一种耐沟槽腐蚀膨胀管用钢及焊接膨胀套管制备方法

一种耐沟槽腐蚀膨胀管用钢及焊接膨胀套管制备方法
【专利摘要】本发明公开了一种耐沟槽腐蚀膨胀管用钢及焊接膨胀套管制备方法，其化学成分的质量百分数(wt％)组成如下：C：0.10-0.30％，Si：0.10-0.35％，Mn：0.25-1.0％，S<0.005％，P<0.02％，Cu：0.20-0.50％，Ca：0.001-0.005％，Ce/La混合稀土：0.01-0.15％，其余为Fe及不可避免的杂质；也可添加Ni：0-1.0％，Mo：0-0.6％，Nb：0-0.05％，V：0-0.05％，Ti：0-0.05％中的一种或几种。本发明的直缝电阻焊接膨胀套管经膨胀变形后具有高的强度、良好的韧性和低的沟槽腐蚀敏感性。
【专利说明】
【技术领域】
[0001] 本发明属于金属材料和石油天然气工业领域，尤其涉及一种耐沟槽腐蚀膨胀管用 钢及焊接膨胀套管制备方法。 一种耐沟槽腐蚀膨胀管用钢及焊接膨胀套管制备方法

【背景技术】
[0002] 随着原油的不断开采，老油田的开发已经到了晚期，而新油田的开发主要集中在 地质条件更加复杂的地区，勘探开发难度日益增大，膨胀管技术得到了广泛应用。膨胀管是 一种在井下发生永久径向塑性变形的金属钢管，它必须具有优良的塑性变形能力，且膨胀 变形后管材的力学性能、尺寸精度等符合API5CT或相关标准要求。应用膨胀管技术可降低 工作难度，增加下井套管层数，改变现有的油气井井深结构，给现有的油气井井深结构带来 革命性的影响，并带来重大技术经济效益。
[0003] 膨胀管分为无缝膨胀管和焊接膨胀管两种类型。相对于无缝膨胀套管而言，焊接 膨胀套管的显著特点之一是壁厚尺寸精度高，二是内壁无穿孔过程造成的螺旋状划痕，因 此它一直受到市场的青睐。
[0004] 当前，焊接膨胀管主要是在常温下利用电阻法对管坯接合部进行局部加热、焊接 制造而成。该方法将使得焊缝部位与母材部位具有不同的金属组织，导致沟槽腐蚀的发生。 综合分析当前国内的焊接膨胀管技术之后，不难发现，当今生产焊缝性能良好的焊接膨胀 管材料存在以下问题：
[0005] 首先，材料中的合金成分较高，导致管材用钢材料的碳当量偏高，不利于管材的焊 接。例如，中国专利CN102465234A公开了一种低合金N80钢级实体可膨胀管材料的制备方 法，其材料中使用了0.2-1%的稀有金属￥(钇）；中国专利0附018126384公开的一种膨胀 管及其制备方法中，加入了 1. 0-5.0%的贵金属Ni。大量合金元素的使用，提高了材料碳当 量，对管材的焊接及其工业生产带来了问题。
[0006] 其次，制造工艺复杂，不利于大规模工业生产。例如，中国专利CN102534166A公开 了一种高扩径性能的J55钢级ERW膨胀管的制备方法，采用了三次热处理才能使ERW膨胀 管具有较高的整体扩径性能；中国专利CN102534369A公开的一种石油天然气开采用N80钢 级膨胀管的制备方法，其需要经过淬火和后续的亚温回火-淬火-配分处理共两套工序的 热处理工艺，才能使焊接膨胀管具有理想的性能。复杂的热处理工艺虽然能够减小母材和 焊缝区域的微观组织差异，但是不利于大规模工业化生产、生产效率较低。
[0007] 本发明是在一种中低碳钢中添加钙、铜和Ce/La混合稀土，经过焊缝在线正火处 理和整管两相区淬火+回火处理后，实现直缝电阻焊接膨胀套管的强塑性要求，并大幅降 低直缝电阻焊接膨胀套管的沟槽腐蚀性能。


【发明内容】

[0008] 本发明的目的是提供一种耐沟槽腐蚀膨胀管用钢及焊接膨胀套管制备方法，通过 合理的成分设计获得一种耐沟槽腐蚀膨胀套管用钢，并结合钢管的成型焊接工艺和焊缝、 整管热处理工艺使得管材具有良好的可膨胀性能，该钢管经膨胀变形后具有高的强度、良 好的韧性和低的焊缝沟槽腐蚀敏感性。
[0009] 本发明提供的耐沟槽腐蚀膨胀管用钢及焊接膨胀套管的化学成分（按质量百 分数）为 C :0· 10-0. 30 %，Si :0· 10-0. 35 %，Μη :0· 25-1. 0 %，S〈0. 005 %，Ρ〈0· 02 %，Cu : 0· 20-0. 50 %，Ca :0· 001-0. 005 %，Ce/La 混合稀土 ：0· 01-0. 15%，其余为 Fe 及不可避 免的杂质；也可以在此基础上添加化学元素 Ni :0-1.0%，Mo 6%，Nb 05%，V : 0-0· 05 %，Ti :0-0· 05 % 中的一种或几种。
[0010] 本发明提供的焊接膨胀套管采用以下方法制造，具体包括以下步骤：
[0011] ⑴冶炼及凝固：转炉或电炉炼钢获得钢水，钢水经炉外精炼后，再经过Ca处理， 连铸成板坯；
[0012] (2)控制轧制和控制冷却：板坯经1150-1280°c加热后轧成板带，板带的终轧温度 大于830°C，乳后板带经加速冷却的方法冷却至680°C以下卷取成钢卷；
[0013] (3)HFW制管：钢卷经拆卷、纵剪、铣边、FFX成型、HFW焊接及焊缝热处理制成 规定尺寸的有缝焊管，并对焊缝的内外毛刺进行修整，内毛刺刮槽深度和外毛刺余高均 < 0. 25mm ;
[0014] (4)焊缝热处理：采用中频感应加热对焊缝进行在线正火热处理，感应加热温度 处于880-980°C范围内；
[0015] (5)整管热处理：采用燃气炉将HFW毛坯管加热至两相区Acl以上0-60°C范围，保 温0. 5-3小时，然后随炉冷或空冷到室温。
[0016] 本发明采用合理的成分设计提高焊缝的耐沟槽腐蚀性能，是在中低碳钢的基础上 开发出耐沟槽腐蚀膨胀套管用钢，焊接膨胀套管的耐沟槽腐蚀性能主要由材料的合金成 分、焊接质量和热处理工艺共同决定，其中硫元素对沟槽腐蚀敏感性影响最大，焊接过程中 形成的硫化物易促进腐蚀现象的产生，因此，需要降低焊缝中的硫化物数量。
[0017] 本发明在材料设计上采用中低碳钢，保持低的S含量，为降低材料对沟槽腐蚀的 敏感性，添加了合金元素 Ca、Cu和Ce/La混合稀土。主要合金元素的作用如下：
[0018] Ca(钙）可以净化钢液，改变夹杂物的性质，获得细小球形、弥散分布的硫化物；还 能够有效地降低钢中的S含量，使不稳定的硫化物变成稳定的硫化物CaS(硫化钙）。
[0019] Cu(铜）能够抵消钢中的S，并在一定条件下可促进钢产生阳极钝化，提高钢的耐 腐蚀性能；在室温基本不溶于α-Fe，而以ε-Cu或面心立方α-Cu的形式析出，并可使钢 得以强化。
[0020] Ce/La(铈/镧）混合稀土能够细化晶粒、净化钢液、提高Cu的利用率，同时还可改 变夹杂物的组成、形态、分布及性质，提高钢的抗氧化性和耐腐蚀性。Ce是元素铈（Cerium) 的符号，原子序数58,原子量140. 115,自然界中有4种同位素；La是元素镧（Lanthanum)的 符号，原子序数57,原子量138. 9055,自然界中有2种同位素；本发明中Ce和La的同位素 作用相同，故同种元素的同位素均可添加。
[0021] 本发明中的使用的Ce/La混合稀土中，Ce含量较高约为60-80% (60%、70%、80% 均可满足管材的性能要求）。
[0022] 本发明在上述基础上，可通过添加合金元素 Ni、Mo进一步提高材料的膨胀性能， 添加微合金元素 Nb、V、Ti达到提高强度的目的。
[0023] 本发明提供耐沟槽腐蚀焊接膨胀套管的生产方法，包括冶炼、连铸板坯、Ca处理、 控制轧制、控制冷却、卷曲冷却、成型焊接、热处理，其中，所述的生产方法中焊缝在线正火 处理温度处于880-980°C范围内；钢管整管热处理温度处于两相区Acl以上0-60°C。

【专利附图】

【附图说明】
[0024] 图1本发明中使用的沟槽腐蚀敏感性系数测定原理图。

【具体实施方式】
[0025] 下面结合实施例与对比例，更具体地说明本发明。
[0026] 实施例1 :
[0027] 本实施例套管用钢化学成分质量百分比为：C :0. 15 ;Si :0. 27 ;Mn :0. 83 :P : 0· 008 ;S :0· 002 ;Cu :0· 18 ;Ca :0· 0021，Ce/La :0· 04,其余为 Fe 和不可避免的杂质。
[0028] 将转炉冶炼、炉外精炼后的钢水进行Ca处理后，连铸成板坯。连铸板坯经 1150-1280°C加热后轧成板带，板带的终轧温度大于830°C，乳后板带经加速冷却的方法冷 却至680°C以下卷取成钢卷。经拆卷、纵剪、铣边、FFX成型、HFW焊接及焊缝热处理制成 规定尺寸的有缝焊管，中频感应加热对焊缝进行在线正火热处理，感应加热温度为900°C， 加热时间为20-60s，随后对焊缝的内外毛刺进行修整，内毛刺刮槽深度和外毛刺余高均 <0. 25mm ;采用燃气炉将HFW毛坯管加热至两相区790°C，保温1. 5-2小时，空冷至室温，生 产出本发明的耐沟槽腐蚀的焊接膨胀套管。
[0029] 经检测，本实施例套管力学性能结果如下：屈服强度为385MPa，抗拉强度为 535MPa，断后延伸率为46%，夏比V型缺口焊缝冲击值为133J。
[0030] 本实施例套管经液压式膨胀10%变形后，管材的力学性能如下：屈服强度为 425MPa，抗拉强度为565MPa，断后延伸率为39%，夏比V型缺口焊缝冲击值为94J，达到 API5CT标准中的J55钢级套管性能要求。
[0031] 通过电化学试验方法衡量沟槽腐蚀性能的好坏。依据SY/T5989-2012标准，将膨 胀变形后的试样放在3. 5% NaCl溶液中进行144h阳极极化，极化后将试样取出，并清除腐 蚀产物，测量腐蚀试验前试样原始表面到母材的深度hi和腐蚀沟槽底的腐蚀深度h2,计算 沟槽腐蚀敏感性系数a =h2/hl。评价标准为：腐蚀敏感性系数α〈1.3时，不敏感。腐蚀 敏感性系数α > 1. 3时，敏感。实验中，阳极极化电位为-550mv。
[0032] 经检测，本实施例套管的沟槽腐蚀敏感系数a = 1. 06。
[0033] 实施例2 :
[0034] 本实施例套管用钢化学成分质量百分比为：C :0. 12 ;Si :0. 23 ;Μη :0. 96 :Ρ : 0· 006 ;S :0· 002 ;Cu :0· 26 ;Ca :0· 0018, Ce/La :0· 11，其余为 Fe 和不可避免的杂质。
[0035] 其他同实施例1。
[0036] 经检测，本实施例套管力学性能结果如下：屈服强度为380MPa，抗拉强度为 540MPa，断后延伸率为44%，夏比V型缺口焊缝冲击值为136J。
[0037] 本实施例套管经液压式膨胀10%变形后，管材的力学性能如下：屈服强度为 430MPa，抗拉强度为575MPa，断后延伸率为38%，夏比V型缺口焊缝冲击值为98,达到 API5CT标准中的J55钢级套管性能要求。
[0038] 经检测，本实施例套管的沟槽腐蚀敏感系数α = 1. 08。
[0039] 实施例3 :
[0040] 本实施例套管用钢化学成分质量百分比为：C:0. 16 ;Si :0.31 ;Mn :0.77 :P: 0· Oil ;S :0· 0018 ;Cu :0· 33 ;Ca :0· 0019, Ni :0· 5, Ce/La :0· 09,其余为 Fe 和不可避免的杂 质。
[0041] 其他同实施例1。
[0042] 经检测，本实施例套管力学性能结果如下：屈服强度为395MPa，抗拉强度为 550MPa，断后延伸率为43%，夏比V型缺口焊缝冲击值为128J。
[0043] 本实施例套管经液压式膨胀15%变形后，管材的力学性能如下：屈服强度为 465MPa，抗拉强度为595MPa，断后延伸率为33%，夏比V型缺口焊缝冲击值为96J，达到 API5CT标准中的J55钢级套管性能要求。
[0044] 经检测，本实施例套管的沟槽腐蚀敏感系数a = 1. 09。
[0045] 实施例4 :
[0046] 本实施例套管用钢化学成分质量百分比为：C :0. 10 ;Si :0. 28 ;Μη :0. 82 :Ρ : 0· 006 ;S :0· 002 ;Cu :0· 44 ;Ca :0· 0027，Ni :0· 8，Μο :0· 30，Ce/La :0· 02,其余为 Fe 和不可避 免的杂质。
[0047] 其他同实施例1。
[0048] 经检测，本实施例套管力学性能结果如下：屈服强度为385MPa，抗拉强度为 550MPa，断后延伸率为43%，夏比V型缺口焊缝冲击值为132J。
[0049] 本实施例套管经液压式膨胀15%变形后，管材的力学性能如下：屈服强度为 455MPa，抗拉强度为590MPa，断后延伸率为33%，夏比V型缺口焊缝冲击值为96J，达到 API5CT标准中的J55钢级套管性能要求。
[0050] 经检测，本实施例套管的沟槽腐蚀敏感系数a = 1. 08。
[0051] 实施例5:
[0052] 本实施例套管用钢化学成分质量百分比为：C :0. 21 ;Si :0. 23 ;Μη :0. 92 :Ρ : 0. 008 ；S ：0. 0016 ；Cu ：0. 22 ；Ca ：0. 0010, Ni ：0. 9, Mo ：0. 37, Nb ：0. 024, V ：0. 041, Ti ：0. 014, Ce/La :0. 14,其余为Fe和不可避免的杂质。
[0053] 将电炉冶炼、炉外精炼后的钢水进行Ca处理后，连铸成板坯。连铸板坯经 1160-1280°C加热后轧成板带，板带的终轧温度大于830°C，乳后板带经加速冷却的方法冷 却至680°C以下卷取成钢卷。经拆卷、纵剪、铣边、FFX成型、HFW焊接及焊缝热处理制成 规定尺寸的有缝焊管，中频感应加热对焊缝进行在线正火热处理，感应加热温度为930°C， 加热时间为20-60s，随后对焊缝的内外毛刺进行修整，内毛刺刮槽深度和外毛刺余高均 彡0. 25mm ;采用燃气炉将HFW毛坯管加热至两相区810°C，保温1. 5-2小时，空冷至室温，生 产出本发明的耐沟槽腐蚀的80ksi钢级焊接膨胀套管。
[0054] 经检测，本实施例套管力学性能结果如下：屈服强度为575MPa，抗拉强度为 710MPa，断后延伸率为38%，夏比V型缺口焊缝冲击值为90J。
[0055] 本实施例套管经液压式膨胀10%变形后，管材的力学性能如下：屈服强度为 605MPa，抗拉强度为740MPa，断后延伸率为32%，夏比V型缺口焊缝冲击值为80J，达到 API5CT标准中的N80钢级套管性能要求。
[0056] 经检测，本实施例套管的沟槽腐蚀敏感系数α = 1. 07。
[0057] 实施例6 :
[0058] 本实施例套管用钢化学成分质量百分比为：C :0. 29 ;Si :0. 27 ;Mn :0. 83 :P : 0. 006 ；S ：0. 002 ；Cu ：0. 36 ；Ca ：0. 0018, Ni ：0. 4, Mo ：0. 48, Nb ：0. 046, Ti ：0. 023, Ce/La ： 〇. 06,其余为Fe和不可避免的杂质。
[0059] 其他同实施例5。
[0060] 经检测，本实施例套管力学性能结果如下：屈服强度为585MPa，抗拉强度为 715MPa，断后延伸率为37%，夏比V型缺口焊缝冲击值为91J。
[0061] 本实施例套管经液压式膨胀15%变形后，管材的力学性能如下：屈服强度为 610MPa，抗拉强度为745MPa，断后延伸率为31%，夏比V型缺口焊缝冲击值为78J，达到 API5CT标准中的N80钢级套管性能要求。
[0062] 经检测，本实施例套管的沟槽腐蚀敏感系数a = 1. 06。
[0063] 实施例7 :
[0064] 本实施例套管用钢化学成分质量百分比为：C :0. 23 ;Si :0. 26 ;Μη :0. 87 :Ρ : 0. 009 ；S ：0. 0017 ；Cu ：0. 22 ；Ca ：0. 0025, Ni ：0. 8, Mo ：0. 54, Nb ：0. 035, V ：0. 011,Ti ：0. 019, Ce/La :0. 05,其余为Fe和不可避免的杂质。
[0065] 其他同实施例5。
[0066] 经检测，本实施例套管力学性能结果如下：屈服强度为575MPa，抗拉强度为 710MPa，断后延伸率为38%，夏比V型缺口焊缝冲击值为89J。
[0067] 本实施例套管经液压式膨胀15%变形后，管材的力学性能如下：屈服强度为 625MPa，抗拉强度为765MPa，断后延伸率为30%，夏比V型缺口焊缝冲击值为79J，达到 API5CT标准中的N80钢级套管性能要求。
[0068] 经检测，本实施例套管的沟槽腐蚀敏感系数a = 1. 08。
[0069] 实施例8 :
[0070] 本实施例套管用钢化学成分质量百分比为：C :0. 26 ;Si :0. 21 ;Μη :0. 78 :Ρ : 0. 004 ；S ：0. 0018 ；Cu ：0. 41 ；Ca ：0. 0029, Ni ：0. 9, Mo ：0. 22, Nb ：0. 021, V ：0. 046, Ti ：0. 014, Ce/La :0. 02,其余为Fe和不可避免的杂质。
[0071] 其他同实施例5。
[0072] 经检测，本实施例套管力学性能结果如下：屈服强度为585MPa，抗拉强度为 715MPa，断后延伸率为37%，夏比V型缺口焊缝冲击值为90J。
[0073] 本实施例套管经液压式膨胀15%变形后，管材的力学性能如下：屈服强度为 635MPa，抗拉强度为770MPa，断后延伸率为30%，夏比V型缺口焊缝冲击值为80J，达到 API5CT标准中的N80钢级套管性能要求。
[0074] 经检测，本实施例套管的沟槽腐蚀敏感系数a = 1. 08。
[0075] 以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽 然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人 员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的方法及技术内容作出些许的更 动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的 技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，仍属于本发明技术方案的 范围内。
【权利要求】
1. 一种耐沟槽腐蚀膨胀管用钢，其特征在于：其化学成分的质量百分数（Wt% )组 成如下：C :0· 10-0. 30 %，Si :0· 10-0. 35 %，Μη :0· 25-1. 0 %，S〈0. 005 %，Ρ〈0· 02 %，Cu : 0. 20-0. 50%，Ca :0. 001-0. 005%，Ce/La 混合稀土 ：0. 01-0. 15%，其余为 Fe 及不可避免的 杂质。
2. 根据权利要求1所述的一种耐沟槽腐蚀膨胀管用钢，其特征在于：包括添加 Ni : 0-1. 0 %，Mo :0-0· 6%，Nb :0-0· 05%，V :0-0· 05%，Ti :0-0· 05% 中的一种或几种。
3. -种耐沟槽腐蚀焊接膨胀套管制备方法，其特征在于，包括以下步骤： (1) 冶炼及凝固：转炉或电炉炼钢获得钢水，钢水经炉外精炼后，再经过Ca处理，连铸 成板坯； (2) 控制轧制和控制冷却：板坯经1150-1280°C加热后轧成板带，板带的终轧温度大于 830°C，乳后板带经加速冷却的方法冷却至680°C以下卷取成钢卷； (3) HFW制管：钢卷经拆卷、纵剪、铣边、FFX成型、HFW焊接及焊缝热处理制成规定尺寸 的有缝焊管，并对焊缝的内外毛刺进行修整，内毛刺刮槽深度和外毛刺余高均< 〇. 25mm ; (4) 焊缝热处理：采用中频感应加热对焊缝进行在线正火热处理，感应加热温度处于 880-980°C 范围； (5) 整管热处理：采用燃气炉将HFW毛坯管加热至两相区Acl以上0-60°C范围，保温 〇. 5-3小时，然后随炉冷或空冷到室温，获得耐沟槽腐蚀焊接膨胀套管。
4. 如权利要求3所述耐沟槽腐蚀焊接膨胀套管制备方法，其特征在于，所述耐 沟槽腐蚀焊接膨胀套管化学成分的质量百分数（wt % )组成如下：C:0. 10-0.30%， Si ：0. 10-0. 35 %, Μη ：0. 25-1. 0 %, S<0. 005 %, Ρ<0. 02 %, Cu ：0. 2〇-〇. 50 %, Ca ： 0. 001-0. 005%，Ce/La混合稀土 ：0. 01-0. 15%，其余为Fe及不可避免的杂质。
【文档编号】C21D8/10GK104087834SQ201410321568
【公开日】2014年10月8日 申请日期:2014年7月5日 优先权日:2014年7月5日
【发明者】毕宗岳, 李远征, 韦奉, 张峰, 王涛, 唐俊, 何石磊, 李周波, 王军, 白鹤, 党涛, 王亮, 周新义, 鲁碧为 申请人:宝鸡石油钢管有限责任公司