一种耐高温氧腐蚀不锈钢、套管及其制造方法技术

本发明专利技术公开了一种耐高温氧腐蚀不锈钢，其化学元素质量百分比为：C：0.04～0.10％、Si：0.1～0.5％、Mn：0.20～1.0％、Cr：11.0～14.0％、Ni：2.0～5.0％、N≤0.02％、W：0.2～1.0％、V：0.03～0.1％、Al：0.01～0.04％，余量为Fe和其他不可避免的杂质；所述耐高温氧腐蚀不锈钢具有单一的回火马氏体组织，所述耐高温氧腐蚀不锈钢的表面具有钝化膜，所述钝化膜内含有Cr和Ni素。本发明专利技术还公开一种耐高温氧腐蚀不锈钢套管。该耐高温氧腐蚀不锈钢套管的屈服强度为90～110ksi钢级，其冲击韧性≥80J，且其耐受500℃以上环境下的O2和CO2共存的腐蚀。

A Stainless Steel and Casing Resistant to High Temperature Oxygen Corrosion and Its Manufacturing Method

The present invention discloses a high temperature oxygen corrosion resistant stainless steel, whose chemical element mass percentages are: C:0.04-0.10%, Si:0.1-0.5%, Mn:0.20-1.0%, Cr:11.0-14.0%, Ni:2.0-5.0%, N<0.02%, W:0.2-1.0%, V:0.03-0.1%, Al:0.01-0.04%, and other unavoidable impurities. There is a single tempered martensite structure, and the surface of the high temperature oxygen corrosion resistant stainless steel has a passivation film containing Cr and Ni elements. The invention also discloses a stainless steel bushing resistant to high temperature oxygen corrosion. The yield strength of the high temperature oxygen corrosion resistant stainless steel casing is 90-110 Ksi steel grade, its impact toughness is more than 80J, and it is resistant to the coexistence of CO2 and CO2 in the environment above 500 C.

【技术实现步骤摘要】
一种耐高温氧腐蚀不锈钢、套管及其制造方法
本专利技术涉及一种不锈钢、套管及其制造方法，尤其涉及一种耐高温不锈钢、套管及其制造方法。
技术介绍
稠油是一种比较粘稠的石油。因其粘度高、密度大、流动阻力大等特点，从油层流入井筒，或从井筒举升到地面都很困难。对于油层中的稠油采取热力开采法，为提高采收率，近年来发展起来一种火烧油层的技术，其原理是向井下注入空气、氧气或富氧气体，依靠自燃或利用井下点火装置点火燃烧，使其与油藏中的有机燃料(原油)反应，借助生成的热开采未燃烧的稠油。这一技术的应用对井下管件提出了很高的要求，其中包括油套管要承受在高温氧气、CO2等环境下的腐蚀，套管管柱在高温条件下的强度要能够满足固井的要求等。一般火驱工艺中，油管可以采用隔热油管的方式来解决，然而存在套管使用周期长且无法替换，对产品的要求更高的问题。因此，如何解决高温的氧气和CO2共存环境下的腐蚀问题是本领域内所要解决的主要技术难点。在锅炉、石化和核电领域通常采用奥氏体不锈钢或者镍基合金来解决氧化腐蚀的问题，但对于石油开采领域来说，这种方案的经济性是油田无法接受的。公开号为CN101655002，公开日为2010年2月24日，名称为“火烧驱油法开采稠油用油层段石油套管及其生产方法”的中国专利文献公开了一种火烧驱油法开采稠油用油层段石油套管及其生产方法。在该专利文献所公开的技术方案中的套管具有良好的耐持久和蠕变等高温性能，但耐腐蚀性能仅能满足150℃条件下的单一CO2环境下的需要，却不能满足高温条件下CO2和O2共存环境下的耐腐蚀要求。公开号为CN101871080A，公开日为2010年10月27日，名称为“稠油热采井用套管及生产方法”的中国专利文献公开了一种稠油热采井用套管及制造方法及生产方法，其油热采井用套管的成分以质量％计，具体有：C：0.25～0.29，Si：0.17～0.32，Mn：0.90～1.00，P≤0.015，S≤0.003，Cu≤0.10，Mo：0.35～0.40，Cr：0.95～1.05，V：≤0.05、Ni≤0.20，0.015≤Al≤0.040，0.010≤Ti≤0.025，0.0005≤B≤0.0012，余量为Fe及不可避免的杂质。在该专利文献所公开的技术方案中，套管为低合金钢，只在350℃条件下机械性能满足热采井的使用要求，但耐腐蚀性能和更高温条件下的机械性能不能够满足火驱开采的技术要求。公开号为CN101748330A，公开日为2010年6月23日，名称为“一种耐热套管用钢及其制造方法”的中国专利文献公开而一种耐热套管用钢，其质量百分比为：C：0.2-0.30％，Si：0.10-0.3％，Mn：0.4-1.0％，Cr：0.5-1.5％，W：0.1-0.5％，其它为Fe和不可避免的杂质。然而，该专利文献所公开的及技术方案中，其强度可以满足350℃蒸汽驱用稠油开采对套管强度的要求，但无法满足500℃火驱对耐腐蚀性能和机械性能的要求。
技术实现思路
本专利技术的目的之一在于提供一种耐高温氧腐蚀不锈钢，该耐高温氧腐蚀不锈钢满足500℃以上有CO2和O2的环境下机械性能和腐蚀性能要求。为了实现上述目的，本专利技术提出了一种耐高温氧腐蚀不锈钢，其化学元素质量百分比为：C：0.04～0.10％、Si：0.1～0.5％、Mn：0.20～1.0％、Cr：11.0～14.0％、Ni：2.0～5.0％、N≤0.02％、W：0.2～1.0％、V：0.03～0.1％、Al：0.01～0.04％，余量为Fe和其他不可避免的杂质；所述耐高温氧腐蚀不锈钢具有单一的回火马氏体组织，所述耐高温氧腐蚀不锈钢的表面具有钝化膜，所述钝化膜内含有Cr和Ni素。在500℃以上有CO2和O2的环境中，钢铁产品表面腐蚀产物膜极易破坏，腐蚀速率大。此外，由于本案的技术方案应用于500℃以上的高温环境，对高温强度等提出了较高的要求，根据管柱的抗挤毁性能要求，管材在500℃时的屈服强度还要达到450MPa才能够满足要求。为达到上述目的，本案专利技术人对马氏体不锈钢合金元素对组织特别是在500℃存在CO2和O2环境下的耐腐蚀性能影响规律进行了大量的研究，发现马氏体不锈钢中Cr含量高，是极易形成铁素体的钢种，在油井管中应用的马氏体不锈钢的使用状态为调质态，即基体是回火马氏体组织。铁素体中富Cr，会使得铁素体和基体的回火马氏体在相界上出现Cr元素含量的差异，在有氧气、CO2等环境下，该处Cr含量成分的差异使得高温腐蚀的萌生加速。另外，Ni的存在会使得在500℃以下O2和CO2共存条件中不锈钢的钝化膜致密，因此，添加Ni对抑制高温O2和CO2腐蚀非常优益。另外，在热变形结束后通过控制冷却速率可以使得热变形过程所形成的晶格畸变的能量保留，并在快速的冷却过程中细化晶粒。在热处理淬火过程中通过控制冷却速率，可以减少冷却过程中的铁素体析出，使得组织可以进一步的细化且性能的可控性提高。因此，本案通过合理的成分设计配合相应的变形和热处理工序的控制冷却工艺获得单一的回火马氏体组织，组织中铁素体的含量少于0.5％，并且在热处理过程中在高温和水环境共同作用下套管表面会形成一层钝化膜，通过在热加工和淬火过程的控制冷却，获得高强度高韧性的不锈钢产品。根据上述设计原理，对本案所述的耐高温氧腐蚀不锈钢的各化学元素成分设计如下：C：C在马氏体不锈钢钢种作为奥氏体形成元素，通过提高C含量可以增加不锈钢在高温下奥氏体化的百分数继而获得室温条件下的马氏体，提高强度。但C的质量百分比过高时，会使得不锈钢的耐腐蚀性能下降，同时韧性降低。为了确保所希望的强度，在本专利技术所述的耐高温氧腐蚀不锈钢中，控制C的质量百分比在0.04-0.1％。Si：Si是炼钢过程中重要的脱氧剂，但Si在Cr含量较高的不锈钢中有促进σ相和铁素体相形成的风险，σ相和铁素体相对于不锈钢的韧性和耐腐蚀性能都有不利的影响。因此，在本专利技术所述的耐高温氧腐蚀不锈钢中限定Si的质量百分比在0.1～0.5％。Mn：Mn可以提高不锈钢的强度，在本专利技术所述的技术方案中，为了保证用作油套管的耐高温氧腐蚀不锈钢具有所需的强度，Mn添加0.2％以上。但当Mn的质量百分比超过1.0％时，则钢的韧性下降。因此，在本专利技术所述的耐高温氧腐蚀不锈钢中将Mn的质量百分比限定在0.2～1.0％的范围内，优选地，控制Mn的质量百分比在0.2～0.5％。Cr：Cr是不锈钢中提高耐蚀性能的重要元素，Cr的添加使得不锈钢的表面即使在空气中也能迅速形成耐腐蚀的钝化膜，从而提高了套管的耐高温环境下的CO2腐蚀性能。为了获得具有500℃以上的耐CO2腐蚀性能，本专利技术所述的耐高温氧腐蚀不锈钢中Cr的添加量要达到11.0％以上。另一方面，Cr元素的添加超过14.0％会增加铁素体析出的风险，对产品的热加工性能和耐腐蚀性能都有不利影响。因此，在本专利技术所述的耐高温氧腐蚀不锈钢中，限定Cr的质量百分比在11.0～14.0％范围内，优选地，控制Cr的质量百分比在11.5～13.5％。Ni：Ni是扩大奥氏体区的元素，同时具有提高不锈钢的耐腐蚀性能和韧性的作用，特别是在500℃的高温条件下，能够使得钝化膜中提高NiO的比例，对提高钝化膜的致密性具有益处，从而提高在高温条件下抗腐蚀能力。为获得该效果Ni的含量要大本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种耐高温氧腐蚀不锈钢，其特征在于，其化学元素质量百分比为：C：0.04～0.10％、Si：0.1～0.5％、Mn：0.20～1.0％、Cr：11.0～14.0％、Ni：2.0～5.0％、N≤0.02％、W：0.2～1.0％、V：0.03～0.1％、Al：0.01～0.04％，余量为Fe和其他不可避免的杂质；所述耐高温氧腐蚀不锈钢具有单一的回火马氏体组织，所述耐高温氧腐蚀不锈钢的表面具有钝化膜，所述钝化膜内含有Cr和Ni素。

【技术特征摘要】
1.一种耐高温氧腐蚀不锈钢，其特征在于，其化学元素质量百分比为：C：0.04～0.10％、Si：0.1～0.5％、Mn：0.20～1.0％、Cr：11.0～14.0％、Ni：2.0～5.0％、N≤0.02％、W：0.2～1.0％、V：0.03～0.1％、Al：0.01～0.04％，余量为Fe和其他不可避免的杂质；所述耐高温氧腐蚀不锈钢具有单一的回火马氏体组织，所述耐高温氧腐蚀不锈钢的表面具有钝化膜，所述钝化膜内含有Cr和Ni素。2.如权利要求1所述的耐高温氧腐蚀不锈钢，其特征在于，所述钝化膜内Cr元素的含量为15～25wt％，以及/或者所述钝化膜内Ni元素的含量为3～8wt％。3.如权利要求1所述的耐高温氧腐蚀不锈钢，其特征在于，各相关元素还满足下述公式：(Cr+1/2W):(Ni+5C)≤5，其中Cr、W、Ni、C为各元素的质量百分比。4.一种耐高温氧腐蚀不锈钢套管，其采用如权利要求1-3中任意一项所述的耐高温氧腐蚀不锈钢制得。5.如权利要求4所述的耐高温氧腐蚀不锈钢套管，其特征在于，其屈服强度为90～110ksi钢级，其冲击韧性≥80J，且其耐受500℃以上环境下的O2和CO2共存的腐蚀。6.如权利要求4或5所述的耐高温氧腐蚀不锈钢套管的制造方法，其特征...

【专利技术属性】
技术研发人员：张春霞，齐亚猛，张忠铧，蔡海燕，
申请(专利权)人：宝山钢铁股份有限公司，
类型：发明
国别省市：上海,31