一种低合金高强度抗硫油套管材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开一种低合金高强度抗硫油套管材料及其制备方法，所述低合金高强度抗硫油套管材料的成分重量百分比为：0.18％≤C≤0.22％、0.15％≤Si≤0.35％、0.4％≤Mn≤0.6％、Cr≤0.4％、0.7％≤Mo≤0.9％、0.12％≤V≤0.18％、0.01％≤Al≤0.04％、P≤0.01％、S≤0.002％，余量为Fe及不可避免的杂质。本发明专利技术通过采用优化的成分设计和独特的制备工艺，使所制备的油套管材料夹杂物有害性小、组织细小均匀并存在大量的低角度晶界，具有优良的力学性能和抗硫化物应力腐蚀性能，可广泛应用于酸性介质深井、超深井油气井的开采，市场前景广阔。

【技术实现步骤摘要】
一种低合金高强度抗硫油套管材料及其制备方法
本专利技术涉及油套管制造
，尤其涉及一种低合金高强度抗硫油套管材料及其制备方法。
技术介绍
据统计，世界上已探明的油气田中大约有1/3含有硫化氢气体，如美国的巴拿马油田、加拿大的阿尔伯达平切尔湾油田等。我国的四川、长庆、中原、华北、塔里木等油气田都含有不同程度的硫化氢气体，其中西南地区地质条件复杂，油气埋藏深，多在4000-6000m，目前已钻井最深达7175m，而且其中天然气中含H2S比例极高，80％的气田含H2S大于20mg/m3，最高可达490g/m3。油气开采与储运过程中因腐蚀导致的原油、天然气的泄露会造成环境污染，大规模的泄露还会导致产生非常严重的灾难性后果。因此，含H2S油气田需要采用抗硫化物应力腐蚀的油套管进行开采。20世纪八九十年代，日本、欧美等发达国家和地区先后开发了高强度抗硫用油套管系列，而且钢级越来越高：621MPa(90ksi)，655MPa(95ksi)，689MPa(100ksi)以及758MPa(110ksi)。T95钢级是80年代可获得的最高钢级抗硫用钢。C90和T95分别于1985年和1989年被引进APISpec5AC和APISpec5CT标准。20世纪90年代开发了钢级更高的C110钢，2011年，C110钢级被列入APISpec5CT标准。目前，110ksi钢级是市场上形成批量供货的最高钢级抗硫油套管，但是，其已经不能满足要求。因此，我国急需开发更高强度的抗硫油套管及制备技术。随着材料强度性能的提高，材料的抗硫化物应力腐蚀能力明显降低，高强度并兼有较好的抗硫化物应力腐蚀能力的油套管材料开发是目前行业的瓶颈难题。
技术实现思路
针对现有的抗硫化物应力腐蚀油套管材料不能满足油气田需求的问题，本专利技术提供一种具备优良的力学性能和耐腐蚀性能的低合金高强度抗硫油套管材料及其制备方法。为解决上述技术问题，本专利技术实施例提供的技术方案是：一种低合金高强度抗硫油套管材料，其成分重量百分比为：0.18％≤C≤0.22％、0.15％≤Si≤0.35％、0.4％≤Mn≤0.6％、Cr≤0.4％、0.7％≤Mo≤0.9％、0.12％≤V≤0.18％、0.01％≤Al≤0.04％、P≤0.01％、S≤0.002％，余量为Fe及不可避免的杂质。本专利技术的成分设计是在C-Mn钢的基础上，通过添加少量的Mo、V，选择性地加入Cr，并精细控制Cr、Mo、V的含量范围，在热处理过程中细化组织、控制碳化物的析出尺寸，保证了材料在较高的强度下具有良好的抗硫化物应力腐蚀性能。上述各成分以特定比例相互配合，不额外添加Nb、Ti、B等合金元素，制备的抗硫油套管材料可达到125ksi钢级，能同时较好地满足油套管材料对高强度和耐腐性性能的要求。化学成分主要是基于以下思想进行设计：C析出物形成元素，含碳量高可以提高强度；但是，当C含量过高时，则会与Cr、Mo、V形成大量粗化的析出物，并加重钢的偏析，造成韧性下降。因此，综合考虑C元素对强度和韧性的影响，将C含量选定为0.18％-0.22％。Si是有效的脱氧剂，其固溶于铁素体中可以提高钢的屈服强度，但添加量过大时会使热加工性能和韧性性能下降，因此，将Si含量选定为0.15％-0.35％。Mn为奥氏体形成元素，可以提高钢的淬透性，但是Mn含量过高，会显著增加钢中的组织偏析，影响热轧组织的均匀性和冲击性能。因此，将Mn的含量设计为0.40％-0.60％。Cr、Mo能显著提高钢的淬透性，也是强碳化物析出元素，在热处理回火处理时其析出物可以显著提高钢的强度，但Cr、Mo含量过高，特别是Cr元素，会生成粗大的碳化物，降低材料的抗硫化物应力腐蚀性能。因此，综合考虑本专利技术中将Cr含量设计为0-0.4％，将Mo含量设计为0.7-0.9％。V的碳氮化物在铁素体中细小弥漫析出，在回火处理中可以进一步达到析出强化的效果，可以提高钢的强度和冲击韧性，但是V价格昂贵，综合考虑将V含量设计为0.12-0.18％。本专利技术还提供了上述低合金高强度抗硫油套管材料的制备方法，包括如下步骤：取与所述低合金高强度抗硫油套管材料化学成分相同的连铸圆坯经环形炉加热、穿孔后制成毛管、毛管经轧制后得到荒管、荒管经微张力减径、步进式冷床冷却得到轧制态钢管；将所述轧制态钢管经热处理，得低合金高强度抗硫油套管材料。优选的，热处理工序包括如下步骤：将轧制态钢管加热至900-920℃并保温后，空冷，得正火态钢管；将所述正火态钢管加热至880-900℃进行淬火处理，然后加热至680-720℃进行一次回火处理，矫直后，加热至550-600℃进行二次回火处理。本专利技术中首先将轧制态钢管在900-920℃进行正火处理，细化材料的晶粒，并控制碳化物的析出量以及尺寸，为后续淬火+二次回火处理形成极细小的晶粒提供条件。通过后续的880-900℃淬火+680-720℃一次回火+550-600℃二次回火处理工艺，可得到极细的、均匀的回火索氏体组织，并获得大量的低角度晶界，优选的热处理方式还可以消除钢材料的组织应力，从而进一步提高抗硫化物应力腐蚀性能。低角度晶界作为一种氢陷阱，可以捕获钢中扩散的氢，低角度晶界含量越高，越有利于钢中氢原子分布均匀，从而避免氢原子在夹杂物或裂纹尖端聚集结合形成氢气产生氢压而导致裂纹的萌生。本专利技术中的热处理方式可以获得含量高于40％的低角度晶界，从而显著提高材料的耐腐蚀性能。优选的，热处理工序中，轧制态钢管在900-920℃的保温时间为5-8min；一次回火处理的保温时间为15-20min；二次回火处理的保温时间为15-20min。优选的保温时间，可确保组织的充分转变，进而提高钢材料的耐腐蚀性能，同时，还有利于减轻钢管的表面氧化和消除材料的残余应力。优选的，热处理工序中，淬火采用内喷外淋的方式，内喷水的流量为W.T.为管子的壁厚，单位为mm，D为管子的外径，单位为mm。优选的，外淋水的流量为1800-2200m3/h。内喷和外淋水流量根据钢管的规格进行确定，本专利技术优选的内喷和外淋的水流量有利于保证淬火的均匀性，并且淬火后钢管中的马氏体组织可达到98％以上。优选的，热处理工序中，淬火时间为0.18×W.T.1.8s，W.T.为管子的壁厚，单位为mm；淬火的水温为20-30℃。本专利技术优选的淬火时间和水温有利于保证淬火的均匀性。优选的，所述连铸圆坯是将炼钢原料经电弧炉熔炼、钢包精炼、VD真空精炼和连铸工序制成。优选的，钢包精炼工序中，精炼前30min，控制精炼渣的碱度为7-10；精炼后期，渣面加入碳化硅脱氧，控制精炼渣的碱度为4-6。精炼前30min控制精炼渣的碱度为7-10，可以高效地脱除钢水中的硫；精炼后期控制精炼渣的碱度为4-6，可有效防止精炼后期和真空脱气过程中钢渣反应生成钙铝酸盐夹杂物，钙铝酸盐夹杂物经轧制会形成B类夹杂物，降低钢的抗硫化物应力腐蚀性能。精炼过程采用独特的分阶段控制精炼渣碱度的方式本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种低合金高强度抗硫油套管材料，其特征在于，其成分重量百分比为：0.18％≤C≤0.22％、0.15％≤Si≤0.35％、0.4％≤Mn≤0.6％、Cr≤0.4％、0.7％≤Mo≤0.9％、0.12％≤V≤0.18％、0.01％≤Al≤0.04％、P≤0.01％、S≤0.002％，余量为Fe及不可避免的杂质。/n

【技术特征摘要】
1.一种低合金高强度抗硫油套管材料，其特征在于，其成分重量百分比为：0.18％≤C≤0.22％、0.15％≤Si≤0.35％、0.4％≤Mn≤0.6％、Cr≤0.4％、0.7％≤Mo≤0.9％、0.12％≤V≤0.18％、0.01％≤Al≤0.04％、P≤0.01％、S≤0.002％，余量为Fe及不可避免的杂质。


2.一种权利要求1所述的低合金高强度抗硫油套管材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
取与所述低合金高强度抗硫油套管材料化学成分相同的连铸圆坯经环形炉加热、穿孔后制成毛管、毛管经轧制后得到荒管、荒管经微张力减径、步进式冷床冷却得到轧制态钢管；将所述轧制态钢管经热处理得到低合金高强度抗硫油套管材料。


3.如权利要求2所述的低合金高强度抗硫油套管材料的制备方法，其特征在于，热处理工序包括如下步骤：将轧制态钢管加热至900-920℃并保温后，空冷，得正火态钢管；将所述正火态钢管加热至880-900℃进行淬火处理，然后加热至680-720℃进行一次回火处理，矫直后，加热至550-600℃进行二次回火处理。


4.如权利要求3所述的低合金高强度抗硫油套管材料的制备方法，其特征在于，热处理工序中，轧制态钢管在900-920℃的保温时间为5-8min；正火态钢管在880-900℃的保温时间为5-8min；一次回火处理的保温时间为15-20min；二次回火处理的保温时间为1...

【专利技术属性】
技术研发人员：邓叙燕，
申请(专利权)人：达力普石油专用管有限公司，
类型：发明
国别省市：河北;13