一種超深井用石油套管及其生產工藝的制作方法
【專利摘要】本發明涉及一種超深井用石油套管及其生產工藝，石油套管材料的質量百分比化學成分為：C?0.18～0.24；Si?0.18～0.30；Mn?0.50～0.70；Cr?0.85～1.15；Mo?0.65～0.75；Ce?0.02～0.05；B?0.001～0.005；V?0.09～0.13；N≤0.030；Altot?0.01～0.05；P≤0.015；S≤0.005；O≤0.001，其余為Fe及不可避免的雜質，質量百分數總計100％。其工藝中熱處理采用淬火+回火工藝，淬火加熱溫度為910±10℃，保溫時間為壁厚每1mm不少于1.5min，總保溫時間不小于30min；回火溫度為640±10℃，保溫時間不小于1h，然后在靜止空氣中冷卻。其優點是：采用Cr、Mo?合金作為主要合金化元素，并輔以V、B微合金元素，同時添加Ce，保證鋼材淬火后具有較好的強度、硬度、細小的晶粒度，回火后具有均勻的組織、良好的各向沖擊韌性。
【專利說明】一種超深井用石油套管及其生產工藝
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種超深井用石油套管及其生產工藝，屬于冶金材料領域。
【背景技術】
[0002]由于世界經濟的持續發展，人類對石油天然氣的需求日益增加，使得原油價格居高不下，因此石油公司對環境惡劣、地質條件復雜、埋藏深的深層油氣的開發投入越來越重視。隨著對超深井、地質條件復雜石油天然氣的勘探開發，對在鉆井中起關鍵作用的石油套管的要求也越來越特殊和苛刻。受到套管性能和井深結構等的限制，套管的設計和選擇面臨著很大的難題，如果選材錯誤，將會造成嚴重的事故。超深井套管的選擇要考慮抗拉、抗壓、抗外擠、整體密封性、溫度、腐蝕、磨損、接箍強度等多種因素，是一項復雜的系統工程，也是當前亟待解決的問題之一。目前，國內生產的超深井石油套管的橫向沖擊韌性普遍難于達到相關要求。專利“150ksi鋼級高強韌油氣井井下作業用鋼管及其生產方法”和“石油天然氣開采中深井、超深井石油套管及其生產方法”發明了深井、超深井石油套管，但對橫向沖擊韌性方面沒有進行特別的關注。稀土鋼是包鋼集團的特色品牌產品，鋼中加入稀土后，一般能使無縫鋼管的橫向沖擊韌性、耐腐蝕性能顯著提高，同時提高其他性能。

【發明內容】

[0003]基于以上【背景技術】，本發明的目的是提供一種具有高屈服強度、良好沖擊韌性和較高抗擠毀強度的超深井用石油套管及其生產工藝。
[0004]為實現上述目的，本發明是通過如下措施來實現:
[0005]一種超深井用石油套管，其特征在于，構成材料的質量百分比化學成分為:C
0.18 ~0.24 ；Si 0.18 ~0.30 ；Mn 0.50 ~0.70 ；Cr 0.85 ~1.15 ；Mo 0.65 ~0.75 ；Ce
0.02 ~0.05 ；B 0.001 ~0.005 ；V 0.09 ~0.13 ；N ( 0.030 ；Altot 0.01 ~0.05 ;P ≤ 0.015 ;S 0.005 ；0 ( 0.001，其余為Fe及不可避免的雜質，質量百分數總計100%。
[0006]鋼中C含量增加，屈服點和抗拉強度升高，但塑性和沖擊性降低。但C量高會降低鋼的耐大氣腐蝕能力，還能增加鋼的冷脆性和時效敏感性，使鋼的焊接性能變壞。因此，C含量控制在0.18~0.24%范圍內。Si元素可以提高鋼的強度和硬度；降低鋼的臨界冷卻速度，提高鋼的淬透性；提高鋼在氧化性腐蝕介質中的耐蝕性，提高鋼的耐熱性。Si能降低鋼的焊接性能，因為與O的親合力Si比Fe強，在焊接時容易生成低熔點的硅酸鹽，增加熔渣和熔化金屬的流動性，引起噴濺現象，影響焊縫質量。Si易使鋼中形成帶狀組織，使橫向性能低于縱向性能。因此，Si含量控制在0.18~0.30%范圍內。Mn對鋼具有強化作用，可以提高強度、硬度和耐磨性；降低鋼的臨界冷卻速度，提高鋼的淬透性；輕微改善鋼的低溫韌性。但Mn過高能增加鋼的過熱敏感性，高溫如果控制不當，將粗化晶粒，使得淬火過程中晶粒過大，或者是高溫回火后在脆性溫度區停留時間過長，使得韌性降低。因此，Mn含量控制在0.50~0.70%范圍內。為了獲得高純凈度鋼，同時獲得具有超高屈服強度和良好沖擊韌性的鋼管材質，要盡可能降低鋼中夾雜物、氣體以及S、P等有害元素的含量，因此要較低含量的P、S、O。
[0007]鋼中Cr能顯著提高強度、硬度和耐磨性，但同時降低塑性和韌性。Cr能提高鋼的抗氧化性和耐腐蝕性，還能增加鋼的淬透性并有二次硬化作用。Cr使鋼經淬火回火后具有較好的綜合力學性能，在滲碳鋼中還可以形成含Cr的碳化物，從而提高材料表面的耐磨性。Mo能使鋼的晶粒細化，提高淬透性和熱強性能，在高溫時保持足夠的強度和抗蠕變能力。Mo對抑制奧氏體轉變為貝氏體作用不大，因此有時需要和其它提高淬透性的元素如Cr、Mn等配合。Cr能使固溶體中保留的Mo水平有所提高，能產生一定程度的固溶強化效果。Cr-Mo復合強化時，由于Cr對不同類型碳化物組成及分布的復雜影響，須使Cr、Mo含量維持在彼此相互作用的最佳值時，才能收到最佳的強化效果。
[0008]V的作用，一是細化晶粒；二是做調質處理時候，可以提高回火溫度，提高回火抗性，從而提高鋼的韌性。V與C形成的碳化物，在高溫高壓下可提高抗氫腐蝕能力。鋼中V的碳化物以極小的顆粒狀物體存在，它們一般能抑制鋼中晶界的移動，同時也能作為形核的核心從而細化晶粒。N與Cr、Al、V元素可化合成極穩定的氮化物，成為表面硬化和強化元素。鋼中加入微量的B就可改善鋼的致密性和熱軋性能，提高強度，加入微量的B就能起到很大的作用，為了避免形成氮化硼，影響B的作用，要適當的加入鋁固定氮。因此，B控制在0.001-0.005%范圍內。
[0009]Re元素Ce在鋼中的主要作用是除去鋼水中的雜質元素，特別是鋼中加入Ce后可使S含量顯著降低。鋼中的MnS夾雜在高溫具有強的塑性變形能力，是導致鍛件力學性能各向異性的重要原因，Ce能改變殘留夾雜物，主要是MnS的形狀，從而提高鋼的強度。Ce元素在鋼中形成為Ce2S3和Ce3S4,這些Ce硫化物具有較強的抗塑性變形能力，改善了鋼的橫向力學性能。另外，當鋼中有H—類有害氣體存在時，Ce在鋼中可起到脫氫作用，這些特性可以提高石油套管的使用壽命。Ce含量選擇在0.02-0.05%范圍內可以有效提高鋼管的橫向力學性能。
[0010]本發明的生產工藝如下:
[0011]無縫鋼管生產主要工藝為:鐵水一轉爐冶煉一LF精煉一VD脫氣一圓坯連鑄一管坯加熱一穿孔一軋管一定徑一熱處理。熱處理采用淬火+回火工藝，淬火加熱溫度為910±10°C，保溫時間為壁厚每1mm不少于1.5min，總保溫時間不小于30min ;回火溫度為640±10°C，保溫時間不小于lh，然后在靜止空氣中冷卻。
[0012]淬火加熱溫度也就是鋼的奧氏體化溫度，制定原則是Ac3+30-50°C?？紤]到提高鋼的淬透性及減少加熱時間，采用較高溫度較好。根據經驗公式，本發明體系的Ac3大約為8700C，因此淬火加熱溫度確定為910± 10°C。鋼管加熱達到奧氏體化溫度后，將發生奧氏體的形核、長大及均勻化過程，所以鋼管實際溫度達到規定后要保持一定時間。保溫時間的長短要根據鋼中的合金元素種類及含量略作調整，鋼中含有V、Mo等強碳化物形成元素時，應適當增加保溫時間，以利于碳化物的溶解，以達到充分發揮合金元素的作用。但保溫時間過長，將增加鋼管的表面氧化，影響表面質量。因此，保溫時間為壁厚每Imm不少于1.5min，但不小于30min。以水為淬火介質，是最為經濟、安全，且對環境無污染。鋼管以旋轉方式進行淬火，同時進行內外冷卻。淬火時保證淬火液在鋼管內表面均勻旋轉內噴，外表面足量循環水外淋。淬火介質水的冷速較快，鋼管易發生形變，嚴重時因無法進行下道工序而報廢。為避免形變的發生，采用內外管壁延時水噴。內循環水噴比外表面延時3s，水的流速不小于lOm/s。淬火后鋼管仍然具有較高的溫度，若冷卻不當鋼管仍然會產生彎曲變形。為了避免這一情況，鋼管要在自然空氣中冷卻，不采用強制冷卻方式，冷卻要緩和平穩，冷卻過程中應均勻。鋼管要在具有正、反向鏈的冷床上進行冷卻，始終處于旋轉狀態的鋼管，冷卻均勻，可以避免彎曲。含有Mo和B元素的多元鋼具有較強的抗回火能力，為了保持鋼在使用過程中性能的穩定，應采用較高的回火溫度。因此回火溫度為640±10°C，保溫時間不小于lh，然后在靜止空氣中冷卻。
[0013]本發明的優點是:采用Cr、Mo合金作為主要合金化元素，并輔以少量的V、B微合金元素，同時添加Ce元素，保證鋼材淬火后具有較好的強度、硬度、細小的晶粒度，回火后具有均勻的組織、良好的各向沖擊韌性，產品適用于超深井用石油套管。本發明生產效率高、經濟效益好，適合于規?；a，具有良好的推廣價值。
【具體實施方式】
[0014]各實例化學成分如表I所列，各實例鋼管力學性能如表2所示。實例1、2所生產管規格為 Φ177.8X9.19 mm，實例 3、4 為 Φ 177.8X10.36 mm。
[0015]表I各實例化學成分(wt.%)
【權利要求】
1.一種超深井用石油套管，其特征在于，構成材料的質量百分比化學成分為:C0.18 ~0.24 ；Si 0.18 ~0.30 ；Mn 0.50 ~0.70 ；Cr 0.85 ~1.15 ；Mo 0.65 ~0.75 ；Ce0.02 ~0.05 ；B 0.001 ~0.005 ；V 0.09 ~0.13 ；N≤0.030 ；Altot 0.01 ~0.05 ；P≤0.015 ；S≤ 0.005 ；0 ( 0.001，其余為Fe及不可避免的雜質，質量百分數總計100%。
2.一個根據權利要求1所述的超深井用石油套管的生產工藝，其主要工藝為:鐵水一轉爐冶煉一LF精煉一VD脫氣一圓坯連鑄一管坯加熱一穿孔一軋管一定徑一熱處理，其特征在于，熱處理采用淬火+回火工藝，淬火加熱溫度為910± 10°C，保溫時間為壁厚每Imm不少于1.5min,總保溫時間不小于30min ;回火溫度為640± 10°C,保溫時間不小于Ih,然后在靜止空氣中冷卻。
【文檔編號】C22C38/32GK103451543SQ201310409266
【公開日】2013年12月18日 申請日期:2013年9月10日 優先權日:2013年9月10日
【發明者】劉金, 李曉, 吳明宏, 王金龍, 姜海龍, 張行剛, 石曉霞, 薛玲, 許占海 申請人:內蒙古包鋼鋼聯股份有限公司