一種耐溝槽腐蝕膨脹管用鋼及焊接膨脹套管制備方法
2023-06-24 04:37:21 1
一種耐溝槽腐蝕膨脹管用鋼及焊接膨脹套管制備方法
【專利摘要】本發明公開了一種耐溝槽腐蝕膨脹管用鋼及焊接膨脹套管制備方法，其化學成分的質量百分數(wt％)組成如下：C：0.10-0.30％，Si：0.10-0.35％，Mn：0.25-1.0％，S<0.005％，P<0.02％，Cu：0.20-0.50％，Ca：0.001-0.005％，Ce/La混合稀土：0.01-0.15％，其餘為Fe及不可避免的雜質；也可添加Ni：0-1.0％，Mo：0-0.6％，Nb：0-0.05％，V：0-0.05％，Ti：0-0.05％中的一種或幾種。本發明的直縫電阻焊接膨脹套管經膨脹變形後具有高的強度、良好的韌性和低的溝槽腐蝕敏感性。
【專利說明】
【技術領域】
[0001] 本發明屬於金屬材料和石油天然氣工業領域，尤其涉及一種耐溝槽腐蝕膨脹管用 鋼及焊接膨脹套管制備方法。 一種耐溝槽腐蝕膨脹管用鋼及焊接膨脹套管制備方法
【背景技術】
[0002] 隨著原油的不斷開採，老油田的開發已經到了晚期，而新油田的開發主要集中在 地質條件更加複雜的地區，勘探開發難度日益增大，膨脹管技術得到了廣泛應用。膨脹管是 一種在井下發生永久徑向塑性變形的金屬鋼管，它必須具有優良的塑性變形能力，且膨脹 變形後管材的力學性能、尺寸精度等符合API5CT或相關標準要求。應用膨脹管技術可降低 工作難度，增加下井套管層數，改變現有的油氣井井深結構，給現有的油氣井井深結構帶來 革命性的影響，並帶來重大技術經濟效益。
[0003] 膨脹管分為無縫膨脹管和焊接膨脹管兩種類型。相對於無縫膨脹套管而言，焊接 膨脹套管的顯著特點之一是壁厚尺寸精度高，二是內壁無穿孔過程造成的螺旋狀劃痕，因 此它一直受到市場的青睞。
[0004] 當前，焊接膨脹管主要是在常溫下利用電阻法對管坯接合部進行局部加熱、焊接 製造而成。該方法將使得焊縫部位與母材部位具有不同的金屬組織，導致溝槽腐蝕的發生。 綜合分析當前國內的焊接膨脹管技術之後，不難發現，當今生產焊縫性能良好的焊接膨脹 管材料存在以下問題：
[0005] 首先，材料中的合金成分較高，導致管材用鋼材料的碳當量偏高，不利於管材的焊 接。例如，中國專利CN102465234A公開了一種低合金N80鋼級實體可膨脹管材料的製備方 法，其材料中使用了0.2-1%的稀有金屬￥(釔）；中國專利0附018126384公開的一種膨脹 管及其製備方法中，加入了 1. 0-5.0%的貴金屬Ni。大量合金元素的使用，提高了材料碳當 量，對管材的焊接及其工業生產帶來了問題。
[0006] 其次，製造工藝複雜，不利於大規模工業生產。例如，中國專利CN102534166A公開 了一種高擴徑性能的J55鋼級ERW膨脹管的製備方法，採用了三次熱處理才能使ERW膨脹 管具有較高的整體擴徑性能；中國專利CN102534369A公開的一種石油天然氣開採用N80鋼 級膨脹管的製備方法，其需要經過淬火和後續的亞溫回火-淬火-配分處理共兩套工序的 熱處理工藝，才能使焊接膨脹管具有理想的性能。複雜的熱處理工藝雖然能夠減小母材和 焊縫區域的微觀組織差異，但是不利於大規模工業化生產、生產效率較低。
[0007] 本發明是在一種中低碳鋼中添加鈣、銅和Ce/La混合稀土，經過焊縫在線正火處 理和整管兩相區淬火+回火處理後，實現直縫電阻焊接膨脹套管的強塑性要求，並大幅降 低直縫電阻焊接膨脹套管的溝槽腐蝕性能。
【發明內容】
[0008] 本發明的目的是提供一種耐溝槽腐蝕膨脹管用鋼及焊接膨脹套管制備方法，通過 合理的成分設計獲得一種耐溝槽腐蝕膨脹套管用鋼，並結合鋼管的成型焊接工藝和焊縫、 整管熱處理工藝使得管材具有良好的可膨脹性能，該鋼管經膨脹變形後具有高的強度、良 好的韌性和低的焊縫溝槽腐蝕敏感性。
[0009] 本發明提供的耐溝槽腐蝕膨脹管用鋼及焊接膨脹套管的化學成分（按質量百 分數）為 C :0· 10-0. 30 %，Si :0· 10-0. 35 %，Μη :0· 25-1. 0 %，S〈0. 005 %，Ρ〈0· 02 %，Cu : 0· 20-0. 50 %，Ca :0· 001-0. 005 %，Ce/La 混合稀土 ：0· 01-0. 15%，其餘為 Fe 及不可避 免的雜質；也可以在此基礎上添加化學元素 Ni :0-1.0%，Mo 6%，Nb 05%，V : 0-0· 05 %，Ti :0-0· 05 % 中的一種或幾種。
[0010] 本發明提供的焊接膨脹套管採用以下方法製造，具體包括以下步驟：
[0011] ⑴冶煉及凝固：轉爐或電爐煉鋼獲得鋼水，鋼水經爐外精煉後，再經過Ca處理， 連鑄成板坯；
[0012] (2)控制軋制和控制冷卻：板坯經1150-1280°c加熱後軋成板帶，板帶的終軋溫度 大於830°C，乳後板帶經加速冷卻的方法冷卻至680°C以下卷取成鋼卷；
[0013] (3)HFW制管：鋼卷經拆卷、縱剪、銑邊、FFX成型、HFW焊接及焊縫熱處理製成 規定尺寸的有縫焊管，並對焊縫的內外毛刺進行修整，內毛刺刮槽深度和外毛刺餘高均 < 0. 25mm ;
[0014] (4)焊縫熱處理：採用中頻感應加熱對焊縫進行在線正火熱處理，感應加熱溫度 處於880-980°C範圍內；
[0015] (5)整管熱處理：採用燃氣爐將HFW毛坯管加熱至兩相區Acl以上0-60°C範圍，保 溫0. 5-3小時，然後隨爐冷或空冷到室溫。
[0016] 本發明採用合理的成分設計提高焊縫的耐溝槽腐蝕性能，是在中低碳鋼的基礎上 開發出耐溝槽腐蝕膨脹套管用鋼，焊接膨脹套管的耐溝槽腐蝕性能主要由材料的合金成 分、焊接質量和熱處理工藝共同決定，其中硫元素對溝槽腐蝕敏感性影響最大，焊接過程中 形成的硫化物易促進腐蝕現象的產生，因此，需要降低焊縫中的硫化物數量。
[0017] 本發明在材料設計上採用中低碳鋼，保持低的S含量，為降低材料對溝槽腐蝕的 敏感性，添加了合金元素 Ca、Cu和Ce/La混合稀土。主要合金元素的作用如下：
[0018] Ca(鈣）可以淨化鋼液，改變夾雜物的性質，獲得細小球形、彌散分布的硫化物；還 能夠有效地降低鋼中的S含量，使不穩定的硫化物變成穩定的硫化物CaS(硫化鈣）。
[0019] Cu(銅）能夠抵消鋼中的S，並在一定條件下可促進鋼產生陽極鈍化，提高鋼的耐 腐蝕性能；在室溫基本不溶於α-Fe，而以ε-Cu或面心立方α-Cu的形式析出，並可使鋼 得以強化。
[0020] Ce/La(鈰/鑭）混合稀土能夠細化晶粒、淨化鋼液、提高Cu的利用率，同時還可改 變夾雜物的組成、形態、分布及性質，提高鋼的抗氧化性和耐腐蝕性。Ce是元素鈰（Cerium) 的符號，原子序數58,原子量140. 115,自然界中有4種同位素；La是元素鑭（Lanthanum)的 符號，原子序數57,原子量138. 9055,自然界中有2種同位素；本發明中Ce和La的同位素 作用相同，故同種元素的同位素均可添加。
[0021] 本發明中的使用的Ce/La混合稀土中，Ce含量較高約為60-80% (60%、70%、80% 均可滿足管材的性能要求）。
[0022] 本發明在上述基礎上，可通過添加合金元素 Ni、Mo進一步提高材料的膨脹性能， 添加微合金元素 Nb、V、Ti達到提高強度的目的。
[0023] 本發明提供耐溝槽腐蝕焊接膨脹套管的生產方法，包括冶煉、連鑄板坯、Ca處理、 控制軋制、控制冷卻、捲曲冷卻、成型焊接、熱處理，其中，所述的生產方法中焊縫在線正火 處理溫度處於880-980°C範圍內；鋼管整管熱處理溫度處於兩相區Acl以上0-60°C。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0024] 圖1本發明中使用的溝槽腐蝕敏感性係數測定原理圖。
【具體實施方式】
[0025] 下面結合實施例與對比例，更具體地說明本發明。
[0026] 實施例1 :
[0027] 本實施例套管用鋼化學成分質量百分比為：C :0. 15 ;Si :0. 27 ;Mn :0. 83 :P : 0· 008 ;S :0· 002 ;Cu :0· 18 ;Ca :0· 0021，Ce/La :0· 04,其餘為 Fe 和不可避免的雜質。
[0028] 將轉爐冶煉、爐外精煉後的鋼水進行Ca處理後，連鑄成板坯。連鑄板坯經 1150-1280°C加熱後軋成板帶，板帶的終軋溫度大於830°C，乳後板帶經加速冷卻的方法冷 卻至680°C以下卷取成鋼卷。經拆卷、縱剪、銑邊、FFX成型、HFW焊接及焊縫熱處理製成 規定尺寸的有縫焊管，中頻感應加熱對焊縫進行在線正火熱處理，感應加熱溫度為900°C， 加熱時間為20-60s，隨後對焊縫的內外毛刺進行修整，內毛刺刮槽深度和外毛刺餘高均 <0. 25mm ;採用燃氣爐將HFW毛坯管加熱至兩相區790°C，保溫1. 5-2小時，空冷至室溫，生 產出本發明的耐溝槽腐蝕的焊接膨脹套管。
[0029] 經檢測，本實施例套管力學性能結果如下：屈服強度為385MPa，抗拉強度為 535MPa，斷後延伸率為46%，夏比V型缺口焊縫衝擊值為133J。
[0030] 本實施例套管經液壓式膨脹10%變形後，管材的力學性能如下：屈服強度為 425MPa，抗拉強度為565MPa，斷後延伸率為39%，夏比V型缺口焊縫衝擊值為94J，達到 API5CT標準中的J55鋼級套管性能要求。
[0031] 通過電化學試驗方法衡量溝槽腐蝕性能的好壞。依據SY/T5989-2012標準，將膨 脹變形後的試樣放在3. 5% NaCl溶液中進行144h陽極極化，極化後將試樣取出，並清除腐 蝕產物，測量腐蝕試驗前試樣原始表面到母材的深度hi和腐蝕溝槽底的腐蝕深度h2,計算 溝槽腐蝕敏感性係數a =h2/hl。評價標準為：腐蝕敏感性係數α〈1.3時，不敏感。腐蝕 敏感性係數α > 1. 3時，敏感。實驗中，陽極極化電位為-550mv。
[0032] 經檢測，本實施例套管的溝槽腐蝕敏感係數a = 1. 06。
[0033] 實施例2 :
[0034] 本實施例套管用鋼化學成分質量百分比為：C :0. 12 ;Si :0. 23 ;Μη :0. 96 :Ρ : 0· 006 ;S :0· 002 ;Cu :0· 26 ;Ca :0· 0018, Ce/La :0· 11，其餘為 Fe 和不可避免的雜質。
[0035] 其他同實施例1。
[0036] 經檢測，本實施例套管力學性能結果如下：屈服強度為380MPa，抗拉強度為 540MPa，斷後延伸率為44%，夏比V型缺口焊縫衝擊值為136J。
[0037] 本實施例套管經液壓式膨脹10%變形後，管材的力學性能如下：屈服強度為 430MPa，抗拉強度為575MPa，斷後延伸率為38%，夏比V型缺口焊縫衝擊值為98,達到 API5CT標準中的J55鋼級套管性能要求。
[0038] 經檢測，本實施例套管的溝槽腐蝕敏感係數α = 1. 08。
[0039] 實施例3 :
[0040] 本實施例套管用鋼化學成分質量百分比為：C:0. 16 ;Si :0.31 ;Mn :0.77 :P: 0· Oil ;S :0· 0018 ;Cu :0· 33 ;Ca :0· 0019, Ni :0· 5, Ce/La :0· 09,其餘為 Fe 和不可避免的雜 質。
[0041] 其他同實施例1。
[0042] 經檢測，本實施例套管力學性能結果如下：屈服強度為395MPa，抗拉強度為 550MPa，斷後延伸率為43%，夏比V型缺口焊縫衝擊值為128J。
[0043] 本實施例套管經液壓式膨脹15%變形後，管材的力學性能如下：屈服強度為 465MPa，抗拉強度為595MPa，斷後延伸率為33%，夏比V型缺口焊縫衝擊值為96J，達到 API5CT標準中的J55鋼級套管性能要求。
[0044] 經檢測，本實施例套管的溝槽腐蝕敏感係數a = 1. 09。
[0045] 實施例4 :
[0046] 本實施例套管用鋼化學成分質量百分比為：C :0. 10 ;Si :0. 28 ;Μη :0. 82 :Ρ : 0· 006 ;S :0· 002 ;Cu :0· 44 ;Ca :0· 0027，Ni :0· 8，Μο :0· 30，Ce/La :0· 02,其餘為 Fe 和不可避 免的雜質。
[0047] 其他同實施例1。
[0048] 經檢測，本實施例套管力學性能結果如下：屈服強度為385MPa，抗拉強度為 550MPa，斷後延伸率為43%，夏比V型缺口焊縫衝擊值為132J。
[0049] 本實施例套管經液壓式膨脹15%變形後，管材的力學性能如下：屈服強度為 455MPa，抗拉強度為590MPa，斷後延伸率為33%，夏比V型缺口焊縫衝擊值為96J，達到 API5CT標準中的J55鋼級套管性能要求。
[0050] 經檢測，本實施例套管的溝槽腐蝕敏感係數a = 1. 08。
[0051] 實施例5:
[0052] 本實施例套管用鋼化學成分質量百分比為：C :0. 21 ;Si :0. 23 ;Μη :0. 92 :Ρ : 0. 008 ；S ：0. 0016 ；Cu ：0. 22 ；Ca ：0. 0010, Ni ：0. 9, Mo ：0. 37, Nb ：0. 024, V ：0. 041, Ti ：0. 014, Ce/La :0. 14,其餘為Fe和不可避免的雜質。
[0053] 將電爐冶煉、爐外精煉後的鋼水進行Ca處理後，連鑄成板坯。連鑄板坯經 1160-1280°C加熱後軋成板帶，板帶的終軋溫度大於830°C，乳後板帶經加速冷卻的方法冷 卻至680°C以下卷取成鋼卷。經拆卷、縱剪、銑邊、FFX成型、HFW焊接及焊縫熱處理製成 規定尺寸的有縫焊管，中頻感應加熱對焊縫進行在線正火熱處理，感應加熱溫度為930°C， 加熱時間為20-60s，隨後對焊縫的內外毛刺進行修整，內毛刺刮槽深度和外毛刺餘高均 彡0. 25mm ;採用燃氣爐將HFW毛坯管加熱至兩相區810°C，保溫1. 5-2小時，空冷至室溫，生 產出本發明的耐溝槽腐蝕的80ksi鋼級焊接膨脹套管。
[0054] 經檢測，本實施例套管力學性能結果如下：屈服強度為575MPa，抗拉強度為 710MPa，斷後延伸率為38%，夏比V型缺口焊縫衝擊值為90J。
[0055] 本實施例套管經液壓式膨脹10%變形後，管材的力學性能如下：屈服強度為 605MPa，抗拉強度為740MPa，斷後延伸率為32%，夏比V型缺口焊縫衝擊值為80J，達到 API5CT標準中的N80鋼級套管性能要求。
[0056] 經檢測，本實施例套管的溝槽腐蝕敏感係數α = 1. 07。
[0057] 實施例6 :
[0058] 本實施例套管用鋼化學成分質量百分比為：C :0. 29 ;Si :0. 27 ;Mn :0. 83 :P : 0. 006 ；S ：0. 002 ；Cu ：0. 36 ；Ca ：0. 0018, Ni ：0. 4, Mo ：0. 48, Nb ：0. 046, Ti ：0. 023, Ce/La ： 〇. 06,其餘為Fe和不可避免的雜質。
[0059] 其他同實施例5。
[0060] 經檢測，本實施例套管力學性能結果如下：屈服強度為585MPa，抗拉強度為 715MPa，斷後延伸率為37%，夏比V型缺口焊縫衝擊值為91J。
[0061] 本實施例套管經液壓式膨脹15%變形後，管材的力學性能如下：屈服強度為 610MPa，抗拉強度為745MPa，斷後延伸率為31%，夏比V型缺口焊縫衝擊值為78J，達到 API5CT標準中的N80鋼級套管性能要求。
[0062] 經檢測，本實施例套管的溝槽腐蝕敏感係數a = 1. 06。
[0063] 實施例7 :
[0064] 本實施例套管用鋼化學成分質量百分比為：C :0. 23 ;Si :0. 26 ;Μη :0. 87 :Ρ : 0. 009 ；S ：0. 0017 ；Cu ：0. 22 ；Ca ：0. 0025, Ni ：0. 8, Mo ：0. 54, Nb ：0. 035, V ：0. 011,Ti ：0. 019, Ce/La :0. 05,其餘為Fe和不可避免的雜質。
[0065] 其他同實施例5。
[0066] 經檢測，本實施例套管力學性能結果如下：屈服強度為575MPa，抗拉強度為 710MPa，斷後延伸率為38%，夏比V型缺口焊縫衝擊值為89J。
[0067] 本實施例套管經液壓式膨脹15%變形後，管材的力學性能如下：屈服強度為 625MPa，抗拉強度為765MPa，斷後延伸率為30%，夏比V型缺口焊縫衝擊值為79J，達到 API5CT標準中的N80鋼級套管性能要求。
[0068] 經檢測，本實施例套管的溝槽腐蝕敏感係數a = 1. 08。
[0069] 實施例8 :
[0070] 本實施例套管用鋼化學成分質量百分比為：C :0. 26 ;Si :0. 21 ;Μη :0. 78 :Ρ : 0. 004 ；S ：0. 0018 ；Cu ：0. 41 ；Ca ：0. 0029, Ni ：0. 9, Mo ：0. 22, Nb ：0. 021, V ：0. 046, Ti ：0. 014, Ce/La :0. 02,其餘為Fe和不可避免的雜質。
[0071] 其他同實施例5。
[0072] 經檢測，本實施例套管力學性能結果如下：屈服強度為585MPa，抗拉強度為 715MPa，斷後延伸率為37%，夏比V型缺口焊縫衝擊值為90J。
[0073] 本實施例套管經液壓式膨脹15%變形後，管材的力學性能如下：屈服強度為 635MPa，抗拉強度為770MPa，斷後延伸率為30%，夏比V型缺口焊縫衝擊值為80J，達到 API5CT標準中的N80鋼級套管性能要求。
[0074] 經檢測，本實施例套管的溝槽腐蝕敏感係數a = 1. 08。
[0075] 以上所述，僅是本發明的較佳實施例而已，並非對本發明作任何形式上的限制，雖 然本發明已以較佳實施例揭露如上，然而並非用以限定本發明，任何熟悉本專業的技術人 員，在不脫離本發明技術方案範圍內，當可利用上述揭示的方法及技術內容作出些許的更 動或修飾為等同變化的等效實施例，但凡是未脫離本發明技術方案的內容，依據本發明的 技術實質對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化與修飾，仍屬於本發明技術方案的 範圍內。
【權利要求】
1. 一種耐溝槽腐蝕膨脹管用鋼，其特徵在於：其化學成分的質量百分數（Wt% )組 成如下：C :0· 10-0. 30 %，Si :0· 10-0. 35 %，Μη :0· 25-1. 0 %，S〈0. 005 %，Ρ〈0· 02 %，Cu : 0. 20-0. 50%，Ca :0. 001-0. 005%，Ce/La 混合稀土 ：0. 01-0. 15%，其餘為 Fe 及不可避免的 雜質。
2. 根據權利要求1所述的一種耐溝槽腐蝕膨脹管用鋼，其特徵在於：包括添加 Ni : 0-1. 0 %，Mo :0-0· 6%，Nb :0-0· 05%，V :0-0· 05%，Ti :0-0· 05% 中的一種或幾種。
3. -種耐溝槽腐蝕焊接膨脹套管制備方法，其特徵在於，包括以下步驟： (1) 冶煉及凝固：轉爐或電爐煉鋼獲得鋼水，鋼水經爐外精煉後，再經過Ca處理，連鑄 成板坯； (2) 控制軋制和控制冷卻：板坯經1150-1280°C加熱後軋成板帶，板帶的終軋溫度大於 830°C，乳後板帶經加速冷卻的方法冷卻至680°C以下卷取成鋼卷； (3) HFW制管：鋼卷經拆卷、縱剪、銑邊、FFX成型、HFW焊接及焊縫熱處理製成規定尺寸 的有縫焊管，並對焊縫的內外毛刺進行修整，內毛刺刮槽深度和外毛刺餘高均< 〇. 25mm ; (4) 焊縫熱處理：採用中頻感應加熱對焊縫進行在線正火熱處理，感應加熱溫度處於 880-980°C 範圍； (5) 整管熱處理：採用燃氣爐將HFW毛坯管加熱至兩相區Acl以上0-60°C範圍，保溫 〇. 5-3小時，然後隨爐冷或空冷到室溫，獲得耐溝槽腐蝕焊接膨脹套管。
4. 如權利要求3所述耐溝槽腐蝕焊接膨脹套管制備方法，其特徵在於，所述耐 溝槽腐蝕焊接膨脹套管化學成分的質量百分數（wt % )組成如下：C:0. 10-0.30%， Si ：0. 10-0. 35 %, Μη ：0. 25-1. 0 %, S<0. 005 %, Ρ<0. 02 %, Cu ：0. 2〇-〇. 50 %, Ca ： 0. 001-0. 005%，Ce/La混合稀土 ：0. 01-0. 15%，其餘為Fe及不可避免的雜質。
【文檔編號】C21D8/10GK104087834SQ201410321568
【公開日】2014年10月8日 申請日期:2014年7月5日 優先權日:2014年7月5日
【發明者】畢宗嶽, 李遠徵, 韋奉, 張峰, 王濤, 唐俊, 何石磊, 李周波, 王軍, 白鶴, 黨濤, 王亮, 周新義, 魯碧為 申請人:寶雞石油鋼管有限責任公司