一種高強(qiáng)度低合金抗硫化氫應(yīng)力腐蝕用油井管及其制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種鋼管產(chǎn)品及其制造方法，尤其涉及一種油井管及其制造方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 在含H2S的油氣開(kāi)采環(huán)境中，通常需要使用具備一定抗H2S應(yīng)力腐蝕性能的材料。 隨著石油天然氣開(kāi)采深度的不斷加大，對(duì)于所用管材的強(qiáng)度要求不斷提高，但是材料強(qiáng)度 越高，其應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂敏感性也隨之提升。目前深井、超深井用油井管強(qiáng)度通常在llOKsi 以上，要求具有這樣高強(qiáng)度的材料要達(dá)到較高的抗H2S應(yīng)力腐蝕性能是非常困難的。
[0003][0004] 公布號(hào)為JPH06-116635A，公布日為1994年4月26日，名稱為"一種生產(chǎn)具有高強(qiáng) 度低合金且優(yōu)良耐硫化物應(yīng)力腐蝕裂紋性的油井管的制造方法"的日本專(zhuān)利文獻(xiàn)公開(kāi)了一 種管件，其化學(xué)元素質(zhì)量百分含量為（wt. % )的成份組成：C:0. 20?0. 30%，Si:0. 10? 1. 00%，Mn:0? 40 ?1. 50%，P:彡 0? 015%，S:彡 0? 005%，Ni:0? 30 ?1. 20%，Cr:0? 50 ? 1. 50%，M〇 :0? 10 ?2. 00%，A1 :0? 001 ?0? 10%，B:0? 0005 ?0? 0050%，N:彡 0? 005%，添 加Ti:0? 10?2. 00%，Nb:0? 01?0? 10%，V:0? 01?0? 10%中的至少其中一種。該日本 專(zhuān)利文獻(xiàn)所公開(kāi)的油井鋼添加了Ni元素。
[0005][0006] 上述三篇專(zhuān)利文獻(xiàn)所公開(kāi)的鋼管的合金總含量均超過(guò)3wt. %。此外，這三種鋼管 均不能通過(guò)簡(jiǎn)單的淬火-回火熱處理工藝來(lái)制造出符合力學(xué)性能要求的管件。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明的目的在于提供一種高強(qiáng)度低合金抗硫化氫應(yīng)力腐蝕用油井管，其具備較 高的強(qiáng)度且良好的抗H2S應(yīng)力腐蝕性能（即抗硫性能）。該油井管的屈服強(qiáng)度>llOKsi， 同時(shí)其K1SCC值彡30Mpa*m1/2 (K1SCC是應(yīng)力腐蝕門(mén)欄值，指在應(yīng)力腐蝕的情況下材料或零件發(fā) 生破壞的最小應(yīng)力強(qiáng)度因子。其單位為MPa*m1/2)
[0008] 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種高強(qiáng)度低合金抗硫化氫應(yīng)力腐蝕用油井 管，其化學(xué)元素質(zhì)量百分配比為：
[0009] C:0? 16 ?0? 40% ;
[0010] Si:0.1 ?0.5%;
[0011] Mn:0? 2%?0? 6% ;
[0012] A1 :0? 01 ?0? 1% ;
[0013] Nb:0? 01 ?0? 05% ;
[0014] Cr：>0. 2% ；
[0015] Mo：>0. 2% ；
[0016] V:0.03 ?0.2%;
[0017] 同時(shí)各化學(xué)元素的質(zhì)量百分含量還需要滿足0. 35Cr+0. 85Mo+2. 8V彡1，
[0018] 2. 4Cr+l.lMo+4. 5V^ 3 ；
[0019] 余量為Fe和其他不可避免的雜質(zhì)。
[0020] 本技術(shù)方案中不可避免的雜質(zhì)主要是指P元素、S元素、0元素和N元素，其中，可 以控制P彡0.02wt. %，控制S彡0.003wt. %，控制0彡O.Olwt. %且控制N彡0.008wt. %。
[0021] 本發(fā)明所述的高強(qiáng)度低合金抗硫化氫應(yīng)力腐蝕用油井管中的各化學(xué)元素的設(shè)計(jì) 原理為：
[0022] C:C是保證強(qiáng)度及淬透性的重要元素。當(dāng)C含量小于0. 16wt. %時(shí)，一方面強(qiáng)度 難以保證，另一方面難以避免先共析鐵素體的析出，從而會(huì)影響鋼的抗硫性能。當(dāng)C含量大 于0.40wt. %時(shí)，淬火時(shí)易出現(xiàn)裂紋，同時(shí)還會(huì)增大晶界粗大碳化物的析出傾向。因此，在 本發(fā)明所述的高強(qiáng)度低合金抗硫化氫應(yīng)力腐蝕用油井管中需要控制C含量控制在0. 16? 0. 40wt. %范圍之間。
[0023] Si:當(dāng)Si含量超過(guò)0. 5wt. %時(shí)，會(huì)顯著增加鋼的冷脆傾向，而當(dāng)其含量低于 0.lwt. %時(shí)，則難以保證脫氧效果。對(duì)于本發(fā)明的油井管來(lái)說(shuō)，需要將Si含量限制在0. 1? 0. 5wt. %范圍之間。
[0024] Mn:Mn具有擴(kuò)大奧氏體相區(qū)，增加淬透性，細(xì)化晶粒等有益效果。然而，Mn在凝固 時(shí)容易發(fā)生偏析，從而會(huì)使得終端產(chǎn)品中產(chǎn)生明顯的帶狀組織，又由于帶狀組織與基體之 間的硬度、析出相均存在著明顯的差異，這會(huì)影響鋼的抗硫性能。鑒于此，需要將Mn的添加 量設(shè)定為〇. 2?0. 6wt. %。
[0025] A1 :A1是鋼脫氧所必需的元素。但是一旦A1含量超過(guò)0.lwt. %時(shí),對(duì)燒鑄過(guò)程會(huì) 產(chǎn)生不利影響。在此，應(yīng)該將A1含量設(shè)定為0. 01?0.lwt. %。
[0026] Nb:Nb是有效的細(xì)化晶粒兀素。晶粒的細(xì)化對(duì)于提_鋼的強(qiáng)初性及抗硫性能均有 著積極的作用。因而，對(duì)于本發(fā)明的技術(shù)方案來(lái)說(shuō)，Nb元素的添加量需要控制為0. 01? 0? 05wt. %。
[0027] Cr/Mo/V:Cr、Mo和V均為強(qiáng)碳化物的形成元素，其碳化物在回火過(guò)程中的彌散析 出強(qiáng)化是鋼材獲得較高的強(qiáng)度的必要要素。也就是說(shuō)，要獲得足夠的淬透性和強(qiáng)化效果， 需要同時(shí)添加三種元素，通常Cr和Mo需要各加入0. 2wt. %以上才有明顯的強(qiáng)化效果，而 V需要加入的量在0. 03wt. %以上時(shí)才能產(chǎn)生強(qiáng)化效果。不過(guò)，若V加入量過(guò)多時(shí)，則會(huì)形 成粗大的碳化物，從而降低材料的韌性和抗硫性能。另外，V的析出強(qiáng)化效果在其添加量為 0.2wt. %時(shí)達(dá)到飽和狀態(tài)?；诖?，本發(fā)明的技術(shù)方案中對(duì)于Cr/Mo/V元素的含量的設(shè)定 為：Cr>0. 2wt. %，Mo>0. 2wt. %，V:0? 03 ?0? 2wt. %。
[0028] 基于上述各化學(xué)元素的設(shè)計(jì)原理，本發(fā)明的高強(qiáng)度低合金抗硫化氫應(yīng)力腐蝕 用油井管中相關(guān)化學(xué)元素的質(zhì)量百分含量還需要滿足關(guān)系式（1)和關(guān)系式（2)。其 中，為了保證材料在670°C以上的高溫回火后仍具備llOKsi的高強(qiáng)度，需要滿足關(guān)系 式（1)，即0.35Cr+0.85Mo+2.8V彡1 ;又為了保證材料的強(qiáng)度在達(dá)到llOKsi的同時(shí)，還 能夠具備優(yōu)良的抗H2S應(yīng)力腐蝕性能（K1S。。值彡30MPa*m1/2)，則需要滿足關(guān)系式（2)，即 2. 4Cr+l.lMo+4. 5V^ 3〇
[0029] 本發(fā)明的技術(shù)方案采取的是適量添加Cr、Mo和V等合金元素，同時(shí)約束其協(xié)同關(guān) 系的方式來(lái)保證材料的強(qiáng)度，其原因在于：這些合金元素可以使得鋼材在較高的回火溫度 條件下仍保持較高的強(qiáng)度，然而，當(dāng)這些合金元素的加入量超過(guò)一定范圍或不滿足協(xié)同關(guān) 系式時(shí)，會(huì)在回火后引起粗大碳化物的析出從而降低材料的有效強(qiáng)度。另外，由于在本發(fā)明 的技術(shù)方案中合金元素的添加量較之于現(xiàn)有技術(shù)中的鋼種的合金元素添加量要來(lái)的少，因 此，本發(fā)明的油井管中的合金含量少，制造成本相對(duì)經(jīng)濟(jì)。
[0030] 進(jìn)一步地，本發(fā)明所述的高強(qiáng)度低合金抗硫化氫應(yīng)力腐蝕用油井管中的微觀組織 為均勻的回火馬氏體組織。
[0031] 由于鋼中抗H2S應(yīng)力腐蝕性能最好的微觀組織狀態(tài)為回火馬氏體組織，因此，具有 該微觀組織的鋼材料能夠兼具較高的強(qiáng)度和良好的抗硫性能。
[0032] 相應(yīng)的，本發(fā)明還提供了一種生產(chǎn)如上文所述的高強(qiáng)度低合金抗硫化氫應(yīng)力腐蝕 用油井管的制造方法，其包括步驟：首先冶煉和鑄造，然后制成管坯，將管坯加熱，穿孔熱軋 成荒管；再次加熱后