一种高强度抗腐蚀油套管钢材及其制备工艺制造技术

本发明专利技术公开了一种高强度抗腐蚀油套管钢材及其制备工艺，高强度抗腐蚀油套管钢材包括如下组分：锰元素，镍元素，钼元素，铬元素，碳元素，硅元素，磷元素，硫元素，硼元素，铌元素，钛元素，锆元素，铈元素，其余为铁元素和不可避免的杂质；本发明专利技术高强度抗腐蚀油套管钢材添加了铌、钛、锆、铈等金属元素与碳、氮、硼等非金属元素，在钢材表面形成碳化物、氮化物与硼化物，紧密附着在钢材表面上，起到优异的防腐作用；同时，钛/铌防腐体系对镍、铬、锰和钼钢的防腐起到协同作用，而且钛、铌、锆或硼的微量元素即可起到较优异的防腐作用。

A High Strength Corrosion Resistant Oil Casing Steel and Its Preparation Technology

【技术实现步骤摘要】
一种高强度抗腐蚀油套管钢材及其制备工艺
本专利技术涉及钢材
，具体为一种高强度抗腐蚀油套管钢材及其制备工艺。
技术介绍
随着世界石油天然气工业的发展，石油开采向着超深、超高温、超高压方向发展；向着开发海洋油气田、页岩气的方向发展；向着高含水、二氧化碳驱项目发展。诸如高温、高压CO2油气田；高含H2S油气区；CO2+H2S+Cl-共存的油气井等恶劣环境油气田的开发，油井开采的条件越来越趋苛刻，油井中如CO2等腐蚀性气体的含量逐渐上升，含水量也在逐渐增加。所有这些都会使得石油钻采设备承受高Cl-、CO2和H2S等总矿化度的腐蚀，已成为一个不容忽视的重大问题。油气田井开采中使用的油管、油井套管等设备，长期经受各类酸、碱、盐、氯离子、硫化物等强腐蚀性介质的侵蚀，以及砂粒、尘土等物料的磨粒磨损，使之损耗巨大，造成开采成本过高，资源、能源消耗量大，不利于低碳绿色经济的发展。尽快解决油气井使用的油管、油井套管等严重腐蚀与问题，提高其使用寿命，已经成为石油开采领域亟待解决的瓶颈问题之一。中国专利CN107587053A公开了一种高强度油井套管及其制备方法，所述油井管化学成分质量百分比为：铌1.2-1.7％，碳0.6-1.4％，钒0.07-0.11％，锰0.14-0.28％，镍1.6-3.0％，铜1.1-2.0％，硅0.5-0.8％，其余为铁。采用合理的化学组成以及科学的制备工艺，使得钢材获得超高强度，但是制备的油井套管的耐腐蚀性较差。中国专利CN105925911A公开了一种用于石油套管的钢材，按照质量百分比由以下成份组成：C0.8％～1.0％，Cr0.05％～0.1％，Mo0.1％～0.2％，Mn0.3％～0.4％，Al0.3％～0.5％，B0.05％～0.1％，Cu0.1％～0.2％，N0.01％～0.03％,S≤0.02％，P≤0.03％，微量元素之和≤1％，余量为Fe。在保证低成本的情况下，保证高强度、高硬度，同时能有效保证高耐酸碱性腐蚀的效果，然而，强度和耐腐蚀性还可以进一步提高。中国专利CN105950976A公开了一种综合性能优异的石油套管用钢材制备方法，包括：步骤一、将生铁投入炉中熔化作为铁基质，经过脱硫、脱氧、脱磷处理；步骤二、将Mo、Mn、Al、Cu、N加入到铁基质中混合均匀后，加热至熔融状态，保持1～2h后，再加入B、Cr、C，混合均匀，在800～1100℃条件下保温1～2h，然后以20～25℃/min的升温速度增加到1200～1250℃，保温至少2h，再在800～850℃条件下恒温浇铸；步骤三、浇铸完成后降温，然后快速冷却；步骤四，冷却后保温，最后经过淬火、回火后制成成品。但是，钢材中不含有铌、钛元素，耐腐蚀性一般。中国专利CN104561815B公开了一种高均质大规格超高强度钢棒，其化学成分质量百分比为：C0.25-0.40，Mn0.50-1.50，Si1.20-2.50，Cr0.80-1.20，Ni4.50-6.50，Mo0.40-1.00，V≤0.35，Nb≤0.20，S≤0.005％，P≤0.01％，O≤20PPm，N≤25PPm，余为Fe。同时还提供了该钢棒的生产方法，其锻造工艺包括钢锭加热、一次镦粗拔长、二次镦粗拔长、三次镦粗拔长和拔长。但是，铌元素含量较低，对耐腐蚀性的提高不明显。
技术实现思路
本专利技术针对以上不足，提供一种可在开采高温、高腐蚀石油深井中使用的高强度抗腐蚀的油套管钢材及其制备工艺的问题。为了实现以上目的，本专利技术通过以下技术方案予以实现：一种高强度抗腐蚀油套管钢材，高强度抗腐蚀油套管钢材包括如下质量百分比的组分：锰元素1.10％～2.50％，镍元素2.50％～6.50％，钼元素2.50％～4.50％，铬元素10.00％～13.50％，碳元素0.02％～0.08％，硅元素0.10％～0.50％，磷元素≤0.08％，硫元素≤0.005％，硼元素0.0003％～0.005％，铌元素0.10％～0.50％，钛元素0.10％～0.18％，锆元素0.50％～0.75％，铈元素0.002％～0.007％，其余为铁元素和不可避免的杂质。上述在高强度耐腐蚀油套管钢材中，添加10.00％～13.50％的铬元素，在氧化性介质作用下，钢材表面能生成厚度约为10nm的致密氧化膜，紧密附着在钢材表面上，大大提高了钢材的耐蚀性，而且，铬元素能够提高钢材的电极电位，减少微电池数目，有效提高钢材的耐蚀性，高铬含量的钢材不但耐腐蚀性好，而且硬度较高，耐热性与耐磨性均较好。向高强度抗腐蚀油套管钢材中加入0.10％～0.50％的铌元素，铌元素与铁元素之间具有较大的原子错配度，使铌较难溶于固溶体中，铌元素的电正性有利于铌与钢中的碳元素和氮元素形成碳化铌或氮化铌，从而在合金中形成初晶相或二次晶相，另外，碳元素和氮元素也能结合形成一次或二次铌的碳、氮化合物。向高强度抗腐蚀油套管钢材中加入0.08％～0.18％的钛元素，钛元素和氧元素有很大的亲和力，使得钢材表面能够生成一层致密的、附着力强的氧化膜，保护了钢材表面不容易被腐蚀，由于钛是具有优异钝化性的金属，且在315℃以下均能保持氧化膜具有钝化的特性，有些机械磨损也会很快自愈或重新再生。向高强度抗腐蚀油套管钢材中加入0.50％～0.75％的锆元素，锆元素与钢中的碳元素、氮元素形成碳化物、氮化物，合金元素之间或合金元素与铁元素之间形成各种金属间化合物，促进了碳化物的生成，显著提高了钢材的耐蚀性以及力学性能。向高强度抗腐蚀油套管钢材中加入0.0003％～0.005％的硼元素，微量硼元素能显著提高该钢材的淬透性，提高耐高温性、高强度和蠕变性能，提高该钢材的使用寿命；硼元素能够对含镍、铬、锰、钼钢的加工起到辅助的作用，有助于改善钢材的热加工性能；同时，微量硼元素可以细化共晶的碳化铌、碳化锆，改善它们的形态和分布，提高钢材的力学性能和耐磨性，使基体淬透性增加，硬度和韧性得以提高，高强度抗腐蚀油套管钢材中形成的钛/铌体系对镍、铬、锰、钼钢起到协同防腐的作用，同时，金属形成的硼化物起相互叠加共同作用，使该钢材具有优异的高强度、防腐性能，可用于环境复杂严峻的油气井作业中。进一步的，高强度抗腐蚀油套管钢材还包括质量百分比≤0.25％的氮元素。在高强度抗腐蚀油套管钢材中加入氮元素，由于氮是强烈的奥氏体形成元素，因此与镍元素一起共同作用稳定奥氏体效果更好。而且氮或碳元素能在钢中与铝、钛、铌等元素，单独或协同形成细小分布的Al-N、Ti-N、Nb-N等体系，提高钢材的硬度、强度、低温冲击韧性等综合性能，改善钢材的焊接性能，增加时效敏感性，在高强度抗腐蚀油套管钢材中还能改善其热加工性能。在海水环境中，由于在复杂的奥氏体钢中借助氮化物的弥散析出，在这些体系中，惰性化合物使氧还原的过电位升高，抑制了阴极反应的进行，同时，这些体系产生的腐蚀产物结构致密，可以对表层起到较好的保护作用，降低或减轻点蚀的影响，提高钢材的防腐蚀性能。再进一步的，高强度抗腐蚀油套管钢材还包括质量百分比≤0.80％的铜元素。在高强度抗腐蚀油套管钢材中加入铜元素。铜元素与磷元素形成的铜-磷化合物具有优异的耐酸碱、耐海水腐蚀的性能；铜元素与镍元素形成的铜-镍化合物具有优异的耐冲击、耐腐蚀性能；铜元素与钛元素形成的铜本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高强度抗腐蚀油套管钢材，其特征在于，所述高强度抗腐蚀油套管钢材包括如下质量百分比的组分：锰元素1.10％～2.50％，镍元素2.50％～6.50％，钼元素2.50％～4.50％，铬元素10.00％～13.50％，碳元素0.02％～0.08％，硅元素0.10％～0.50％，磷元素≤0.08％，硫元素≤0.005％，硼元素0.0003％～0.005％，铌元素0.10％～0.50％，钛元素0.10％～0.18％，锆元素0.50％～0.75％，铈元素0.002％～0.007％，其余为铁元素和不可避免的杂质。

【技术特征摘要】
1.一种高强度抗腐蚀油套管钢材，其特征在于，所述高强度抗腐蚀油套管钢材包括如下质量百分比的组分：锰元素1.10％～2.50％，镍元素2.50％～6.50％，钼元素2.50％～4.50％，铬元素10.00％～13.50％，碳元素0.02％～0.08％，硅元素0.10％～0.50％，磷元素≤0.08％，硫元素≤0.005％，硼元素0.0003％～0.005％，铌元素0.10％～0.50％，钛元素0.10％～0.18％，锆元素0.50％～0.75％，铈元素0.002％～0.007％，其余为铁元素和不可避免的杂质。2.根据权利要求1所述的高强度抗腐蚀油套管钢材，其特征在于，所述高强度抗腐蚀油套管钢材还包括质量百分比≤0.25％的氮元素。3.根据权利要求1所述的高强度抗腐蚀油套管钢材，其特征在于，所述高强度抗腐蚀油套管钢材还包括质量百分比≤0.80％的铜元素。4.根据权利要求1所述的高强度抗腐蚀油套管钢材，其特征在于，所述高强度抗腐蚀油套管钢材还包括质量百分比≤0.10％的镁元素。5.根据权利要求1所述的高强度抗腐蚀油套管钢材，其特征在于，所述高强度抗腐蚀油套管钢材包括如下质量百分比的组分：锰元素1.80％，镍元素5.50％，钼元素3.50％，铬元素13.00％，碳元素0.05％，硅元素0.10％，磷元素0.05％，硫元素0.005％，硼元素0.004％，...

【专利技术属性】
技术研发人员：李永安，杨乃加，高光亮，何力沙，胡孙达，
申请(专利权)人：浙江睿智钢业有限公司，
类型：发明
国别省市：浙江,33