高CR系不锈钢无缝油井管及其生产方法.pdf

高Cr系不锈钢无缝油井管及其生产方法，涉及一种开采石油或天然气的油井管。用于该油井管的钢种成分为：C 0.02－0.25，Si 0.3－1.0，Mn 0.25－1.0，Cr 12.0－14.0，S＜0.010，P＜0.015，Ni 3.0－6.0，Cu≤0.25，Al 0.02－0.04，Ti0.01－0.06，Nb 0.01－0.04，V≤0.06，其余成分为Fe。该油井管的制造方法是，含上述成分的钢水经脱碳精练，制成钢坯；经芯棒轧机热轧成无缝钢管；轧制成无缝钢管后，需要采用淬火+高温回火的热处理工艺，以保证钢管的强度和韧性。经该方法制造的油井管，一个显著特点是强度高、韧性好、抗腐蚀能力，尤其是抗CO2腐蚀能力强，可以满足含CO2腐蚀气体的油井或天然气井使用。

1、  一种高Cr系不锈钢无缝油井管，其特征在于，用于该油井管的钢种成分为：C 0.02-0.25，Si 0.3-1.0，Mn 0.25-1.0，Cr 12.0-14.0，S＜0.010，P＜0.015，Ni 3.0-6.0，Mo 1.0-2.0，Cu≤0.25，Al 0.02-0.04，Ti 0.01-0.06，Nb 0.01-0.04，V≤0.06，其余成分为Fe，单位为质量百分比。

2、  如权利要求1所述高Cr系不锈钢无缝油井管的生产方法，其特征在于，a、精炼：将钢水经脱碳精练，制成钢坯；其中钢水的成分为C 0.02-0.25，Si 0.3-1.0，Mn 0.25-1.0，Cr 12.0-14.0，S＜0.010，P＜0.015，Ni 3.0-6.0，Mo1.0-2.0，Cu≤0.25，Al 0.02-0.04，Ti 0.01-0.06，Nb 0.01-0.04，V≤0.06，其余成分为Fe，单位为质量百分比；b、轧管：将上述钢坯经芯棒轧机热轧成无缝钢管，轧制时，轧制顶头采用的材料为：C 0.30，Si 0.30，Mn 0.40，Cr0.40，Ni 1.00，Nb 0.45，Mo 1.20，W 5.00，Co 1.20，其余成分为Fe，单位为质量百分比。

3、  如权利要求2所述高Cr系不锈钢无缝油井管的生产方法，其特征在于，轧制时，采用防滑剂，以克服穿孔轧辊与被轧制材料间因滑动而发生的啃咬现象；防滑剂的组成为：碳化硅固体粒子、氧化铝固体粒子、氧化硅固体粒子中的一种或几种；固体粒子的直径100-1000μm。

4、  如权利要求2所述高Cr系不锈钢无缝油井管的生产方法，其特征在于，在轧管后，再进行热处理：采用淬火+高温回火的热处理工艺，淬火介质为水，淬火温度为900℃-1100℃，保温40-80分钟；回火温度在500℃-750℃，保温时间30-60分钟；淬火后，钢管全截面获得98％以上的马氏体组织；高温回火后，形成细小、均匀的回火索氏体组织，晶粒度8级或者更细小。

高Cr系不锈钢无缝油井管及其生产方法
技术领域
本发明涉及一种开采石油或天然气的油井管，特别是一种Cr含量12％-14％的不锈钢油井管及其制造方法。该油井管具有较好的强韧性指标和较强的抗CO₂腐蚀能力，可以满足含CO₂腐蚀气体的油井或天然气井使用。
背景技术
石油和天然气是人类的重要能源，在有些油气田，石油和天然气中还伴随有大量的CO₂气体。潮湿的CO₂气体对油井管具有很强的腐蚀性，很容易造成油井管失效进而引发一系列恶性事故，这种情况下，普通的油井管无法满足使用要求。为此，对于含有CO₂气体的天然气井，API推荐了L80 9Cr和L80 13Cr两种产品，这两种产品含Cr量高，抗CO₂腐蚀性能好。但是，其最大的问题是材料强度不高，不能满足深井、超深井中含CO₂的工况使用。
中国专利公开号为CN 1509340A，公开日为2004年6月21日，发明专利名称为：高Cr系无缝钢管的制造方法，给出了具有较高含Cr量的无缝钢管的制造方法。该专利自述为：一种高Cr系无缝钢管的制造方法，其特征在于：以质量％计，将Cr含量设定在10％-20％、杂质S及P的含量分别设定在0.050％以下，此外，含有C、Mn、Ni、N、Cu、Si、Mo、Ti、Nb及V中的1种或2种以上，以1100℃以上均热的时间总和为∑t1(小时)的铸坯或钢坯作为制管用坯料，在以1100℃以上均热的时间总和作为∑t2(小时)，对上述坯料均热后，在加热到1200℃制管时，满足下式(b)地进行均热/或加热。
f＝{20×C+0.3×Mn+1.2×Ni+25×N+Cu-9×Si-0.8×Cr-2×Mo
   -10×Ti-6×Nb-15×V}-45×(S+P/10)                     (a)
F = f + 0.6 × { 1 - 1 Σ e t 1 } + 0.8 × { 1 - 1 Σ e t 2 } > - 9.7 - - - ( b ) ]]>
其中，式中的元素符号表示各成分元素的含量(质量％)。
该专利通过严格控制管子坯料加热温度的方法，改善管子的内表面质量。但是，仅仅控制加热温度的方法，难以达到较好的效果。同时，该专利将S、P含量控制在0.050％以下，虽然降低了成本，材料的韧性却会显著降低。
发明内容
本发明的目的是提供一种强度高、韧性好的高Cr系不锈钢无缝油井管及其生产方法，以克服现有技术的不足，满足含CO₂腐蚀气体的油井或天然气井的使用要求。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案。
1)改善套管钢种的化学成分，使所述套管钢种的化学成分除Fe外，其它成分(单位为质量百分比)为：C 0.02-0.25，Si 0.3-1.0，Mn 0.25-1.0，Cr12.0-14.0，S＜0.010，P＜0.015，Ni 3.0-6.0，Mo 1.0-2.0，Cu≤0.25，Al 0.02-0.04，Ti 0.01-0.06，Nb 0.01-0.04，V≤0.06。
其中，C有利于提高钢的强度，但容易与Cr形成碳化物Cr₂₃C₆，降低钢的耐腐蚀性，降低钢的低温韧性。因此，需要控制其含量，控制在0.02％-0.25％。
Si、Mn有利于钢的脱氧和提高钢的淬透性，但如果这两种元素含量过多，则会降低钢的韧性。所以，将Si控制在0.3-1.0％，Mn控制在0.25-1.0％。
Cr是提高钢耐CO₂腐蚀能力的必要成分，含量低则耐腐蚀性能差，含量高则成本显著提高，同时热加工性能也会变差。因此，将Cr控制在12-14％之间。
P、S是钢中不可避免的杂质元素，属于有害元素。这两种元素会降低铁素体/γ晶界的强度，显著降低热加工性。因此，将P含量控制在0.015％以下，将S含量控制在0.010％以下。
Mo元素在调质或正火钢管的热处理中能生成碳化物，易于除掉固溶碳，还能防止有害元素Si、P的晶间偏析。应控制在1.0％-2.0％之间。
Ni、Cu为奥氏体稳定元素，可抑制δ铁酸盐的生成，而δ铁酸盐的存在会导致管子热加工性能下降。将Ni控制在3.0％-6.0％，Cu控制在0.25％以下。
V、Ti可起细化晶粒和扩大淬透性的作用，其中Ti还可以固硫、消除钢中MnS或FeS的夹杂物形成。
Al属于钢的脱氧剂，但过量的Al会降低钢的清洁度，损害其加工性能。
Nb可在钢中形成微细的碳化物，提高钢的蠕变强度。
2)改进这种钢管的生产方法，包括，a、精炼：将钢水经脱碳精练，制成钢坯；其中钢水的成分为C 0.02-0.25，Si 0.3-1.0，Mn 0.25-1.0，Cr 12.0-14.0，S＜0.010，P＜0.015，Ni 3.0-6.0，Mo 1.0-2.0，Cu≤0.25，Al 0.02-0.04，Ti0.01-0.06，Nb 0.01-0.04，V≤0.06，其余成分为Fe，单位为质量百分比；b、轧管：将上述钢坯经芯棒轧机热轧成无缝钢管，轧制时，轧制顶头采用的材料为：C 0.30，Si 0.30，Mn 0.40，Cr0.40，Ni 1.00，Nb 0.45，Mo 1.20，W 5.00，Co 1.20，其余成分为Fe，单位为质量百分比。
实践证明，与普通碳素钢的轧制相比，轧制13Cr钢时轧头表面不容易形成氧化膜，而氧化膜在轧制时起良好的润滑作用。为此开发了新的轧制顶头材料，材料成分为(单位为质量百分比)C 0.30，Si 0.30，Mn 0.40，Cr 0.40，Ni 1.00，Nb 0.45，Mo 1.20，W 5.00，Co 1.20，其余成分为Fe。而普通轧头材料成分为：C 0.30，Si 0.30，Mn 0.40，Cr 0.40，Ni 1.00。
3)在传统工艺中，上述13Cr不锈钢油井管，轧制时在轧辊与钢坯之间不使用润滑剂，为了克服穿孔轧辊与被轧制材料间因滑动而发生的啃咬现象，需采用防滑剂。防滑剂的原理是采用将高硬度的固体粒子加入穿孔机与被轧钢材之间，增加二者之间的摩擦系数，防滑剂的组成为：碳化硅固体粒子、氧化铝固体粒子、氧化硅固体粒子中地一种或几种，当由几种一起使用时，相互间的配比没有特定要求；固体粒子直径100-1000μm。
4)上述13Cr不锈钢油井管轧制完成后，再进行热处理，其热处理方法为：采用淬火+高温回火的热处理工艺，淬火介质为水，淬火温度为900℃-1100℃，保温40-80分钟，回火温度在500℃-750℃，保温时间30-60分钟。淬火后，钢管全截面可获得98％以上马氏体组织。高温回火后，形成细小、均匀的回火索氏体组织，晶粒度8级或者更细小。
与现有技术相比，本发明具有显著进步，具体表现在：1)该发明由于采用了新的钢种成分设计，并同时采用了更合理的热处理工艺，因而具有良好的抗CO₂腐蚀性能，可以满足含CO₂气体的石油、天然气开采要求；2)钢管在轧制时，轧头材料采用新的成分设计，容易生成氧化膜，该氧化膜可起到很好的润滑作用，从而使轧制钢管的内表面缺陷少；3)一般来讲，穿孔辊机与被轧制钢管间因滑动易产生啃咬的不良轧制现象，为此开发了防滑剂，从而保证了钢管外表面的轧制质量。该制造方法容易操作，制造成本低。
具体实施方式
实施例一
110KSI钢级的Φ139.7×9.17mm WSP13Cr套管。
①该油管的钢种成分(质量百分比)为：C 0.02-0.05，Si 0.3-0.5，Mn0.25-1.0，Cr 12.0-14.0，S＜0.010，P＜0.015，Ni 3.0-6.0，Mo 1.0-2.0，Cu≤0.25，Al 0.02-0.04，Ti 0.01-0.06，Nb 0.01-0.04，V≤0.06，其余成分为Fe。
②含上述成分的钢水经脱碳精练，制成钢坯。经限动芯棒轧机热轧成无缝钢管，轧制时轧头与钢坯之间不使用润滑剂，但轧头采用的材料为(质量百分比)：C 0.30，Si 0.30，Mn 0.40，Cr 0.40，Ni 1.00，Nb 0.45，Mo 1.20，W 5.00，Co 1.20，其余成分为Fe。
③轧制时在轧辊与钢坯之间也不使用润滑剂，为了克服穿孔轧辊与被轧制材料间因滑动而发生的啃咬现象，需采用防滑剂。防滑剂的组成为：碳化硅固体粒子、氧化铝固体粒子、氧化硅固体粒子中的一种或几种；固体粒子直径100-1000μm。
③采用淬火+高温回火的热处理工艺，淬火介质为水，淬火温度为900℃-1100℃，保温40-80分钟，回火温度在500℃-750℃，保温时间30-60分钟。淬火后，钢管全截面可获得98％以上马氏体组织。高温回火后，形成细小、均匀的回火索氏体组织，晶粒度8级或者更细小。
经该方法生产的WSP13Cr套管，屈服强度达到758-896Mpa，抗拉强度大于827Mpa，强度指标达到API对P110钢级套管的要求。这种套管可以满足含CO₂气体的油田及天然气田的开采需要。
实施例二
95KSI钢级的Φ177.8×11.51mm WSP13Cr套管。
该套管的钢种成分(质量百分比)为：C 0.15-0.20，Si 0.3-0.6，Mn 0.4-0.75，Cr 12.0-14.0，S＜0.010，P＜0.015，Ni 3.0-4.0，Cu≤0.25，Al 0.02-0.04，Ti0.01-0.06，V≤0.06，其余成分为Fe。
除成分外，其它制造步骤和方法与实施例1相同。
经该方法生产的95钢级WSP13Cr套管，屈服强度达到655-758Mpa，抗拉强度大于724Mpa，强度指标达到API对C95/T95钢级套管的要求。这种套管可以满足含CO₂气体的油田及天然气田的开采需要。