一种超深井用石油套管及其生产工艺的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种超深井用石油套管及其生产工艺，石油套管材料的质量百分比化学成分为：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，其余为Fe及不可避免的杂质，质量百分数总计100％。其工艺中热处理采用淬火+回火工艺，淬火加热温度为910±10℃，保温时间为壁厚每1mm不少于1.5min，总保温时间不小于30min；回火温度为640±10℃，保温时间不小于1h，然后在静止空气中冷却。其优点是：采用Cr、Mo?合金作为主要合金化元素，并辅以V、B微合金元素，同时添加Ce，保证钢材淬火后具有较好的强度、硬度、细小的晶粒度，回火后具有均匀的组织、良好的各向冲击韧性。
【专利说明】一种超深井用石油套管及其生产工艺
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种超深井用石油套管及其生产工艺，属于冶金材料领域。
【背景技术】
[0002]由于世界经济的持续发展，人类对石油天然气的需求日益增加，使得原油价格居高不下，因此石油公司对环境恶劣、地质条件复杂、埋藏深的深层油气的开发投入越来越重视。随着对超深井、地质条件复杂石油天然气的勘探开发，对在钻井中起关键作用的石油套管的要求也越来越特殊和苛刻。受到套管性能和井深结构等的限制，套管的设计和选择面临着很大的难题，如果选材错误，将会造成严重的事故。超深井套管的选择要考虑抗拉、抗压、抗外挤、整体密封性、温度、腐蚀、磨损、接箍强度等多种因素，是一项复杂的系统工程，也是当前亟待解决的问题之一。目前，国内生产的超深井石油套管的横向冲击韧性普遍难于达到相关要求。专利“150ksi钢级高强韧油气井井下作业用钢管及其生产方法”和“石油天然气开采中深井、超深井石油套管及其生产方法”发明了深井、超深井石油套管，但对横向冲击韧性方面没有进行特别的关注。稀土钢是包钢集团的特色品牌产品，钢中加入稀土后，一般能使无缝钢管的横向冲击韧性、耐腐蚀性能显著提高，同时提高其他性能。
【发明内容】
[0003]基于以上【背景技术】，本发明的目的是提供一种具有高屈服强度、良好冲击韧性和较高抗挤毁强度的超深井用石油套管及其生产工艺。
[0004]为实现上述目的，本发明是通过如下措施来实现:
[0005]一种超深井用石油套管，其特征在于，构成材料的质量百分比化学成分为: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，其余为Fe及不可避免的杂质，质量百分数总计100%。
[0006]钢中C含量增加，屈服点和抗拉强度升高，但塑性和冲击性降低。但C量高会降低钢的耐大气腐蚀能力，还能增加钢的冷脆性和时效敏感性，使钢的焊接性能变坏。因此，C含量控制在0.18~0.24%范围内。Si元素可以提高钢的强度和硬度；降低钢的临界冷却速度，提高钢的淬透性；提高钢在氧化性腐蚀介质中的耐蚀性，提高钢的耐热性。Si能降低钢的焊接性能，因为与O的亲合力Si比Fe强，在焊接时容易生成低熔点的硅酸盐，增加熔渣和熔化金属的流动性，引起喷溅现象，影响焊缝质量。Si易使钢中形成带状组织，使横向性能低于纵向性能。因此，Si含量控制在0.18~0.30%范围内。Mn对钢具有强化作用，可以提高强度、硬度和耐磨性；降低钢的临界冷却速度，提高钢的淬透性；轻微改善钢的低温韧性。但Mn过高能增加钢的过热敏感性，高温如果控制不当，将粗化晶粒，使得淬火过程中晶粒过大，或者是高温回火后在脆性温度区停留时间过长，使得韧性降低。因此，Mn含量控制在0.50~0.70%范围内。为了获得高纯净度钢，同时获得具有超高屈服强度和良好冲击韧性的钢管材质，要尽可能降低钢中夹杂物、气体以及S、P等有害元素的含量，因此要较低含量的P、S、O。
[0007]钢中Cr能显著提高强度、硬度和耐磨性，但同时降低塑性和韧性。Cr能提高钢的抗氧化性和耐腐蚀性，还能增加钢的淬透性并有二次硬化作用。Cr使钢经淬火回火后具有较好的综合力学性能，在渗碳钢中还可以形成含Cr的碳化物，从而提高材料表面的耐磨性。Mo能使钢的晶粒细化，提高淬透性和热强性能，在高温时保持足够的强度和抗蠕变能力。Mo对抑制奥氏体转变为贝氏体作用不大，因此有时需要和其它提高淬透性的元素如Cr、Mn等配合。Cr能使固溶体中保留的Mo水平有所提高，能产生一定程度的固溶强化效果。Cr-Mo复合强化时，由于Cr对不同类型碳化物组成及分布的复杂影响，须使Cr、Mo含量维持在彼此相互作用的最佳值时，才能收到最佳的强化效果。
[0008]V的作用，一是细化晶粒；二是做调质处理时候，可以提高回火温度，提高回火抗性，从而提高钢的韧性。V与C形成的碳化物，在高温高压下可提高抗氢腐蚀能力。钢中V的碳化物以极小的颗粒状物体存在，它们一般能抑制钢中晶界的移动，同时也能作为形核的核心从而细化晶粒。N与Cr、Al、V元素可化合成极稳定的氮化物，成为表面硬化和强化元素。钢中加入微量的B就可改善钢的致密性和热轧性能，提高强度，加入微量的B就能起到很大的作用，为了避免形成氮化硼，影响B的作用，要适当的加入铝固定氮。因此，B控制在0.001-0.005%范围内。
[0009]Re元素Ce在钢中的主要作用是除去钢水中的杂质元素，特别是钢中加入Ce后可使S含量显著降低。钢中的MnS夹杂在高温具有强的塑性变形能力，是导致锻件力学性能各向异性的重要原因，Ce能改变残留夹杂物，主要是MnS的形状，从而提高钢的强度。Ce元素在钢中形成为Ce2S3和Ce3S4,这些Ce硫化物具有较强的抗塑性变形能力，改善了钢的横向力学性能。另外，当钢中有H—类有害气体存在时，Ce在钢中可起到脱氢作用，这些特性可以提高石油套管的使用寿命。Ce含量选择在0.02-0.05%范围内可以有效提高钢管的横向力学性能。
[0010]本发明的生产工艺如下:
[0011]无缝钢管生产主要工艺为:铁水一转炉冶炼一LF精炼一VD脱气一圆坯连铸一管坯加热一穿孔一轧管一定径一热处理。热处理采用淬火+回火工艺，淬火加热温度为910±10°C，保温时间为壁厚每1mm不少于1.5min，总保温时间不小于30min ;回火温度为640±10°C，保温时间不小于lh，然后在静止空气中冷却。
[0012]淬火加热温度也就是钢的奥氏体化温度，制定原则是Ac3+30-50°C。考虑到提高钢的淬透性及减少加热时间，采用较高温度较好。根据经验公式，本发明体系的Ac3大约为8700C，因此淬火加热温度确定为910± 10°C。钢管加热达到奥氏体化温度后，将发生奥氏体的形核、长大及均匀化过程，所以钢管实际温度达到规定后要保持一定时间。保温时间的长短要根据钢中的合金元素种类及含量略作调整，钢中含有V、Mo等强碳化物形成元素时，应适当增加保温时间，以利于碳化物的溶解，以达到充分发挥合金元素的作用。但保温时间过长，将增加钢管的表面氧化，影响表面质量。因此，保温时间为壁厚每Imm不少于1.5min，但不小于30min。以水为淬火介质，是最为经济、安全，且对环境无污染。钢管以旋转方式进行淬火，同时进行内外冷却。淬火时保证淬火液在钢管内表面均匀旋转内喷，外表面足量循环水外淋。淬火介质水的冷速较快，钢管易发生形变，严重时因无法进行下道工序而报废。为避免形变的发生，采用内外管壁延时水喷。内循环水喷比外表面延时3s，水的流速不小于lOm/s。淬火后钢管仍然具有较高的温度，若冷却不当钢管仍然会产生弯曲变形。为了避免这一情况，钢管要在自然空气中冷却，不采用强制冷却方式，冷却要缓和平稳，冷却过程中应均匀。钢管要在具有正、反向链的冷床上进行冷却，始终处于旋转状态的钢管，冷却均匀，可以避免弯曲。含有Mo和B元素的多元钢具有较强的抗回火能力，为了保持钢在使用过程中性能的稳定，应采用较高的回火温度。因此回火温度为640±10°C，保温时间不小于lh，然后在静止空气中冷却。
[0013]本发明的优点是:采用Cr、Mo合金作为主要合金化元素，并辅以少量的V、B微合金元素，同时添加Ce元素，保证钢材淬火后具有较好的强度、硬度、细小的晶粒度，回火后具有均匀的组织、良好的各向冲击韧性，产品适用于超深井用石油套管。本发明生产效率高、经济效益好，适合于规模化生产，具有良好的推广价值。
【具体实施方式】
[0014]各实例化学成分如表I所列，各实例钢管力学性能如表2所示。实例1、2所生产管规格为 Φ177.8X9.19 mm，实例 3、4 为 Φ 177.8X10.36 mm。
[0015]表I各实例化学成分(wt.%)
【权利要求】
1.一种超深井用石油套管，其特征在于，构成材料的质量百分比化学成分为: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，其余为Fe及不可避免的杂质，质量百分数总计100%。
2.一个根据权利要求1所述的超深井用石油套管的生产工艺，其主要工艺为:铁水一转炉冶炼一LF精炼一VD脱气一圆坯连铸一管坯加热一穿孔一轧管一定径一热处理，其特征在于，热处理采用淬火+回火工艺，淬火加热温度为910± 10°C，保温时间为壁厚每Imm不少于1.5min,总保温时间不小于30min ;回火温度为640± 10°C,保温时间不小于Ih,然后在静止空气中冷却。
【文档编号】C22C38/32GK103451543SQ201310409266
【公开日】2013年12月18日 申请日期:2013年9月10日 优先权日:2013年9月10日
【发明者】刘金, 李晓, 吴明宏, 王金龙, 姜海龙, 张行刚, 石晓霞, 薛玲, 许占海 申请人:内蒙古包钢钢联股份有限公司