技术领域:
本发明涉及到一种低合金石油油管用钢及其生产方法，具体涉及一种改善疲劳性能的耐硫化氢腐蚀油管及其生产方法。
背景技术：
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在石油天然气资源开采中，油井管柱服役的条件越来越苛刻。例如大部分油气田存在着h2s、co2等气体和介质，普遍存在严重的h2s、co2等腐蚀问题，其中常见的有应力腐蚀、腐蚀疲劳等失效形式。油管管柱作为油气层与地面之间的通道，在油气田生产或压裂过程中受到内外压差(上下冲程载荷变化)、拉-拉、弯曲等多种交变载荷作用。在腐蚀介质和交变载荷共同作用工况下服役，抗疲劳性能会显著降低；并且在相同的应力损伤下，疲劳寿命相比大气环境下的疲劳寿命往往要缩短为几分之一，极易发生腐蚀疲劳断裂失效，这种低应力条件下的破坏方式具有很强的危险性和不可预测性，严重影响油田的经济效益和生产安全。因此，油管在腐蚀服役工况下的疲劳断裂研究已成为一个不容忽视的问题。
2007年4月16日公布的申请号为200710061695.4中涉及一种抗粘扣直缝焊石油油管用热轧板带钢及其生产方法，但该专利解决直缝焊石油油管粘扣问题，并未考虑油管服役过程中腐蚀性能和疲劳失效问题。2007年4月16日公布的公布号为cn1948538中涉及抗硫化氢应力腐蚀的石油钢管及其制造方法，该专利采用无缝管生产工艺生产耐腐蚀油管，未考虑油管的疲劳性能。2015年2月18日公布的专利号为cn104357756a，名称为一种抗硫化氢应力腐蚀直缝焊接石油套管及其制造方法，该专利通过成分设计采用直缝焊管的生产工艺制备耐腐蚀油管，保证了油管的抗硫化氢应力腐蚀性能，但是该专利没有记载油管在腐蚀服役工况下的疲劳断裂性能。
本发明开发的一种改善疲劳性能的耐h2s腐蚀性能油管，通过成分设计结合合理的生产方法，不仅可保证油管腐蚀性能优异，同时改善了油管的抗疲劳性能。
技术实现要素：
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本发明的目的在于提供一种改善疲劳性能的耐硫化氢腐蚀油管及其生产方法，本发明的油管产品在3.5％nacl水溶液腐蚀环境中，载荷比r＝0.1，循环周次为1×105进行疲劳试验，油管的疲劳强度σ0.1≥200mpa，适用于h2s腐蚀工况中对油管疲劳服役寿命具有一定要求的油气井。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种改善疲劳性能的耐硫化氢腐蚀油管，所述油管用热轧卷板的化学成分为c:0.12-0.25％；si：0.15-0.30％；mn：≤0.25％；p：≤0.008％；s：≤0.005％；cr：≤0.5％；mo：0.2-0.5％；nb：0.02-0.05％；v：0.08-0.25％；al：0.005-0.01％；ca：0.001-0.003％；re:0.0001-0.0002％；余量为fe和不可避免的杂质。
本发明中设计合金成分选取说明：
c：碳是主要固溶强化元素，可与多种合金形成强化相，可提高钢的强度；但该发明采用热轧卷板生产，要充分考虑焊接性能和焊缝质量，同时有利于后续热处理工艺可弥补强度不足。为实现本发明的目的，既要发挥强化作用，又不降低焊接和腐蚀等性能，因而c设计范围为0.12％-0.25％。
si：硅主要起脱氧作用，含量多时易形成硅氧夹杂物等，对疲劳和抗腐蚀性能不利，故含量越低越好，将其限定在0.15-0.30％。
mn：锰可显著提高钢的淬透性，提高钢的强度。但当含量多时容易形成带状组织，降低钢的抗h2s腐蚀性能。为达到发明的目的，设计范围为≤0.25％。
p、s：硫、磷含量越低对钢的抗腐蚀越有利，因此，限定p：≤0.008，s：≤0.005，以保证钢实现抗h2s腐蚀性能指标。
cr：铬提高淬透性，改善钢的强韧性。因此控制铬含量≤0.5％。
mo：钼提高钢的淬透性和回火稳定性，细化晶粒和提高抗腐蚀性作用明显，特别是钢的局部腐蚀性能。钼还是强碳化物形成元素，其弥散的mo2c是氢的强陷阱，可提高钢的硫化氢应力腐蚀性能。因此，本发明将其含量控制在0.2-0.5％之间。
nb：加入铌能够形成c、n化合物，细化晶粒，提高钢的淬透性、强韧性；但价格高，添加过多增加成本，因而本发明控制其含量在0.02-0.05％。
v：钒与铌相似，加入可提高管坯的耐腐蚀性能，特别是局部腐蚀性能，同时细化晶粒，提高材料的淬透性。本发明中将其含量控制在0.08-0.25％。
al铝能够在腐蚀中形成氧化铝保护膜，还可提高钢表面的膜稳定性和抗腐蚀性能。但铝的氧化物夹杂位置易形成腐蚀裂纹，降低疲劳性能。因而将其含量控制在al：0.005-0.01％。
ca：钙可与硫形成硫化物，改善硫化物夹杂的形态，对提高钢的抗硫化物应力腐蚀性能非常有利。为达到发明的目的，ca含量设计范围为0.001-0.003％。
稀土re：加入稀土元素能改善非金属夹杂物形态、强化晶界等作用，提高钢的抗应力腐蚀性能和改善钢的疲劳性能。为达到发明目的控制稀土re含量为0.0001-0.0002％。
该发明产品相应生产方法，其工艺流程如下：
(1)将原料铁水和废钢经过冶炼、炉外精炼、真空脱气、连铸成坯、热机械轧制和冷却后制成优质卷板；随后将卷板纵剪、铣边，经ffx弯曲成型和hfw焊接制成直缝焊管；焊后及时修整内外焊缝毛刺，内外毛刺余高均≤0.15mm，使焊道与管体内外表面齐平、光滑，壁厚不均度≤5％，外径不圆度≤0.5％；
(2)采用中频感应以20℃-50℃/s加热，将hfw焊管管坯快速加热至管材的奥氏体化温度980℃-1050℃，然后进入热张力减径机轧辊机组，减径至所需规格的油管管坯；
(3)热张力减径后利用余热在线淬火，控制油管管坯进入水箱前的温度≥880℃，采用在线喷淋水箱对管坯进行内喷外淋，喷水速度为300～800立方米/小时；内喷外淋时间为10s，最终使管坯冷却至室温；
(4)将利用余热在线淬火冷却到室温的管坯，利用在线高频感应加热炉，以50℃/s～100℃/s加热速度将管坯外表面加热至ac3温度以上30℃～80℃，形成0.5mm～1.5mm厚度的细晶层；接着通过在线喷淋水箱将外表面细晶层快速淬火，冷却至室温；
(5)在线高频表面淬火后对管坯进行全管体回火处理，将管坯机械性能调整至所要求的范围，回火温度为570℃～650℃，回火时间为60～90min；
(6)用回火后余温运送进入热矫直机进行矫直，温度控制为300℃-450℃；进矫直机的入口温度≥450℃；
(7)全管体无损探伤合格后进行管端车丝、接箍拧接、静水压试验、内表面喷砂清洁、内表面底漆和面漆喷涂、涂层固化、上保护环、喷标和涂漆制成成品油管。
本发明油管内表面的涂层为100-150μm厚度的环氧树脂涂层。
本发明的有益效果：
(1)本发明的石油油管屈服强度为655～758mpa，抗拉强度为≥724mpa，屈强比≤0.87，延伸率≥22％，硬度化变量≤3hrc，达到了api5ct标准中t95钢级的力学性能要求。
(2)本发明降低碳含量，添加mo、nb、v等主要细化晶粒尺寸和净化钢质的ca、稀土re等元素，管体的洁净度高、晶粒细小，强韧性匹配好。
(3)本发明通过热张力减后的余热在线淬火和在线高频表面淬火结合，使管坯外表面形成0.5mm～1.5mm厚度的细晶层，细晶层的晶粒度达到12级及以上，且硬度小于25.4hrc，细晶层有助于本发明油管管材的抗疲劳性能，其它晶粒度达到10级以上。
(4)本产品抗h2s腐蚀性能按nace0177-2005标准采用a法在a溶液中加载90％名义屈服强度载荷下试样经过720小时不开裂，可以用于含硫化氢气体的油气井开采。
(5)本发明的油管在空气中，载荷比r＝-1，循环周次设定为1×107进行疲劳试验，石油油管管材的疲劳强度σ-1≥400mpa。
(6)本发明的油管在3.5％nacl水溶液腐蚀环境中，载荷比r＝0.1，循环周次设定为1×105进行疲劳试验，石油油管管材的疲劳强度σ0.1≥200mpa，可以用于在硫化氢腐蚀中对油管疲劳性能具有较高要求的油气管柱中。
具体实施方式:
结合实施实例对本发明进一步进行说明，其实施例见下表1-表3。可以看出：采用本发明所述的化学成分和工艺，生产的一种改善疲劳性能的耐硫化氢腐蚀油管及生产方法的强韧性能优异，腐蚀和疲劳性能良好，完全能满足api5ct标准中t95钢级石油油管的使用性能要求。
1)实测冶炼的化学成分
表1试验钢的熔炼化学成分
2)力学性能、抗硫化氢应力腐蚀性能
表2本发明油管的力学性能及腐蚀性能
3)常规疲劳及环境腐蚀疲劳性能
表3本发明油管的疲劳性能
注：a环境——空气环境；b环境——3.5％nacl水溶液。