在鋼中起到了脫氧作用和細化晶粒的作用，另外還提高了表面膜層的穩定性和耐蝕性。當加入量低於0.01%時，效果不明顯，加入量超過O.10%，力學性能變差。本發明的有益效果國外高強度耐二氧化碳、氯離子腐蝕油套管主要合金設計為在APIL80-13Cr基礎上通過改變某些合金組成如低碳、鎳、鉬複合添加等方法獲得110鋼級的耐二氧化碳腐蝕油套管。本發明以APIL80-13Cr油套管合金設計為基礎，通過添加少量鎳、鉬合金元素，不僅可以獲得強度等級達到110鋼級的油井管，而且，由於鎳、鉬複合添加後，提高了鋼的回火溫度，明顯改善了鋼的低溫衝擊韌性。合金設計中通過控制一定的碳含量、添加鉻、鎳、鉬等元素並經過適當的熱處理之後，獲得溫度120-15(TC條件下耐C02和氯離子腐蝕的強度達到IIO鋼級的油套管，較目前使用的低碳鎳、鉬系列IIO鋼級油套管材料可以節省3-4%的鎳1-2%的鉬和適量的銅和釩，大大降低了合金成本。此外，本發明鋼種走轉爐產線，大大節約了生產成本。具體實施例方式表3所示為實驗鋼種的化學成分，其中1-5為本發明鋼種，6-8為對比鋼種，為目前油田普遍使用的油套管合金。表3本發明鋼和現有合金鋼的化學成分，wt%tableseeoriginaldocumentpage6表4為本發明鋼和對比鋼的力學性能和抗二氧化碳、氯離子腐蝕性能。腐蝕實驗採用高壓釜，腐蝕實驗分別在12(TC和150'C溫度下，二氧化碳分壓2.5MPa並加入3.5MNaCl，介質流速設定為2m/S，實驗時間為168小時，測定腐蝕失重並轉換成腐蝕速率，單位mm/a。表4本發明鋼和對比鋼的力學性能和抗二氧化碳、氯離子腐蝕性能tableseeoriginaldocumentpage7從表4的結果可以看出，本發明的高合金不鏽鋼油套管用鋼耐高溫、二氧化碳及氯離子腐蝕性能與超低碳的鉻、鉬高合金不鏽鋼油套管用鋼的強度和耐腐蝕性能相當。本發明用鋼經過轉爐煉鋼、模鑄、初軋開坯、軋制制管及合理的熱處理工藝之後(其中初軋開坯後需經65075(TC退火)可以獲得力學性能滿足110鋼級的非API耐蝕油套管。也就是說本發明的冶煉、軋制、制管和後處理可以採用常規耐蝕油套管的製備工藝。通過降低鎳含量並添加少量鉬合金元素可以大大降低材料成本。權利要求1、高鋼級高抗二氧化碳、氯離子腐蝕油套管用鋼，按重量百分比，其化學成分配比為C0.15～0.25％Si0.2～0.5％Mn0.20～1.0％Cr12.0～14.0％Ni0.5～1.5％Mo0.2～1.0％Al0.01～0.1％其餘為Fe和不可避免的雜質元素。全文摘要本發明涉及一種油套管用鋼及其製造方法，特別涉及一種110ksi高鋼級抗高溫(120-150℃)、高抗CO2、氯離子腐蝕條件下的油井管用鋼及其製造方法。主要解決超低碳13Cr高合金油套管用鋼含有較高的Ni和Mo等貴金屬合金，成本很高以及冶煉難度大的技術問題。高鋼級高抗二氧化碳、氯離子腐蝕油套管用鋼，按重量百分比，其化學成分配比為C0.15～0.25％，Si0.2～0.5％，Mn0.20～1.0％，Cr12.0～14.0％，Ni0.5～1.5％，Mo0.2～1.0％，Al0.01～0.1％，其餘為Fe和不可避免的雜質元素，雜質元素總量低於0.5％。本發明的冶煉、軋制、制管和後處理可以採用常規耐蝕油套管的製備工藝。本發明獲得的油套管用鋼可適用於高溫高壓、高含CO2、Cl-等共存的油田井下強腐蝕環境。文檔編號C21D11/00GK101096744SQ20061002825公開日2008年1月2日申請日期2006年6月28日優先權日2006年6月28日發明者唐豪清,張忠鏵,徐文亮,郭金寶申請人:寶山鋼鐵股份有限公司