专利名称：：高钢级高抗二氧化碳、氯离子腐蚀油套管用钢及制造方法
技术领域：
：本发明涉及一种油套管用钢及其制造方法，特别涉及一种110ksi高钢级抗高温(120-15(TC)、高抗C02、氯离子腐蚀条件下的油井管用钢及制造方法。
背景技术：
：随着我国石油天然气开发力度的加大，采集油气的油井套管和油管面临着高温高压、高含0)2、C1—等共存的强腐蚀环境，从而造成油气田多次发生井下油管断裂，集气干线泄漏事故，致使许多油气田井都在投产一年左右由于此类问题而提前报废，造成巨大损失，给人民群众的生命和财产安全造成了严重的危害，同时也威胁到了国家能源战略安全。现有API5CT规范中有L80-13Cr油套管产品，能生产的强度为80和95钢级，最高服役温度一般为12(TC，耐蚀性能小于0.25mm/y。随着油井和气井的开发，井深也在不断增加，井深超过5000米的富含C02且超过API标准13Cr钢管服役条件的油气井不断增加，急需耐更高服役温度(120-150'C)、耐蚀性能更好、强度更高的IIO钢级油套管。为满足高的强度和高耐蚀性要求，国外各大钢管厂纷纷研制出非标的110钢级13Cr不锈钢油套管，如川崎的K0-HP1-13Crl10、住友的低碳SM13CR110等，其成熟产品的化学成分及性能如表1所示。表l川崎和住友110钢级油套管化学成分<table>tableseeoriginaldocumentpage3</column></row><table>API标准检索到耐腐蚀用合金油套管用钢的发明专利7项，见表2。检索专利主要针对要求抗C02腐蚀及抗C02和微量H2S腐蚀用油套管，所述合金设计中一项(11-140594)未涉及强度要求，一项强度要求超过110钢级(2003-105441，95125Kpsi，-40，30J以上)，但未说明使用环境，一项强度为80钢级，其它4项强度要求也均不超过110钢级。上述川崎和住友公司的非标13Cr均含有较高的镍和钼及较低的碳，专利中提到的高Cr合金部分专利如昭61-207550、特开平4-224656、特幵平11-140594等也含有较高的镍和钼。主要通过增加合金含量特别是Ni和Mo等贵金属合金，保证耐高温、C02、及微量H2S腐蚀性能。对于深井要求耐高温120-150°C、耐0)2腐蚀而并不要求H2S腐蚀的环境，高镍、钼合金的油套管成本过高。本发明通过在API标准L80-13Cr油套管成分基础上，只添加少量镍和钼即可达到IIO钢级强度要求，同时满足耐120-15CTCC02及氯离子腐蚀要求。表2已有主要专利的合金设计(wt%)<table>tableseeoriginaldocumentpage4</column></row><table>
发明内容本发明的目的在于提供一种110ksi高钢级高抗C02腐蚀油套管钢的成分及其制造方法。主要解决超低碳13Cr高合金油套管用钢含有较高的Ni和Mo等贵金属合金，成本很高以及冶炼难度大的技术问题。本发明的技术方案为高钢级高抗二氧化碳、氯离子腐蚀油套管用钢，按重量百分比，其化学成分配比为C:0.150.25%Si:0.20.5%Mn:0.201.0%Cr:12.014.0%Ni:0.51.5%Mo:0.21.0%Al:0.010.1%其余为Fe和不可避免的杂质元素，杂质元素总量低于0.5%。本发明钢种通过转炉(或电炉)炼钢、模铸后(在高于125(TC温度下均匀化退火)并初轧开坯后在65075(TC去应力退火以防止管坯开裂，管坯经穿孔制管、热轧、热处理、水压检验后并进行整体调质热处理和管端加工，经过管体检验合格就可制成合格的油套管产品。本发明的高合金钢化学成分设计的选择原因如下C:是保证钢管强度性能及腐蚀性能的必要元素。为保证必要的强度，碳含量不能过低，碳含量低于O.15%时强度不足；碳含量高于0.25%，导致组织中因碳与铬形成碳化物而降低晶界铬含量，降低抗腐蚀性能。同时，碳含量过高，材料的硬度高，韧性变坏，而且耐蚀性将受到影响，需要适当限制碳含量。Cr:是提高耐蚀性和强度的主要合金元素。Cr含量小于12%时，耐蚀性不足，Cr含量大于14W时，材料的强度和硬度过高，导致材料的韧性下降。铬过高也易导致高温铁素体形成，降低热加工性能。Ni:提高腐蚀性能和韧性，有利于高温轧制，降低形成高温S铁素体倾向。同时对降低冷脆转变温度有益。Ni加入量过低，效果不明显，加入量过高则增加成本。Mo的加入提高了耐蚀性特别是抗局部腐蚀性，还提高了材料的强度和淬透性。如加入量低于0.2%，效果不明显，高于1.0%，加工性能和塑性恶化。Si:加入钢中起到脱氧和改善耐蚀性的作用，低于0.2%，效果不明显，大于0.5%，加工和韧性恶化。Mn:改善钢的强韧性的元素并时奥氏体区扩大元素，小于0.2%时作用不明显，大于1%，将降低腐蚀性能。Al:在钢中起到了脱氧作用和细化晶粒的作用，另外还提高了表面膜层的稳定性和耐蚀性。当加入量低于0.01%时，效果不明显，加入量超过O.10%，力学性能变差。本发明的有益效果国外高强度耐二氧化碳、氯离子腐蚀油套管主要合金设计为在APIL80-13Cr基础上通过改变某些合金组成如低碳、镍、钼复合添加等方法获得110钢级的耐二氧化碳腐蚀油套管。本发明以APIL80-13Cr油套管合金设计为基础，通过添加少量镍、钼合金元素，不仅可以获得强度等级达到110钢级的油井管，而且，由于镍、钼复合添加后，提高了钢的回火温度，明显改善了钢的低温冲击韧性。合金设计中通过控制一定的碳含量、添加铬、镍、钼等元素并经过适当的热处理之后，获得温度120-15(TC条件下耐C02和氯离子腐蚀的强度达到IIO钢级的油套管，较目前使用的低碳镍、钼系列IIO钢级油套管材料可以节省3-4%的镍1-2%的钼和适量的铜和钒，大大降低了合金成本。此外，本发明钢种走转炉产线，大大节约了生产成本。具体实施例方式表3所示为实验钢种的化学成分，其中1-5为本发明钢种，6-8为对比钢种，为目前油田普遍使用的油套管合金。表3本发明钢和现有合金钢的化学成分，wt%<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>表4为本发明钢和对比钢的力学性能和抗二氧化碳、氯离子腐蚀性能。腐蚀实验采用高压釜，腐蚀实验分别在12(TC和150'C温度下，二氧化碳分压2.5MPa并加入3.5MNaCl，介质流速设定为2m/S，实验时间为168小时，测定腐蚀失重并转换成腐蚀速率，单位mm/a。表4本发明钢和对比钢的力学性能和抗二氧化碳、氯离子腐蚀性能<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>从表4的结果可以看出，本发明的高合金不锈钢油套管用钢耐高温、二氧化碳及氯离子腐蚀性能与超低碳的铬、钼高合金不锈钢油套管用钢的强度和耐腐蚀性能相当。本发明用钢经过转炉炼钢、模铸、初轧开坯、轧制制管及合理的热处理工艺之后(其中初轧开坯后需经65075(TC退火)可以获得力学性能满足110钢级的非API耐蚀油套管。也就是说本发明的冶炼、轧制、制管和后处理可以采用常规耐蚀油套管的制备工艺。通过降低镍含量并添加少量钼合金元素可以大大降低材料成本。权利要求1、高钢级高抗二氧化碳、氯离子腐蚀油套管用钢，按重量百分比，其化学成分配比为C0.15～0.25％Si0.2～0.5％Mn0.20～1.0％Cr12.0～14.0％Ni0.5～1.5％Mo0.2～1.0％Al0.01～0.1％其余为Fe和不可避免的杂质元素。全文摘要本发明涉及一种油套管用钢及其制造方法，特别涉及一种110ksi高钢级抗高温(120-150℃)、高抗CO<sub>2</sub>、氯离子腐蚀条件下的油井管用钢及其制造方法。主要解决超低碳13Cr高合金油套管用钢含有较高的Ni和Mo等贵金属合金，成本很高以及冶炼难度大的技术问题。高钢级高抗二氧化碳、氯离子腐蚀油套管用钢，按重量百分比，其化学成分配比为C0.15～0.25％，Si0.2～0.5％，Mn0.20～1.0％，Cr12.0～14.0％，Ni0.5～1.5％，Mo0.2～1.0％，Al0.01～0.1％，其余为Fe和不可避免的杂质元素，杂质元素总量低于0.5％。本发明的冶炼、轧制、制管和后处理可以采用常规耐蚀油套管的制备工艺。本发明获得的油套管用钢可适用于高温高压、高含CO<sub>2</sub>、Cl<sup>-</sup>等共存的油田井下强腐蚀环境。文档编号C21D11/00GK101096744SQ20061002825公开日2008年1月2日申请日期2006年6月28日优先权日2006年6月28日发明者唐豪清,张忠铧,徐文亮,郭金宝申请人:宝山钢铁股份有限公司