一種抗硫化氫應力腐蝕直縫焊接石油套管及其制造方法
【專利摘要】本發明公開了一種抗硫化氫應力腐蝕直縫焊接石油套管及其制造方法，其化學成分的重量百分配比為C：0.08-0.15％；Si：0.15-0.30％；Mn：0.5-1.0％；P：≤0.010％；S：≤0.005％；Cr：0.40-0.65％；Ni：≤0.25％；Mo：0.30-0.50％；Nb≤0.02％；V：0.05-0.1％；Zr:0.0005-0.01％；Al：0.005-0.01％；Ca0.001-0.003％；B:0.0005-0.001％；RE：0.001-0.005％；余量為Fe和不可避免的雜質。經過冶煉、連鑄成方坯、控制軋制成卷板、卷板縱剪、焊接成型成管坯、熱張力減徑、在線管材控制冷卻、全管體熱處理、接箍表面處理及螺紋加工后，制成石油套管。本發明的產品具有強韌性匹配高、晶粒細小、抗H2S應力腐蝕性能優于標準規定的抗H2S應力腐蝕門檻值，可用于含有一定硫化氫氣體的油氣田開采要求。
【專利說明】一種抗硫化氫應力腐蝕直縫焊接石油套管及其制造方法

【技術領域】
[0001] 本發明涉及到一種低合金石油天然氣石油套管，具體涉及一種抗硫化氫應力腐蝕 直縫焊接石油套管及其制造方法。

【背景技術】
[0002] 在我國油氣資源中，一部分油氣井中存在著H2S氣體，套管在使用應力和H2S氣體 溶液共同作用下容易發生應力腐蝕失效，而且難以預測。為此，國內外相繼開發了抗H2S腐 蝕的油管和套管產品，有效減少了因抗H2S應力腐蝕造成的嚴重破壞。
[0003]目前國內開發的耐腐蝕石油套管大部分基于無縫鋼管，其存在著偏心、圓度誤差 相對較大、壁厚不均勻、管內壁質量不佳等一系列問題，而直縫阻焊鋼管以其品質優良而在 越來越多的領域取代無縫管。焊縫質量和性能是阻礙直縫電阻焊接套管應用于石油管材領 域的障。與傳統直縫焊管生產及焊縫處理方式相比，"高頻電阻焊成型+熱張力減徑+全管 體調質熱處理"等組合工藝作為國內最近出現的新式生產油套管的生產方式，將直縫電阻 焊管焊縫處理融入熱機械高溫軋制，使焊縫質量和性能得到優化并提高，可滿足石油管材 領域應用要求。


【發明內容】

[0004] 本發明目的在于提供一種抗硫化氫應力腐蝕直縫焊接石油套管及其制造方法，適 用于含有一定成份硫化氫油氣井的管柱設計。本發明的抗硫化氫應力腐蝕直縫焊接石油套 管產品屈服強度為630-680MPa，抗拉強度為740-800MPa，屈強比彡0. 90,延伸率彡22%， 晶粒度> 9,硬度化變量< 3HRC，殘余應力< 80MPa，焊縫和母材的抗硫化氫腐蝕性能按 NACETM0177-2005標準采用A法在A溶液中加載90%名義屈服強度載荷下試樣經過720 小時不開裂，具有強韌性匹配好，殘余應力小，抗H2S應力腐蝕開裂性能，可滿足具有一定 H2S應力腐蝕要求的油氣田開采需求。
[0005] 為實現上述要求，本發明的抗硫化氫應力腐蝕石油套管用熱軋卷板化學成分 為C:0. 08-0. 15 %;Si:0· 15-0. 30 %;Mn:0· 5-1. 0 %;P:彡 0· 010 %;S:彡 0· 005 % ; Cr：0. 40-0. 65 %；Ni： ^ 0. 25 %；Mo：0. 3〇-〇. 50 %；Nb^ 0. 02 %；V：0. 05-0.I% ； Zr:0.0005-0. 01 % ；A1 ：0. 005-0. 01 % ；CaO. 001-0. 003 % ；B:0. 0005-0. 001 %；RE： 0. 001-0. 005% ;余量為Fe和不可避免的雜質。
[0006] 本發明中設計合金成分選取說明：
[0007] C:碳是主要固溶強化元素，可與多種合金形成強化相，提高鋼的強度。但當碳 含量太低時鋼管強度不夠；過高時容易降低鋼的韌性、抗硫化氫應力腐蝕性能和導致硬度 偏高。因該產品采用熱軋卷板HFW成型，要充分考慮到焊接性能和焊縫質量，同時有利于 焊接的強化元素及后續熱處理工藝可彌補強度不足。為實現本發明的目的將C含量控制 在較低的范圍，既可發揮強化作用，又不降低焊接、韌性和腐蝕等性能，因而C設計范圍為 0· 08% -0· 15%。
[0008] Mn:錳可顯著提高鋼的淬透性，提高鋼的強度。但當含量多時容易在晶界偏聚， 最終形成帶狀組織，降低鋼的耐硫化氫應力腐蝕性能；為達到發明的目的，設計范圍為 0· 5-1. 0%。
[0009] P、S:硫、磷含量越低對鋼的耐硫化氫應力腐蝕越有利，因此，限定P:彡0· 010,S: < 0. 005,以保證鋼實現抗耐硫化氫應力腐蝕性能指標。
[0010] Si:硅主要起脫氧作用，含量多時對韌性和耐應力腐蝕性能不利，故含量越低越 好，將其限定在〇. 15-0. 30%。
[0011]Cr:鉻提高淬透性，改善鋼的強韌性，提高鋼的耐腐蝕性能。但含量多時容易在HFW焊接中產生夾雜物、灰斑等缺陷，顯著降低焊縫耐硫化氫應力腐蝕性能。因此控制鉻含 量在0.4% -0.65%之間。
[0012] Ni:鎳可以擴大淬透性，使Ac點降低。當含量彡0. 25%時，提高抗硫化氫應力腐 蝕性能，提高綜合機械性能和抗氧化腐蝕、點蝕性能。但其價格高，增加成本。本發明控制 其含量< 〇. 25%。
[0013] Mo:鑰提高淬透性，提高鋼的回火穩定性，抑制回火脆性，細化晶粒和耐點蝕作用 明顯。強碳化物形成元素，其彌散的Mo2C是氫的強陷阱，可減少擴散宣積氫量。但含量高 時，因價格昂貴而成本增加明顯，并且容易在晶界形成粗大的碳化物，降低硫化氫應力腐蝕 性能。因此，本發明將其含量控制在〇. 3-0. 5%之間。
[0014] Nb:鈮能夠形成C、N化物，細化晶粒，在奧氏體化時形成細晶粒組織和幼小碳化 物，提高鋼的強韌性和抗硫化氫腐蝕性能；但價格高，添加過多增加成本，可選擇添加，因而 本發明控制其含量在< 0. 02%。
[0015] V:釩為強碳化物形成元素，可形成C、N化物，具有細化晶粒、提高強度和韌性的作 用，提高鋼的回火穩定性；但含量過高時韌性降低，也不利于腐蝕性能。因而本發明控制其 含量在(λ05-0. 1 %。
[0016] Zr:鋯在鋼中作用與鈮、鈦、釩相似。但加入微量鋯具有脫氧、凈化、細化晶粒及對 夾雜物具有明顯的變質作用。與Cr和稀土混合加入時，可顯著抑制合金的再結晶，提高合 金抗應力腐蝕。為達到發明目的控制Zr含量為0. 0005-0. 01 %。
[0017] Al:鋁能夠在腐蝕中可形成氧化鋁保護膜，能抑制腐蝕介質侵入基體，可提高套管 的耐硫化氫腐蝕性能；同時做為脫氧劑能提高鋼的韌性和加工性。但含量過大，容易形成氧 化物夾雜，降低韌性的腐蝕性能。因而將其含量控制在Al:0. 005-0. 01 %。
[0018] Ca:鈣可與硫形成硫化物，改善硫化物夾雜的形態，對提高鋼的抗硫化物應力腐蝕 性能非常有利。當含量> 〇. 003 %時由于夾雜物增多，降低鋼的潔凈度，造成抗硫化氫應力 腐蝕性能降低。為達到發明的目的，Ca含量設計范圍為0. 001-0. 003%。
[0019] B:提高淬透性元素，強化晶界強度，在一定程度上可代替Ni(Cr、Mo)。優選的B含 量為 0· 0005-0. 001%。
[0020] RE:稀土元素具有很強的脫硫、脫氧能力，其不僅有凈化鋼水作用，也具有強化作 用。可抑制硫在晶界上偏聚，抑制氫引起的白點和脆性，控制夾雜物形態和碳化物，改善晶 界和抑制局部弱化。為達到發明目的，含量范圍控制在〇. 001% -〇. 005%。
[0021] 該發明產品相應制造方法，其工藝流程如下：
[0022] (1)將原料鐵水和廢鋼經過冶煉、爐外精煉和真空脫氣后連鑄成板坯，然后軋制和 冷卻后制成優質卷板。
[0023] (2)采用高精度熱軋卷板為原料，將鋼帶縱剪、銑邊，經FFX彎曲成型和HFW焊接， 調整成型工藝、控制焊接參數（頻率、線能量、焊接速度）焊成直縫焊管。
[0024] (3)焊后即時內外焊縫毛刺修整，內毛刺刮槽與外毛刺余高均彡0. 50mm，使焊道 與管體內外表面齊平、光滑，壁厚不均度< 5%，外徑不圓度< 0. 5%。
[0025] (4)采用中頻感應以20°C-50°C/s加熱，將HFW焊管管坯快速加熱至管材的奧氏 體化相變溫度Ac3以上約960°C-1050°C，然后進入熱張力減徑機軋輥機組，減徑減壁厚至 所需規格的管坯。
[0026] (5)熱張力減徑后利用控制冷卻裝置對鋼管采用冷速大于50°C/s的冷卻。
[0027] (6)采用全管體熱處理將熱張減管坯機械性能調整至標準所要求的范圍：其工藝 為進行回火處理，回火溫度為655°C_700°C之間，回火時間為60-80min。
[0028] (7)經回火爐保溫后出爐，利用余溫運送進入熱矯直機進行高溫矯直，溫度控制為 500-600°C;進矯直機的入口溫度彡550°C。
[0029] (8)回火并矯直冷卻至室溫的鋼管重新加熱至400°C-500°C，進行去應力處理。
[0030] (9)接箍螺紋進行表面處理，以提高其縫隙腐蝕能力。
[0031] (10)全管體無損探傷合格后管端車絲、接箍擰接、靜水壓試驗、上保護環、噴標和 涂漆等制成成品套管。
[0032] 有益效果：
[0033] 1)本發明石油套管符合90ksi鋼級油井管力學性能要求，屈服強度為 630-680MPa，抗拉強度為740-800MPa，屈強比彡0. 90,延伸率彡22%，晶粒度彡9,硬度化 變量彡3HRC，殘余應力彡80MPa。
[0034] 2)本發明由于采用TMCP熱軋卷板，HFW焊接成型后管坯尺寸精度高，后續的熱張 力減徑和熱處理工藝使其優點保留，最終產品尺寸精度可達到：壁厚不均度< 5%，外徑不 圓度< 0. 5%，具有較高抗外壓擠毀強度。
[0035] 3)卷板潔凈度高，并且添加Cr、Mo、Nb、V等有利于細化晶粒尺寸和凈化鋼質的Ca、 Zr、RE元素，其綜合性能優異，強韌性和強塑性配比好。鋼管最終組織細小，晶粒度達到9級 以上。采用高溫矯直和去應力處理，使產品殘余應力小。
[0036] 4)本產品抗硫化氫腐蝕性能按NACE0177-2005標準采用A法在A溶液中加載 90%名義屈服強度載荷下試樣經過720小時不開裂，可以用于含硫化氫氣體的油氣井開 米。
[0037] 5)該發明充分利用在線熱張減余熱，減少了熱處理工序和能源消耗率，提高了產 品的生產率,并一定程度上降低了成本。

【具體實施方式】
[0038] 結合實施實例對本發明進一步進行說明，其實施例見下表1-表4。由表4可以看 出：采用本發明所述的化學成分和工藝，生產的試驗耐腐蝕直縫石油套管的強韌性能優異， 腐蝕性能良好，完全能滿足90ksi鋼級耐腐蝕石油套管的使用性能要求。
[0039] 1)實測冶煉的化學成分
[0040] 表1試驗鋼的熔煉化學成分
[0041]

【權利要求】
1. 一種抗硫化氫應力腐蝕直縫焊接石油套管，其特征在于：所述石油套管化學成分 的重量百分配比為 C:0. 08-0. 15% ;Si :0? 15-0. 30% ;Mn :0? 5-1. 0% ;P :彡 0? 010 % ;S : ^ 0. 005 % ；Cr ：0. 40-0. 65 % ；Ni ： ^ 0. 25 % ；Mo ：0. 3〇-〇. 50 % ；Nb ^0.02% ；V ：0. 05-0. 1 % ； Zr:0.0005-0. 01 % ；A1 ：0.005-0. 01 % ；Ca 0.001-0. 003 % ；B:0. 0005-0. 001 % ；RE ： 0. 001-0. 005% ;余量為Fe和不可避免的雜質。
2. 根據權利要求1所述石油套管，其特征在于：所述石油套管的屈服強度為 630-680MPa，抗拉強度為740-800MPa，屈強比彡0. 90,延伸率彡22%，晶粒度彡9,硬度化 變量S3HRC，殘余應力<80MPa。焊縫和母材的抗硫化氫腐蝕性能按NACE TM 0177-2005 標準采用A法在A溶液中加載90%名義屈服強度載荷下試樣經過720小時不開裂。
3. 根據權利要求1所述石油套管，其特征在于：所述石油套管的壁厚不均度< 5%，夕卜 徑不圓度彡〇. 5%。
4. 根據權利要求1或2所述石油套管的制造方法，其特征在于： (1) 將原料鐵水和廢鋼經過冶煉、爐外精煉和真空脫氣后連鑄成板坯，然后軋制和冷卻 后制成優質卷板； (2) 采用高精度熱軋卷板為原料，將鋼帶縱剪、銑邊，經FFX彎曲成型和HFW焊接，調整 成型工藝、控制焊接參數焊成直縫焊管； (3) 焊后即時內外焊縫毛刺修整，內毛刺刮槽與外毛刺余高均< 0. 50_，使焊道與管 體內外表面齊平、光滑，壁厚不均度< 5%，外徑不圓度< 0. 5% ; (4) 采用中頻感應以20°C -50°C /s加熱，將HFW焊管管坯快速加熱至管材的奧氏體化 相變溫度Ac3以上約960°C -1050°C，然后進入熱張力減徑機軋輥機組，減徑減壁厚至所需 規格的管述； (5) 熱張力減徑后利用控制冷卻裝置對鋼管冷卻，冷卻速度大于50°C /s ; (6) 采用全管體熱處理將熱張減管坯機械性能調整至標準所要求的范圍：其工藝為進 行回火處理，回火溫度為655°C _700°C之間，回火時間為60-80min ; (7) 經回火爐保溫后出爐，利用余溫運送進入熱矯直機進行高溫矯直，溫度控制為 500-600°C ;進矯直機的入口溫度彡550°C ; (8) 回火并矯直冷卻至室溫的鋼管重新加熱至400°C -500°C，進行去應力處理； (9) 接箍螺紋進行表面處理，以提高其縫隙腐蝕能力； (10) 全管體無損探傷合格后管端車絲、接箍擰接、靜水壓試驗、上保護環、噴標和涂漆 等制成成品套管。
5. 根據權利要求4所述石油套管的制造方法，其特征在于： 所述焊接鋼管管坯采用中頻感應加熱將管坯加熱至960°C -1050°C后進行熱張力減徑 進行多道次形變處理。
6. 根據權利要求4所述石油套管的制造方法，其特征在于： 所述焊接鋼管管坯經熱張減形變后利用余熱進行全管體控制冷卻，控冷冷卻開始溫度 彡 820。。。
7. 根據權利要求4所述石油套管的制造方法，其特征在于： 所述的焊接管坯所需要的熱軋卷板晶粒度應11級以上，厚度比最終管坯壁厚厚 0. 15-0. 25mm，并在熱張力減徑中減小管坯外徑和壁厚尺寸至最終尺寸。
8.根據權利要求4所述石油套管的制造方法，其特征在于：所述的焊接管坯熱張減后 需要控制冷速彡50°C /s。
【文檔編號】C21D8/10GK104357756SQ201410557684
【公開日】2015年2月18日 申請日期:2014年10月20日 優先權日:2014年10月20日
【發明者】畢宗岳, 何石磊, 張峰, 韋奉, 白鶴, 王軍, 李周波, 李遠征, 王濤, 王亮, 周新義, 魯碧為, 楊曉龍 申請人:寶雞石油鋼管有限責任公司