CN106011657A - 一种110Ksi钢级的抗硫化氢应力腐蚀的油井用钢管及其生产方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种110Ksi钢级的抗硫化氢应力腐蚀的油井用钢管及其生产方法，所述钢管按照质量百分数的组成包括：0.20‑0.28％C、0.12‑0.35％Si、0.4‑0.8％Mn、0.001‑0.011％P、0.0001‑0.003％S、0.9‑1.4％Cr、0.7‑1.2％Mo、0.0003‑0.003％B、0.02‑0.045％Nb、0.04‑0.08％V、0.005‑0.05％Al、0‑0.1％Zr、0‑0.3％Ni、0‑0.15％Cu、0‑0.01％La、0‑0.002％O、0‑0.009％N、0‑0.00015％H，其余为Fe和不可避免杂质；所述钢管的生产方法依次包括：电炉冶炼、炉外精炼、真空脱气、连铸连轧、钢坯加热、钢管轧制、调质处理和矫直；本发明的钢管具有优良的理化性能，指标达到API要求，抗硫化氢应力腐蚀门槛值达到90％YSmin，平均晶粒度10级，高于API要求，适合用于含有硫化氢环境的油气田；安全高效。
Description
技术领域
本发明涉及油田用钢管生产技术领域，具体是一种110Ksi钢级的抗硫化氢应力腐蚀的油井用钢管及其生产方法。
背景技术
随着世界上较易开发的油气田逐渐枯竭，以及各国对于能源需求的不断增长，迫使人们不得不转向开采地质条件更为恶劣的含硫化氢油气田；世界油气田中大约1/3含有硫化氢气体，在我国的几个大油气田中，如四川、长庆、中原、华北、塔里木等油气田都含有不同程度的H2S气体；国外也有许多含硫化氢的油气田，如美国的巴拿马油田、加拿大的阿尔伯达油田等。
在含H2S酸性油气系统中，SSCC主要出现于高强度钢、高内应力构件及硬焊缝上；SSCC是由H、S腐蚀阴极反应所析出的氢原子，在H2S的催化下进入钢中后，在拉伸应力(外加/残余)的作用下，通过扩散，在冶金缺陷提供的三向拉伸应力区富集而导致的开裂，开裂垂直于拉伸应力方向，普遍认为SSCC的本质属氢脆，SSCC属低应力破裂，发生SSCC的应力值通常远低于钢材的抗拉强度。SSCC具有脆性机制特征的断口形貌，穿晶和沿晶破坏均可观察到，一般高强度钢多为沿晶破裂，SSCC破坏多为突发性，裂纹产生和扩展迅速；对SSCC敏感的材料在含H2S酸性油气中，经短暂暴露后，就会出现破裂，以数小时到三个月情况为多，发生SSCC钢的表面无须有明显的一般腐蚀痕迹，SSCC可以起始于构件的内部，不一定需要一个做为开裂起源的表面缺陷；因此，它不同于应力腐蚀开裂(SSCC)必须起始于正在发展的腐蚀表面。
以往学者指出，当对钢材施加低于某值的应力时，钢材并不会发生SSCC，这个应力值称为抗硫化氢应力腐蚀门槛值；研究表明，当材料的屈服强度达到700MPa时，材料的抗硫化氢应力腐蚀门槛值急剧降低，即使很低的应力也会引发材料断裂，这也是80Ksi、95Ksi钢级的抗硫套管相对容易研发，而110Ksi的抗硫套管的技术才逐渐成形。
结合上述SSCC发生机理，获得材料的近似平衡组织，减少各种冶金缺陷、加工缺陷的存在，是提高材料抗SSCC性能的关键；而普通110钢级的钢管如P110，热采管等，提高力学性能的方式主要是弥散强化、位错强化等，处于非平衡组织，其内部含有大量的氢陷阱，抗SSCC性能差，如果对这些材料进行更高温度回火，其获得近似平衡组织，而强度却大大降低。
从石油管材开发的趋势看，作为石油行业主要物资的钢管，其强度级别和耐腐蚀能力要求越来越高，国内外很多厂家已经开始供应110Ksi级别的抗硫化氢应力腐蚀油井用钢管；影响强度、冲击功、耐腐蚀性的因素很多，包括化学成分设计、夹杂物、气体含量、晶粒度、轧制工艺、热处理等，并且各影响因素之间相互关联，尤其是夹杂物、晶粒度和成分控制的影响非常显著；高强度条件下还要保证较高冲击功，且具有低硬度和优异的耐硫化氢应力腐蚀的性能是此类钢管开发的最大难点，攻克这一难关对开采含有硫化氢的油气田具有重要意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种110Ksi钢级的抗硫化氢应力腐蚀的油井用钢管及其生产方法；该钢管具有优良的理化性能、使用性能和抗硫化氢应力腐蚀性能、其抗硫化氢应力腐蚀门槛值达到90％YSmin，高于API要求，实现了高钢级钢管的高强度和低硬度的良好匹配。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种110Ksi钢级的抗硫化氢应力腐蚀的油井用钢管，按照质量百分数的组成包括：0.20-0.28％C、0.12-0.35％Si、0.4-0.8％Mn、0.001-0.011％P、0.0001-0.003％S、0.9-1.4％Cr、0.7-1.2％Mo、0.0003-0.003％B、0.02-0.045％Nb、0.04-0.08％V、0.005-0.05％Al、0-0.1％Zr、0-0.3％Ni、0-0.15％Cu、0-0.01％La、0-0.002％O、0-0.009％N、0-0.00015％H，余量为Fe和杂质。
作为本发明进一步的方案：所述110Ksi钢级的抗硫化氢应力腐蚀的油井用钢管的制备方法，依次包括以下步骤：电炉冶炼、炉外精炼、真空脱气、连铸、连轧、钢坯加热、钢管轧制、调质处理、矫直。
作为本发明再进一步的方案：所述电炉冶炼、炉外精炼、真空脱气、连铸、连轧步骤为钢坯冶炼和成型步骤，铁水先经电炉冶炼，送入LF炉精炼，并喂Al线，钢液温度1600℃～1660℃时，进行VD炉真空处理，真空度20Pa～45Pa，真空前加入Si-Ca线，真空保持时间10min～20min，采用这种方式冶炼保证了钢质的纯净度，钢液温度在1500℃～1550℃时，连铸成圆管坯，然后将圆管坯在1100℃～1260℃时进行连续轧制，圆管坯的变形比≥4，然后冷却到室温，圆管坯奥氏体平均晶粒度细于6级。
作为本发明再进一步的方案：所述钢坯加热和钢管轧制步骤中，圆管坯加热到1180℃～1230℃，穿孔前温度1150℃～1210℃，斜轧前温度950℃～1150℃，张力减径前温度800℃～960℃。
作为本发明再进一步的方案：所述调质处理步骤中，淬火温度为890℃～920℃，水冷；回火温度为670℃～690℃，空冷。
作为本发明再进一步的方案：所述矫直步骤，回火后趁温，在510℃～610℃时，将钢管矫直，得到成品钢管。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明的钢管具有优良的室温性能，钢管抗拉强度≥793MPa，屈服强度为758～828MPa，延伸率≥15％，屈强比≤0.93；端面硬度≤HRC30且硬度变化≤HRC3.0，所述钢管0℃的夏比V型缺口纵向全尺寸冲击功≥120J；所述钢管0℃的夏比V型缺口横向全尺寸冲击功≥90J，平均晶粒度10-12级；采用本发明制备方法制备的钢管，既具备较高的强度和低的硬度，又具备良好的韧性和塑性，其抗硫化氢应力腐蚀门槛值达到90％YSmin，高于API要求，可以广泛用于含有硫化氢应力腐蚀的环境中。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本专利的技术方案作进一步详细地说明。
实施例1
一种110Ksi钢级的抗硫化氢应力腐蚀的油井用钢管，按照质量百分数的组成包括：0.20-0.28％C、0.12-0.35％Si、0.4-0.8％Mn、0.001-0.011％P、0.0001-0.003％S、0.9-1.4％Cr、0.7-1.2％Mo、0.0003-0.003％B、0.02-0.045％Nb、0.04-0.08％V、0.005-0.05％Al、0-0.1％Zr、0-0.3％Ni、0-0.15％Cu、0-0.01％La、0-0.002％O、0-0.009％N、0-0.00015％H，余量为Fe和杂质。
其中杂质包括Sb、Bi、Pb、As、Sn、O、H、N；Sb≤0.01％、Bi≤0.01％、Pb≤0.01％、As≤0.015％、Sn≤0.015％、O≤0.002％、N≤0.009％、H≤0.00015％。
所述110Ksi钢级的抗硫化氢应力腐蚀的油井用钢管的制备方法，依次包括以下步骤：电炉冶炼、炉外精炼、真空脱气、连铸、连轧、钢坯加热、钢管轧制、调质处理、矫直；具体方法为：首先进行钢坯冶炼和成型步骤，铁水先经电炉冶炼，送入LF炉精炼，并喂Al线，钢液温度1600℃～1660℃时，进行VD炉真空处理，真空度20Pa～45Pa，真空前加入Si-Ca线，真空保持时间10min～20min，钢液温度在1500℃～1550℃时，连铸成圆管坯，然后将圆管坯在1100℃～1260℃时进行连续轧制，圆管坯的变形比≥4，然后冷却到室温，圆管坯奥氏体平均晶粒度细于6级；接着进行钢坯加热和钢管轧制，圆管坯加热到1180℃～1230℃，穿孔前温度1150℃～1210℃，斜轧前温度950℃～1150℃，张力减径前温度800℃～960℃；然后进行调质处理，淬火温度为890℃～920℃，水冷；回火温度为670℃～690℃，空冷；最后回火后趁温，在510℃～610℃时，将钢管矫直，得到成品钢管。
本发明的110Ksi钢级的抗硫化氢应力腐蚀的油井用钢管，其室温性能如下：钢管抗拉强度≥793MPa，屈服强度为758～828MPa，延伸率≥15％，屈强比≤0.93；端面硬度≤HRC30且硬度变化≤HRC3.0，所述钢管0℃的夏比V型缺口纵向全尺寸冲击功≥120J；所述钢管0℃的夏比V型缺口横向全尺寸冲击功≥90J；所述钢管抗硫化氢应力腐蚀门槛值达到90％YSmin，平均晶粒度10级。
通过对本发明实施例1制备的110Ksi钢级的抗硫化氢应力腐蚀的油井用钢管进行检测，检测结果如下：
1)实际成分检测：
随机抽取3个炉号内生产的钢管进行实际成分检测，检测结果如下：
1.1)1号炉：0.20％C、0.16％Si、0.6％Mn、0.008％P、0.002％S、1.0％Cr、0.73％Mo、0.1％Ni、0.001％B、0.03％Nb、0.05％V、0.02％Al、0.002％La、0.03％Zr、0.02％Cu；
1.2)2号炉：0.25％C、0.18％Si、0.5％Mn、0.008％P、0.003％S、1.1％Cr、0.75％Mo、0.1％Ni、0.002％B、0.03％Nb、0.04％V、0.03％Al、0.001％La、0.04％Zr、0.02％Cu；
1.3)3号炉：0.27％C、0.30％Si、0.6％Mn、0.008％P、0.003％S、1.2％Cr、0.9％Mo、0.1％Ni、0.002％B、0.04％Nb、0.06％V、0.02％Al、0.002％La、0.02％Zr、0.02％Cu；
不可避免的杂质:Sb、Bi、Pb、As、Sn、O、H、N,其中Sb为0.003％、Bi为0.001％、Pb为0.001％、As为0.006％、Sn为0.003％、O为0.0012％、N为0.0066％、H为0.0001％。
炼钢成分控制较低的P、S残量，添加Mn、Cr、Mo等作为主要合金元素，改善钢铁的强度和韧性，提高钢材的淬透能力；加入微量的Zr、B、V、Nb元素提高回火稳定性，细化晶粒；Ca改善夹杂物的分布和形态。
本发明钢管中非金属夹杂物符合按照GB/T10561中附录A中A、B、C、D和DS评级图进行评级，粗系和细系的检测结果见表2。
表2非金属夹杂物
本发明的最终成品管具有良好的强韧性匹配，较高的室温屈服强度，优异的延伸率，合适的屈强比，稳定的硬度，该钢管0℃的夏比V型缺口纵向全尺寸冲击功和横向全尺寸冲击功十分优异，晶粒度10-12级；本发明的钢管的性能结果见表3：
表3钢管性能检测结果
上面对本专利的较佳实施方式作了详细说明，但是本专利并不限于上述实施方式，在本领域的普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本专利宗旨的前提下作出各种变化。
Claims (7)
1.一种110Ksi钢级的抗硫化氢应力腐蚀的油井用钢管，其特征在于，按照质量百分数的组成包括：0.20-0.28％C、0.12-0.35％Si、0.4-0.8％Mn、0.001-0.011％P、0.0001-0.003％S、0.9-1.4％Cr、0.7-1.2％Mo、0.0003-0.003％B、0.02-0.045％Nb、0.04-0.08％V、0.005-0.05％Al、0-0.1％Zr、0-0.3％Ni、0-0.15％Cu、0-0.01％La、0-0.002％O、0-0.009％N、0-0.00015％H，余量为Fe和杂质。
2.根据权利要求1所述的110Ksi钢级的抗硫化氢应力腐蚀的油井用钢管的制备方法，其特征在于，依次包括以下步骤：电炉冶炼、炉外精炼、真空脱气、连铸、连轧、钢坯加热、钢管轧制、调质处理、矫直。
3.根据权利要求2所述的110Ksi钢级的抗硫化氢应力腐蚀的油井用钢管的制备方法，其特征在于，所述电炉冶炼、炉外精炼、真空脱气、连铸、连轧步骤为钢坯冶炼和成型步骤，铁水先经电炉冶炼，送入LF炉精炼，并喂Al线，钢液温度1600℃～1660℃时，进行VD炉真空处理，真空度20Pa～45Pa，真空前加入Si-Ca线，真空保持时间10min～20min，钢液温度在1500℃～1550℃时，连铸成圆管坯，然后将圆管坯在1100℃～1260℃时进行连续轧制，圆管坯的变形比≥4，然后冷却到室温，圆管坯奥氏体平均晶粒度细于6级。
4.根据权利要求2所述的110Ksi钢级的抗硫化氢应力腐蚀的油井用钢管的制备方法，其特征在于，所述钢坯加热和钢管轧制步骤中，圆管坯加热到1180℃～1230℃，穿孔前温度1150℃～1210℃，斜轧前温度950℃～1150℃，张力减径前温度800℃～960℃。
5.根据权利要求2所述的110Ksi钢级的抗硫化氢应力腐蚀的油井用钢管的制备方法，其特征在于，所述调质处理步骤中，淬火温度为890℃～920℃，水冷；回火温度为670℃～690℃，空冷。
6.根据权利要求2所述的110Ksi钢级的抗硫化氢应力腐蚀的油井用钢管的制备方法，其特征在于，所述矫直步骤，回火后趁温，在510℃～610℃时，将钢管矫直，得到成品钢管。
7.根据权利要求1-2任一所述的110Ksi钢级的抗硫化氢应力腐蚀的油井用钢管，其特征在于，所述钢管抗拉强度≥793MPa，屈服强度为758～828MPa，延伸率≥15％，屈强比≤0.93；端面硬度≤HRC30且硬度变化≤HRC3.0，所述钢管0℃的夏比V型缺口纵向全尺寸冲击功≥120J；所述钢管0℃的夏比V型缺口横向全尺寸冲击功≥90J；所述钢管抗硫化氢应力腐蚀门槛值达到90％YSmin，平均晶粒度10级。
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