超高強(qiáng)度超高韌性石油套管用鋼、石油套管及其制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種鋼材料及其制造方法，尤其涉及一種石油套管及其制造方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 深井、超深井是近年來(lái)石油勘探開發(fā)領(lǐng)域開發(fā)越來(lái)越多的井況，為了保證高溫高 壓開采開發(fā)的安全性，需要對(duì)管柱材料的強(qiáng)度提出更高的要求。然而，一般來(lái)說(shuō)，隨著鋼材 強(qiáng)度的提升，韌性會(huì)下降，而鋼管減薄后韌性不足極易引發(fā)早期裂紋及斷裂，因此，高強(qiáng)度 套管鋼必須匹配高韌性，才能保證管柱的安全。
[0003] 根據(jù)英國(guó)能源部指導(dǎo)標(biāo)準(zhǔn)，壓力容器的沖擊韌性應(yīng)該達(dá)到其屈服強(qiáng)度數(shù)值的 10%，也就是說(shuō)155鋼級(jí)套管材料要求的韌性要達(dá)到107J以上。然而，現(xiàn)實(shí)情況是，兼具 高韌性和高強(qiáng)度的鋼管開發(fā)難度極大，目前能夠進(jìn)行工業(yè)應(yīng)用的套管強(qiáng)度能夠達(dá)到155ksi 以上，但是沖擊韌性只有50-80J。
[0004] 文獻(xiàn)號(hào)為JP11131189A的日本專利文獻(xiàn)公開了一種鋼管產(chǎn)品，其在750-400°C范 圍內(nèi)加熱，然后在20%或60%變形量以上的范圍內(nèi)進(jìn)行乳制，從而生產(chǎn)出屈服強(qiáng)度950Mpa 以上、具有良好韌性的鋼管產(chǎn)品。然而，本案發(fā)明人認(rèn)為這種工藝的加熱溫度較低，易產(chǎn)生 馬氏體組織，另外乳制溫度低，乳制難度也較大。
[0005] 文獻(xiàn)號(hào)為JP04059941A的日本專利文獻(xiàn)也公開了一種鋼管產(chǎn)品，其通過熱處理工 藝來(lái)控制鋼基體中殘余奧氏體和上貝氏體的比例，從而使得抗拉強(qiáng)度達(dá)到120-160ksi。該 技術(shù)方案的特點(diǎn)是高碳和高硅，此兩種成分可以顯著提高強(qiáng)度但會(huì)顯著降低韌性。此外，本 案發(fā)明人認(rèn)為殘余奧氏體會(huì)在石油管使用過程中發(fā)生組織發(fā)生轉(zhuǎn)變（深井油井管使用溫 度120°C以上），這會(huì)導(dǎo)致鋼管在提高強(qiáng)度的同時(shí)降低韌性。
[0006]

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明的目的之一在于提供一種超高強(qiáng)度超高韌性石油套管用鋼，其強(qiáng)度可以到 達(dá)155ksi以上，其沖擊韌性遠(yuǎn)大于其屈服強(qiáng)度數(shù)值的10%，因此能夠?qū)崿F(xiàn)超高強(qiáng)度與超高 韌性的匹配。
[0008] 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提出了一種超高強(qiáng)度超高韌性石油套管用鋼，其微觀 組織為回火索氏體，其化學(xué)元素質(zhì)量百分比含量為：C:0. 1-0. 22%，Si:0. 1-0. 4%，Mn: 0. 5-1.5%,Cr：1-1,5%,Mo：1-1.5%,Nb：0. 01-0. 04%,V：0. 2-0.3%,Al：0. 01-0. 05%, Ca:0. 0005-0. 005%，余量為Fe和不可避免的雜質(zhì)。
[0009] 本發(fā)明所述的超高強(qiáng)度超高韌性石油套管用鋼的成分設(shè)計(jì)原理為：
[0010] C:C為析出物形成元素，可以提高鋼的強(qiáng)度。在本技術(shù)方案中，當(dāng)C含量低于 0. 10%時(shí)，會(huì)使淬透性降低，從而降低強(qiáng)度，材料強(qiáng)度難以達(dá)到155ksi以上，若C含量高于 0. 22%，則會(huì)與Cr、Mo形成大量粗化的析出物，并顯著加重鋼的偏析，造成韌性顯著降低， 難以達(dá)到高強(qiáng)度高韌性的要求。
[0011] Si:Si固溶于鐵素體可以提高鋼的屈服強(qiáng)度。然而，Si元素不宜過高，含量太高會(huì) 使加工和韌性惡化，Si元素含量低于0. 1 %會(huì)使鋼容易氧化。
[0012] Mn:Mn為奧氏體形成元素，可以提高鋼的淬透性。在本技術(shù)方案中，Mn元素含量小 于5%時(shí)顯著降低鋼的淬透性，降低馬氏體比例從而降低韌性；當(dāng)其含量大于1. 5%時(shí)，又 會(huì)顯著增加鋼中的組織偏析，影響熱乳組織的均勻性和沖擊性能。
[0013] Cr:Cr是強(qiáng)烈提高淬透性的元素，是一種強(qiáng)析出物形成元素，回火時(shí)其析出析出 物以提高鋼的強(qiáng)度，在本技術(shù)方案中，其含量高于1. 5%時(shí)容易在晶界析出粗大M23C6析出 物，降低韌性，但是若其含量低于1 %，又會(huì)導(dǎo)致淬透性不足。
[0014] Mo:Mo主要是通過析出物及固溶強(qiáng)化形式來(lái)提高鋼的強(qiáng)度及回火穩(wěn)定性，在本技 術(shù)方案中，由于碳含量較低，因此添加的Mo若超過1. 5%也難以對(duì)強(qiáng)度提高有顯著影響，反 而會(huì)造成合金浪費(fèi)，另外，如果Mo元素含量低于1%，則無(wú)法保證強(qiáng)度達(dá)到155ksi以上。
[0015]Nb:Nb是細(xì)晶和析出強(qiáng)化元素，其可彌補(bǔ)因碳降低而引起的強(qiáng)度的下降。在本技 術(shù)方案中，Nb含量小于0. 01 %時(shí)無(wú)法發(fā)揮其作用，若Nb高于0. 04%，則容易形成粗大的 Nb(CN)，從而導(dǎo)致韌性的降低。
[0016]V:V是典型的析出強(qiáng)化元素，可彌補(bǔ)因碳降低而引起的強(qiáng)度的下降。在本技術(shù)方案 中，若V含量小于0. 2 %，則強(qiáng)化效果難以使材料達(dá)到155ksi以上，若V含量高于0. 3 %，則 容易形成粗大的V(CN)，從而降低韌性。
[0017] Al:A1在鋼中起到了脫氧作用和細(xì)化晶粒的作用，另外還提高了表面膜層的穩(wěn)定 性和耐蝕性。當(dāng)加入量低于0. 01 %時(shí)，效果不明顯，加入量超過0. 05%，力學(xué)性能變差。
[0018] Ca:Ca可以凈化鋼液，促使MnS球化，從而提高沖擊韌性，但Ca含量過高時(shí)，易形成 粗大的非金屬夾雜物，這對(duì)本技術(shù)方案是不利的。
[0019] 進(jìn)一步地，在本發(fā)明所述的超高強(qiáng)度超高韌性石油套管用鋼中，所述回火索氏體 上的析出物包括Nb的碳氮化物和V的碳氮化物的至少其中之一。
[0020] 更進(jìn)一步地，所述Nb的碳氮化物的尺寸在IOOnm以下，所述V的碳氮化物的尺寸 在IOOnm以下。
[0021] 更為優(yōu)選地，本發(fā)明所述的超高強(qiáng)度超高韌性石油套管用鋼還滿足I< (V+Nb)/ C彡2. 3,以使回火索氏體上有害的Cr的析出物和/或Mo的析出物極少。
[0022] 優(yōu)選地，本發(fā)明所述的超高強(qiáng)度超高韌性石油套管用鋼還具有0 <Ti< 0. 04%。
[0023] Ti元素是強(qiáng)碳氮化物形成元素，其可以顯著細(xì)化奧氏體晶粒，從而彌補(bǔ)因碳降低 而引起的強(qiáng)度的下降。但是若其含量高于〇. 04%太高，則易形成粗大的TiN，從而降低材料 韌性。
[0024] 基于上述技術(shù)方案，更進(jìn)一步地，所述回火索氏體上的析出物包括Nb的碳氮化 物、V的碳氮化物和Ti的碳氮化物的至少其中之一。
[0025]現(xiàn)有技術(shù)中常規(guī)的155ksi強(qiáng)度以上高強(qiáng)度鋼一般都采用低合金鋼，即在碳錳鋼 的基礎(chǔ)上加入Cr、Mo、V、Nb等合金元素，依靠碳和合金元素之間形成的析出物所產(chǎn)生的析 出強(qiáng)化效果來(lái)提高鋼的強(qiáng)度，C含量一般在0. 3%左右，但是合金元素的析出物是脆性相， 合金含量過高時(shí)，析出物易于聚集析出并粗大，這會(huì)急劇降低材料的韌性。
[0026] 本發(fā)明的思路是突破目前主要依靠Cr、Mo合金元素提高強(qiáng)度的方法，采用Mn、Cr、 Mo的固溶強(qiáng)化為主，V、Nb(在某些實(shí)施方式下還有Ti)的析出強(qiáng)化為輔的方法來(lái)提高材料 的強(qiáng)度。在技術(shù)方案上，本發(fā)明采用了低碳的成分設(shè)計(jì)，利用V、Nb(在某些實(shí)施方式下還有 Ti)的析出物穩(wěn)定的特性優(yōu)先形成V、Nb(在某些實(shí)施方式下還有Ti)的細(xì)小均勻分布的析 出物，使得鋼種在提高強(qiáng)度的同時(shí)不降低韌性，從而使Cr、Mo等合金元素主要以固溶形態(tài) 存在于基體中，在獲得良好固溶強(qiáng)化效果的同時(shí)消除粗大的Cr、Mo析出物對(duì)韌性的惡化， 進(jìn)而獲得良好的強(qiáng)韌性搭配。
[0027] 更進(jìn)一步地，在本發(fā)明所述的超高強(qiáng)度超高韌性石油套管用鋼中，所述Nb的碳氮 化物的尺寸在IOOnm以下，所述V的碳氮化物的尺寸在IOOnm以下，所述Ti的碳氮化物的 尺寸在IOOnm以下。
[0028] 更為優(yōu)選地，本發(fā)明所述的超高強(qiáng)度超高韌性石油套管用鋼的化學(xué)元素還滿足 1彡（V+Nb)/C彡2. 3,以使回火索氏體上有害的Cr的析出物和/或Mo的析出物極少。
[0029] 根據(jù)對(duì)不同析出物透射電鏡分析結(jié)果來(lái)看，鋼中主要起強(qiáng)化作用的Cr、Mo、V、Nb 等的析出物在尺寸和形態(tài)上不同，Cr元素主要存在形態(tài)為Cr23C6，此種析出物易于在晶界聚 集，尺寸較大，一般在150_250nm左右；Mo元素的主要存在形態(tài)為Mo2C，此種析出物也易于 在晶界聚集，當(dāng)然其在晶內(nèi)也有析出，尺寸中等，一般在100-150nm左右；V、Nb和Ti元素主 要存在形態(tài)為（V，Nb,Ti) (C，N)，此種析出物在晶內(nèi)均勻析出，尺寸細(xì)小。按史密斯解理裂 紋成核模型，晶界上析出物厚度或直徑增加，解理裂紋既易于形成又易于擴(kuò)展，故使脆性增 加。分布于基體中的Cr和Mo粗大析出物，可因本身開裂或其與基體界面上脫離形成微孔， 微孔連接長(zhǎng)大形成裂紋，最后導(dǎo)致斷裂。因此要獲得較高的韌性指標(biāo)，析出的Nb的碳氮化 物和/或V的碳氮化物的尺寸要控制在IOOnm以下，同時(shí)最好盡量減少出現(xiàn)150-250nm的 Cr和Mo的析出物。
[0030] 進(jìn)一步地，在本發(fā)明所述的超高強(qiáng)度超高韌性石油套管用鋼中，所述不可避免的 雜質(zhì)中的P彡 〇? 015%，S彡 0? 003%，N彡 0? 008%。
[0031] 在本技術(shù)方案中，不可避免的雜質(zhì)主要是P、S和N，因此應(yīng)保證這些雜質(zhì)元素的含 量越低越好。
[0032] 本發(fā)明的另一目的在于提供一種石油套管，其能夠達(dá)到155ksi以上的強(qiáng)度級(jí)別， 同時(shí)還具有與超高強(qiáng)度匹配的超高韌性。
[0033] 基于上述發(fā)明目的，本發(fā)明提供了一種石油套管，其采用上述超高強(qiáng)度超高韌性 石油套管用鋼制得。
[0034] 在某些實(shí)施方式下，上述石油套管為155ksi級(jí)石油套管，其屈服強(qiáng)度為 1069-1276MPa，抗拉強(qiáng)度彡1138MPa，延伸率為20% _25%，0度橫向夏比沖擊功彡130J，韌 脆轉(zhuǎn)變溫度< _60°C。
[0035] 在另外一些實(shí)施方式中，上述石油套管為170ksi級(jí)石油套管，其屈服強(qiáng)度為 1172-1379MPa，抗拉強(qiáng)度彡1241MP