一种高强度低合金抗硫化氢应力腐蚀用油井管及其制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种钢管产品及其制造方法，尤其涉及一种油井管及其制造方法。
【背景技术】
[0002] 在含H2S的油气开采环境中，通常需要使用具备一定抗H2S应力腐蚀性能的材料。 随着石油天然气开采深度的不断加大，对于所用管材的强度要求不断提高，但是材料强度 越高，其应力腐蚀开裂敏感性也随之提升。目前深井、超深井用油井管强度通常在llOKsi 以上，要求具有这样高强度的材料要达到较高的抗H2S应力腐蚀性能是非常困难的。
[0003][0004] 公布号为JPH06-116635A，公布日为1994年4月26日，名称为"一种生产具有高强 度低合金且优良耐硫化物应力腐蚀裂纹性的油井管的制造方法"的日本专利文献公开了一 种管件，其化学元素质量百分含量为（wt. % )的成份组成：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%中的至少其中一种。该日本 专利文献所公开的油井钢添加了Ni元素。
[0005][0006] 上述三篇专利文献所公开的钢管的合金总含量均超过3wt. %。此外，这三种钢管 均不能通过简单的淬火-回火热处理工艺来制造出符合力学性能要求的管件。
【发明内容】
[0007] 本发明的目的在于提供一种高强度低合金抗硫化氢应力腐蚀用油井管，其具备较 高的强度且良好的抗H2S应力腐蚀性能（即抗硫性能）。该油井管的屈服强度>llOKsi， 同时其K1SCC值彡30Mpa*m1/2 (K1SCC是应力腐蚀门栏值，指在应力腐蚀的情况下材料或零件发 生破坏的最小应力强度因子。其单位为MPa*m1/2)
[0008] 为了实现上述目的，本发明提供了一种高强度低合金抗硫化氢应力腐蚀用油井 管，其化学元素质量百分配比为：
[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] 同时各化学元素的质量百分含量还需要满足0. 35Cr+0. 85Mo+2. 8V彡1，
[0018] 2. 4Cr+l.lMo+4. 5V^ 3 ；
[0019] 余量为Fe和其他不可避免的杂质。
[0020] 本技术方案中不可避免的杂质主要是指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] 本发明所述的高强度低合金抗硫化氢应力腐蚀用油井管中的各化学元素的设计 原理为：
[0022] C:C是保证强度及淬透性的重要元素。当C含量小于0. 16wt. %时，一方面强度 难以保证，另一方面难以避免先共析铁素体的析出，从而会影响钢的抗硫性能。当C含量大 于0.40wt. %时，淬火时易出现裂纹，同时还会增大晶界粗大碳化物的析出倾向。因此，在 本发明所述的高强度低合金抗硫化氢应力腐蚀用油井管中需要控制C含量控制在0. 16? 0. 40wt. %范围之间。
[0023] Si:当Si含量超过0. 5wt. %时，会显著增加钢的冷脆倾向，而当其含量低于 0.lwt. %时，则难以保证脱氧效果。对于本发明的油井管来说，需要将Si含量限制在0. 1? 0. 5wt. %范围之间。
[0024] Mn:Mn具有扩大奥氏体相区，增加淬透性，细化晶粒等有益效果。然而，Mn在凝固 时容易发生偏析，从而会使得终端产品中产生明显的带状组织，又由于带状组织与基体之 间的硬度、析出相均存在着明显的差异，这会影响钢的抗硫性能。鉴于此，需要将Mn的添加 量设定为〇. 2?0. 6wt. %。
[0025] A1 :A1是钢脱氧所必需的元素。但是一旦A1含量超过0.lwt. %时,对烧铸过程会 产生不利影响。在此，应该将A1含量设定为0. 01?0.lwt. %。
[0026] Nb:Nb是有效的细化晶粒兀素。晶粒的细化对于提_钢的强初性及抗硫性能均有 着积极的作用。因而，对于本发明的技术方案来说，Nb元素的添加量需要控制为0. 01? 0? 05wt. %。
[0027] Cr/Mo/V:Cr、Mo和V均为强碳化物的形成元素，其碳化物在回火过程中的弥散析 出强化是钢材获得较高的强度的必要要素。也就是说，要获得足够的淬透性和强化效果， 需要同时添加三种元素，通常Cr和Mo需要各加入0. 2wt. %以上才有明显的强化效果，而 V需要加入的量在0. 03wt. %以上时才能产生强化效果。不过，若V加入量过多时，则会形 成粗大的碳化物，从而降低材料的韧性和抗硫性能。另外，V的析出强化效果在其添加量为 0.2wt. %时达到饱和状态。基于此，本发明的技术方案中对于Cr/Mo/V元素的含量的设定 为：Cr>0. 2wt. %，Mo>0. 2wt. %，V:0? 03 ?0? 2wt. %。
[0028] 基于上述各化学元素的设计原理，本发明的高强度低合金抗硫化氢应力腐蚀 用油井管中相关化学元素的质量百分含量还需要满足关系式（1)和关系式（2)。其 中，为了保证材料在670°C以上的高温回火后仍具备llOKsi的高强度，需要满足关系 式（1)，即0.35Cr+0.85Mo+2.8V彡1 ;又为了保证材料的强度在达到llOKsi的同时，还 能够具备优良的抗H2S应力腐蚀性能（K1S。。值彡30MPa*m1/2)，则需要满足关系式（2)，即 2. 4Cr+l.lMo+4. 5V^ 3〇
[0029] 本发明的技术方案采取的是适量添加Cr、Mo和V等合金元素，同时约束其协同关 系的方式来保证材料的强度，其原因在于：这些合金元素可以使得钢材在较高的回火温度 条件下仍保持较高的强度，然而，当这些合金元素的加入量超过一定范围或不满足协同关 系式时，会在回火后引起粗大碳化物的析出从而降低材料的有效强度。另外，由于在本发明 的技术方案中合金元素的添加量较之于现有技术中的钢种的合金元素添加量要来的少，因 此，本发明的油井管中的合金含量少，制造成本相对经济。
[0030] 进一步地，本发明所述的高强度低合金抗硫化氢应力腐蚀用油井管中的微观组织 为均匀的回火马氏体组织。
[0031] 由于钢中抗H2S应力腐蚀性能最好的微观组织状态为回火马氏体组织，因此，具有 该微观组织的钢材料能够兼具较高的强度和良好的抗硫性能。
[0032] 相应的，本发明还提供了一种生产如上文所述的高强度低合金抗硫化氢应力腐蚀 用油井管的制造方法，其包括步骤：首先冶炼和铸造，然后制成管坯，将管坯加热，穿孔热轧 成荒管；再次加热后