一種含稀土超高強度抗擠毀石油套管及其生產方法

2023-05-18 17:36:46 1

專利名稱：一種含稀土超高強度抗擠毀石油套管及其生產方法
技術領域：
本發明屬於黑色金屬冶煉及金屬壓力加工領域，涉及一種含稀土超高強度抗擠毀石油套管及其生產方法。
背景技術：
處於巖鹽層、泥巖層、膏巖層等高地層壓力狀況下的油井，會經常發生套管被擠毀的失效事故，給油田生產帶來幾百萬 幾千萬不等的巨大經濟損失，為適應這種特殊地質工況條件對石油套管的苛刻要求，中國發明專利「特殊連接結構超高強度抗擠毀石油套管及其生產方法」(專利申請號=01118711. 5)雖然公開了一種解決問題的技術方案，但其存在以下問題和缺點1、有害元素Cu(重量％< 0.20% )，這是以廢鋼為原料用電爐生產工藝冶煉所無法克服的缺陷，因為廢鋼中不可避免地帶有有害元素Cu，並且在煉鋼過程中無法去除；2、殘餘應力高( 6級)，使套管的強度韌性矛盾突出，在強度較高時，衝擊韌性偏低。

發明內容
本發明的目的是提供一種有害元素含量低、殘餘應力低、衝擊韌性高、晶粒細小、 抗擠壓不易損毀的含稀土超高強度抗擠毀石油套管及其生產方法。本發明的目的是這樣實現的將重量百分比90%的高爐鐵水與10%的優質廢鋼作為原料。以下述工藝流程進行生產首先對上述高爐鐵水進行預處理，然後與上述優質廢鋼一同加入頂底復吹轉爐進行冶煉，再將冶煉好的鋼水裝入鋼水包進入LF爐工位進行精煉，精煉完成後進入VD工位進行真空脫氣處理，再進行圓坯連鑄，並將連鑄坯切割成管坯， 然後對連鑄管坯進行加熱，對加熱好的管坯進行穿孔和連軋使其成為連軋管，對軋管進行定張減徑後送入冷床冷卻，然後實施鋸切，對切好的套管進行熱處理，然後進行矯直，最後經探傷檢測，合格者經車絲扣加工後即為套管成品。其工藝流程簡述為鐵水預處理一頂底復吹轉爐冶煉一LF爐精煉一VD真空處理 —圓坯連鑄一火焰切割一管坯加熱一穿孔一連軋一定張減徑一冷卻一鋸切一熱處理一矯直一探傷一車絲扣。其具體工藝過程詳述如下1、將高爐鐵水經預處理，使得鐵水中的含S量(重量百分比)降低到0.010%以下；2、將預處理後的鐵水兌入頂底復吹轉爐，加入(重量百分比)10%優質廢鋼，採用單渣工藝冶煉，控制終渣鹼度和終點目標[C]06% ；點吹次數彡1次，出鋼過程中
進行脫氧合金化，終脫氧採用有鋁脫氧工藝，出鋼過程必須擋渣或扒渣，出鋼過程中合金加完以後加入白灰塊；3、在LF爐進行精練精煉全過程按要求正常吹氬，採用從低級數到高級數逐漸提高升溫速度的方式加熱提溫；根據轉爐鋼水成分及溫度進行造渣脫硫、成分調整及升溫操作；採用造白渣操作；4、LF爐精煉結束後保持底部軟吹Ar，按預定加入量餵入稀土絲。5、進行VD真空處理真空度彡0. lOKpa，深真空時間彡13分鐘；6、餵入定長矽鈣絲，餵絲後進行8-10分鐘吹Ar ；將經過VD真空處理後的鋼水進行圓坯連鑄，採用低拉速的恆速控制和電磁攪拌工藝；控制鋼水過熱度鑄坯經過矯直後， 火焰切割為圓管坯。對管坯進行化、檢驗，管坯的化學成分及有害雜質元素應符合下述要求(重量百分比)C 0. 18-0. 35 ；Si 0. 10-0. 35 ；Mn 0. 55-1. 10 ；P 彡 0. 025 ；S 彡 0. 020 ；Cr 0. 60-1. 10 ；Mo 0. 15-0. 50 ；Al 0. 01-0. 03 ；稀土元素 RE 0. 0005-0. 0100 ；Cu < 0. 10 ；Ni
< 0. 10，餘量為基體Fe和無法檢測的微量雜質元素。所述稀土元素RE為Ce、La的混合稀土金屬，它們的重量百分比分別為Ce 67%, La33%。成分化驗合格及硫印不大於2. 0級的管坯可以進行制管，制管過程如下將管坯放入加熱爐進行加熱，連續檢查並控制好加熱爐預熱段、加熱段、均熱段等各段的溫度，各段溫度的控制範圍見下表；環形加熱爐各段溫度
管坯直各段爐溫控制(°c)
徑(mm)預熱段I 預熱段II 加熱段I 加熱段Π 均熱段I 均熱段II
φ180 _______ _____________________ 1240-1290 1240 1290 1240-1290
φ270 980-1100 1100-1200 1200-1280 1240-1290 1240-1290 1240-1290計算機系統在線記錄、顯示並自動控制各段加熱溫度，保證加熱透徹均勻而不過燒。頂頭、導板等熱工具在使用前必須測量，軋前檢查並處理輥道，避免劃傷。將加熱好的管坯在相應的連軋管機組分別軋製成用戶所需規格的無縫鋼管，軋制時每批至少進行一次熱取樣，檢查幾何尺寸；合格鋼管進行熱處理，嚴格控制淬火加熱爐的爐溫、加熱穩定性和冷卻水流量，保證淬火質量；嚴格控制回火加熱爐的爐溫以及回火穩定性。熱處理制度為890士 10°C保溫30min，水淬，再610士20°C保溫40min，空冷回火； 回火後執行帶溫矯直，矯直溫度> 480°C。然後對鋼管逐支進行探傷檢測、水壓試驗和通徑檢查，合格者在兩端進行車絲扣加工。
經過上述工藝過程，可以生產出本發明所述的「含稀土超高強度抗擠毀石油套管」。發明的有益效果①由於以高爐鐵水為原料，套管的有害雜質元素含量可以顯著降低(越低越好)， 降低情況見下表有害雜質元素原有技術本發明Cu< 0. 20< 0. 10②由於在480°C以上進行帶溫矯直，套管的殘餘應力亦可以顯著降低(越低越好)，降低情況見下表殘餘應力(MPa)原有技術(160本發明彡80③由於「含稀土元素的獨特成分設計」結合成熟生產工藝，使得套管的各項力學性能可以得到顯著改善，如抗擠毀性能更好、強度更高、衝擊功(o°c橫向全尺寸)更高、晶粒更細(級別越高，晶粒越細)，改善情況見下表
材料強度延伸率衝擊功晶粒度
原有技術 >130000PSI > 12% >33J 2 6級
本發明 > 140000PSI >20% >80J 2 8級 本發明針對背景技術中存在的問題，通過「獨特的化學成分設計和以高爐鐵水為原料的獨特生產工藝」等技術措施，很好地解決了問題，具有突出的實質性特點和顯著的進
止
少ο
具體實施例方式下面結合實施例對本發明作進一步詳細說明。實施例1 按重量百分比原料為高爐鐵水90%，優質廢鋼10%。生產工藝流程順序為鐵水預處理一頂底復吹轉爐冶煉一LF爐精煉一VD真空處理一圓坯連鑄一火焰切割一管坯加熱一穿孔一連軋一定張減徑一冷卻一鋸切一熱處理一矯直一探傷一車絲扣。具體生產工藝流程簡述如下將90噸高爐鐵水用「金屬鎂粉」作脫硫脫氧預處理，使鐵水中的含S量降低到(重量百分比)0. 010%以下；
5
將所述的90噸預處理鐵水兌入100噸級的頂底復吹轉爐中，再加入10噸優質廢鋼，然後採用單渣工藝進行冶煉，終渣鹼度按3.0控制，終點控制目標為[C]06% ； 點吹次數< 1次，出鋼時採用矽錳、錳鐵和鉻鐵進行脫氧合金化，終脫氧採用有鋁脫氧工藝，出鋼過程必須擋渣，擋渣失敗必須扒渣，出鋼過程中合金加完以後加入200kg白灰塊；將冶煉好的鋼水裝入鋼水包進入LF爐工位進行精煉精煉時按要求正常吹氬，採用從低級數到高級數逐漸提高升溫速度的方式加熱升溫；根據轉爐鋼水成分及溫度進行造渣脫硫、成分調整及升溫操作；採用造白渣操作；當LF爐精煉結束後要保持底部軟吹Ar，按預定的加入量餵入一定長度的稀土絲。然後對精煉好的鋼水再進行VD真空處理深真空度彡0. lOKpa，深真空時間彡13 分鐘；再餵入一定長度的矽鈣線，餵絲後保持8-10分鐘軟吹Ar。將經過VD真空處理後的鋼水大包吊上鋼包迴轉臺進行5機5流圓坯連鑄，連鑄時採用低拉速的恆速控制和電磁攪拌工藝；鋼水過熱度ΔΤ < 300C ；鑄坯出二次冷卻區域後進行矯直，然後用火焰切割為圓管坯。對管坯取樣進行化、檢驗，其化學成分化驗結果(重量百分比含量)如下C 0. 32 ；Si 0. 24 ；Mn 0. 91 ；P0. 008 ；S ( 0. 006 ；Cr 0. 98 ；Mo 0. 45 ；Al 0. 030 ；稀土元素RE 0. 0012 ；CuO. 009 ；餘量為基體Fe和無法檢測的微量雜質元素；所述稀土元素RE 為67%的Ce+33%的La構成的混合稀土金屬，其化學成分及其含量合格。硫印1. 0級，低倍檢驗合格。將化、檢驗合格的管坯進行制管，制管過程如下；為了使管坯具有良好的軋制性能，要連續檢測並控制用於加熱管坯的環形加熱爐的預熱段、加熱段、均熱段的溫度，環形爐各段的溫度見下表環形加熱爐各段溫度管坯直各段爐溫控制(°C )徑(mm)預熱段I 預熱段II加熱段I 加熱段II均熱段I 均熱段IIφ 180 ------- ------- ------- 1260 士 15 1260 士 15 1260 士 15計算機系統在線記錄並控制各段加熱溫度，保證管坯的加熱透徹、均勻而不過燒。 頂頭、導板等熱工具在使用前必須測量，軋前檢查、處理輥道，避免劃傷。將加熱好的管坯在Φ ISOmmMPM連軋管機組上軋製成無縫鋼管，每批進行一次熱取樣，檢查幾何尺寸；之後進行熱處理嚴格控制淬火加熱爐的爐溫、加熱穩定性和冷卻水流量，保證淬火質量；嚴格控制回火加熱爐的爐溫以及回火穩定性。熱處理制度為890士 10°C保溫30min，出爐經水淬後再進行空冷回火，回火溫度 610士20°〇，保溫40111士11。回火後進行帶溫矯直，矯直溫度490°C。對矯直後的鋼管逐支進行探傷檢測、水壓試驗和通徑處理，對合格鋼管的兩端進行車絲扣加工。經過上述工藝過程，合格者即成為本發明所述的「含稀土超高強度抗擠毀石油套管」的成品。對其取試樣進行力學性能檢驗。經過檢驗，實施例1所產石油套管的力學性能見下表抗拉強度(PSI)伸長率A(%)衝擊功(J)晶粒度(級)殘餘應力(MPa)15362325. 3898.043. 5
實施例2 實施例2的原料配比、生產工藝流程等及其它工藝指標與實施例1均相同，所不同的是其管坯的化學成分及有害雜質元素含量(重量％)如下表所示化學成分有害雜質元素C Si Mn PSCr Mo Al RECu0. 27 0. 18 0. 72 0.014 0.009 0.88 0. 36 0.015 0.0026 0.015餘量為基體Fe和無法檢測的微量雜質元素。從化驗結果看，其化學成分及有害雜質元素含量符合設計要求，其低倍檢驗的硫印為1. 5級，符合制管要求。用其軋制生產的合格套管的力學性能見下表抗拉強度(PSI)伸長率A(%)衝擊功(J)晶粒度(級)殘餘應力(MPa)14983624. 2968. 560. 7實施例3 實施例3的原料配比、生產工藝流程等及其它工藝指標也與實施例1均相同，環形加熱爐各段溫度控制範圍如下表所示環形加熱爐各段溫度管坯直各段爐溫控制(°C)徑(mm)預熱段I 預熱段II加熱段I 加熱段II均熱段I 均熱段IIφ 270 1020士20 1150士20 1230士20 1260士15 1260士15 1260士15所不同的是其化學成分及有害雜質元素的含量也不同，具體含量(重量％ )如下表所示化學成分有害雜質元素C Si Mn PSCr Mo Al RECu0. 25 0. 22 0.95 0.015 0.007 1.06 0. 39 0.022 0.0019 0.012餘量為基體Fe和無法檢測的微量雜質元素。從化驗結果看，其化學成分及有害雜質元素含量均符合設計要求，其低倍檢驗結果硫印為1. 0級，符合制管要求。用其所軋制的合格套管的力學性能見下表抗拉強度(PSI)伸長率)衝擊功(J)晶粒度(級)殘餘應力(MPa)15184423.81029.059.權利要求
1.一種含稀土超高強度抗擠毀石油套管，其特徵是原料由重量百分比為90%的高爐鐵水和10%的優質廢鋼組成，其化學成分按重量百分比分別為C 0. 18-0.35，Si 0. 10-0. 35，Mn 0. 55-1.10，P 彡 0. 025，S 彡 0. 020，Cr 0. 60-1. 10，Mo 0. 15-0.50，Al 0. 01-0. 03，RE 0. 0005-0. 0100，Cu < 0. 10，餘量為基體Fe和無法消除的微量雜質；產品的力學性能為強度彡140000PSI、殘餘應力彡80MPa、衝擊功彡80J，其晶粒度彡8級。
2.根據權利要求1所述的一種含稀土超高強度抗擠毀石油套管，其特徵在於RE為Ce 與La的混合稀土金屬，其重量百分比為Ce 67%,La 33%。
3.根據權利要求1所述的一種含稀土超高強度抗擠毀石油套管的生產方法，其特徵在於生產工藝流程為鐵水預處理一頂底復吹轉爐冶煉一LF爐精煉一VD真空處理一圓坯連鑄一切割一管坯加熱一穿孔一連軋管一定張減徑一冷床一鋸切一熱處理一矯直一探傷；描述如下將高爐鐵水經預處理，使鐵水中S含量降低到重量百分比0.010%以下，將預處理後的鐵水和優質廢鋼分別按設計比例加入頂底復吹轉爐，採用單渣工藝冶煉，控制終渣鹼度和終點目標，出鋼過程中進行脫氧合金化，終脫氧採用有鋁脫氧工藝，出鋼過程必須擋渣或扒漁，出鋼過程中合金加完以後加入白灰塊。
4.根據權利要求3所述的一種含稀土超高強度抗擠毀石油套管的生產方法，其特徵在於在LF爐進行精練；精煉全過程按要求正常吹氬，採用從低級數到高級數逐漸提高升溫速度的方式加熱升溫；根據轉爐鋼水成分及溫度進行造渣脫硫、成分調整及升溫操作；採用造白渣操作。
5.根據權利要求3或4所述的一種含稀土超高強度抗擠毀石油套管的生產方法，其特徵在於LF爐精煉結束後保持底部軟吹Ar，按預定加入量餵入稀土絲。
6.根據權利要求3所述的一種含稀土超高強度抗擠毀石油套管的生產方法，其特徵在於進行VD真空處理的真空度< 0. lOKpa，深真空時間彡13分鐘；VD真空處理時餵入定長矽鈣絲，餵絲後進行8-10分鐘吹Ar。
7.根據權利要求3所述的一種含稀土超高強度抗擠毀石油套管的生產方法，其特徵在於進行圓坯連鑄時，採用低拉速的恆速控制和電磁攪拌工藝並控制鋼水過熱度< 30°C ；鑄坯出二次冷卻區域後進行矯直，然後切割為圓管坯。
8.根據權利要求3所述的一種含稀土超高強度抗擠毀石油套管的生產方法，其特徵在於要連續檢測並控制用於加熱管坯的加熱爐各段的溫度，各段溫度。C範圍如下預熱I段 980 1100、預熱II段1100 1200 ；加熱I段1200 1280、加熱II段1240 1290 ；均熱 I段1240 1290、均熱II段1240 1290，計算機系統在線記錄、顯示並自動控制各段加熱溫度，保證加熱透徹均勻而不過燒。
9.根據權利要求3所述的一種含稀土超高強度抗擠毀石油套管的生產方法，其特徵在於頂頭、導板等熱工具在使用前必須測量，軋前檢查並處理輥道，避免劃傷。
10.根據權利要求3所述的一種含稀土超高強度抗擠毀石油套管的生產方法，其特徵在於嚴格控制淬火加熱爐的爐溫、加熱穩定性和冷卻水流量，保證淬火質量；嚴格控制回火加熱爐的爐溫以及回火穩定性；熱處理制度為890士 10°C保溫30min，水淬，再610士20°C 保溫40min，空冷回火；回火後執行帶溫矯直，矯直溫度> 480°C。
全文摘要
一種含稀土超高強度抗擠毀石油套管及其生產方法，屬於黑色金屬冶煉及金屬壓力加工技術領域，原料為(Wt％)高爐鐵水90％、優質廢鋼10％，管坯化學成分(Wt％)C 0.18-0.35，Si 0.10-0.35，Mn 0.55-1.10，P≤0.025，S≤0.020，Cr 0.60-1.10，Mo 0.15-0.50，Al 0.01-0.03，RE 0.0005-0.0100(RE為Ce、La的混合稀土金屬，Wt％為Ce 67、La33)，Cu＜0.10，Ni＜0.10，餘為Fe和微量元素；其工藝流程鐵水預處理→頂底復吹轉爐冶煉→LF爐精煉→VD真空處理→圓坯連鑄→火焰切割→管坯加熱→穿孔→連軋→定張減徑→冷卻→鋸切→熱處理→矯直→探傷→車絲扣；其力學性能強度≥140000PSI、殘餘應力≤80MPa、衝擊功≥80J，其晶粒度≥8級。本發明的產品具有殘餘應力低、有害元素含量低、衝擊韌性高、晶粒細小、抗擠壓不易損毀的特點。
文檔編號C22C38/22GK102251180SQ201110188518
公開日2011年11月23日 申請日期2011年7月7日 優先權日2011年7月7日
發明者豐小冬, 井溢農, 宋江波, 李春龍, 李曉, 賀景春, 郭智韜, 陳文琢, 馬愛清 申請人:內蒙古包鋼鋼聯股份有限公司