專利名稱：高頻電阻焊石油套管用鋼及其制造方法
技術領域：
本發明涉及一種在硫化氫環境下使用的高頻電阻焊石油套管，具體地說，涉及一種在硫化氫環境下使用的高頻電阻焊石油套管用鋼，以及用該鋼種制成的SOksi鋼級高頻電阻焊石油套管及其制造方法。
背景技術：
API標準規定，石油套管分為無縫管和焊接套管兩種類型。相對于無縫管而言，高頻電阻焊石油套管具有生產效率高、尺寸精度好、規格范圍寬、成本低等顯著特點，因此是生產廠家與油田用戶的首選品種，一直受到市場的青睞。石油套管所使用的環境很多含有硫化氫等腐蝕介質，不僅能夠對管體表面進行均勻腐蝕，還能與鋼鐵作用生成氫，進入鋼鐵基體內部，使套管發生應力腐蝕斷裂，在極短的時間內失效，從而給油田生產帶來極大的經濟損失和安全隱患。高頻電阻焊石油套管傳統的生產工藝是根據套管性能的需要，設計合適的化學成分，冶煉并軋成熱軋板卷，將板卷通過成型和高頻電阻焊方式制成管料，對鋼管焊縫或鋼管整體進行熱處理，然后對管端進行適當的螺紋加工，最終生產出合格的石油套管。此種套管抗硫性能最薄弱的地方是焊縫區，焊縫區包括熔合線和熱影響區，焊縫區在高溫作用下晶粒粗大，夾雜物增多，滲透到基體內部的氫容易在晶界和夾雜物處吸附聚集產生氫鼓泡導致氫致開裂，或者氫與晶界的原子反應生成氫化物，使晶界脆化，易產生應力腐蝕開裂。為了提高生產效率，除了需要對板卷邊部進行高頻電阻焊外，還需對兩板卷頭尾之間進行(X)2氣體保護焊，以便實現多卷連續生產。但是(X)2氣體保護焊要求板卷的碳當量低，為了能很好的進行板卷頭尾對焊，一般都將板卷的碳當量控制在0. 43以下。國內外對酸性環境下焊管的研究主要是控制夾雜物。例如，日本專利JP62170458 提出加入Ti和^ 作為脫氧劑，代替Al脫氧劑的作用，保證Ti/Al，&/Al或(Ti+&)/Al的比值大于2，Al的含量大于0. 005%，通過控制夾雜物的比例提高韌性和抗氫致開裂性能。 然而，按照該成分設計方案得到的套管鋼會形成大量Ti和ττ的碳化物和氮化物，降低了管體的韌性。因此，歐洲專利EP 0270952提出Ti/Al,Zr/Al或(Ti+Zr)/Al的比值小于2，降低Ti和Ir的碳化物和氮化物，同時保證Al2O3的含量小于50%。然而，上述專利申請僅解決了抗氫致開裂這一技術問題，并無法徹底解決抗硫化物應力腐蝕開裂的問題。因此，亟需一種具備高焊接性能和抗硫化物應力腐蝕開裂性能，且生產成本較低的石油套管用鋼。
發明內容
本發明的目的在于提供一種在硫化氫環境下使用的高頻電阻焊石油套管用鋼，具有良好的抗硫化氫腐蝕性能，滿足具有抗硫化氫腐蝕要求的油氣田勘探開發的需要。為實現上述目的，本發明所提供的石油套管用鋼，其成分質量百分比含量為C: 0. 15-0. 35、Si :0. 1-0. 6、Mn :0. 3-1、P 彡 0. 015、S ≤ 0. 003、Mo :0. 1-0. 5、V :0. 03-0. 2、Nb 0. 01-0. 05、Ti 0. 01-0. 05、Al 0. 01-0. 08、Ca 0. 0005-0. 005、B 0. 001-0. 003，余量為
Fe和不可避免的雜質，并且其碳當量< 0. 43。此外，本發明還提供了上述石油套管用鋼的一種制造方法，依次包括冶煉、澆鑄、 軋制、卷取、制管、熱處理。優選地，所述軋制的加熱溫度為1200-1300°c，終軋溫度為800-1000°C。優選地，所述卷取的層流冷卻溫度為650-700°C。優選地，所述制管包括高頻電阻焊接和焊縫在線正火熱處理兩個步驟。優選地，所述熱處理包括加熱保溫和回火兩個步驟。更優選地，所述高頻電阻焊接溫度為1200-1400°C。更優選地，所述焊縫在線正火熱處理的溫度為880-980°C。進一步優選地，所述加熱保溫的溫度為900-950°C，保溫時間為30-60min。進一步優選地，所述回火溫度為680-720°C，保溫時間為90-150min。下面將進一步說明本發明。本發明通過優化設計合金成分、較低的夾雜物含量并采用多重焊縫正火在線熱處理獲得均勻細化的晶粒組織，使高頻電阻焊石油套管用鋼的抗硫化物應力腐蝕開裂性能得到較大提高。本發明在材料中加入Nb、V、Ti、B等微合金元素，通過其析出強化作用和細化晶粒效果，降低晶界缺陷，提高抗硫化物應力腐蝕開裂性能。在成分設計上添加B，利用其對晶界的強化作用，使焊縫和管體區域晶界的晶格缺位和空穴減少，晶界自由能降低，阻礙使晶界脆化的氫化物的形成；同時B能使沿晶界的析出物降低，能延遲晶界上的裂紋形成過程，提高套管用鋼尤其是焊縫的抗硫化物應力腐蝕開裂性能。同時在焊接完成后進行在線熱處理，采用不同的正火工藝細化焊縫區的晶粒，提高其抗硫性能。以下將本發明成分的設計進行說明C :C為碳化物形成元素，可以提高鋼的強度，太低時效果不明顯，太高時會顯著降低鋼的焊接性能。Si =Si固溶于鐵素體以提高鋼的屈服強度，不宜過高，太高會使加工和韌性惡化， 低于0. 效果不明顯。Mn =Mn為奧氏體形成元素，可以提高鋼的淬透性，含量小于0. 3時作用不明顯，含量大于1 %時，將顯著增加鋼中的組織偏析，影響熱軋組織的均勻性及抗硫性能。Mo:主要是通過碳化物及固溶強化形式來提高鋼的強度及回火穩定性，含量過高會降低鋼的韌性。V =V能夠細化晶粒，形成碳化物，能顯著提高鋼的強度，但含量達到一定量時，其效果增加便不明顯。Nb :Nb是細晶和析出強化元素，可彌補因碳降低而引起的強度的下降，含量小于 0.01%時作用不明顯，因其價格昂貴，所以要限制使用量。Ti =Ti是強碳氮化物形成元素，顯著細化奧氏體晶粒，可彌補因碳降低而引起的強度的下降，若含量太高，易形成粗大的TiN，降低材料性能。B =B可以增加淬透性，能有效的強化晶界，使沿晶界的析出物降低，能延遲晶界上的裂紋形成過程，提高抗硫化物應力腐蝕開裂性能，含量小于0. 001 %時作用不明顯，含量太高則煉鋼難以精確控制。
P、S :P和S是鋼中的有害雜質元素，含量過高會惡化抗硫化物應力腐蝕開裂性能和鋼的韌性，因此應盡量降低鋼中的P、S含量。與現有石油套管用鋼相比，本發明具有以下有益效果(1)本發明提供的石油套管用鋼，其能夠用于制造SOksi鋼級具有良好抗硫化物應力腐蝕開裂的高頻電阻焊石油套管，并且還能夠適用于CO2氣體保護焊工序，提高后續的高頻電阻焊石油套管生產效率；(2)本發明提供的所述石油套管用鋼焊縫多重正火熱處理的方法，其能夠細化焊縫晶粒，提高組織均勻性，改善焊縫的抗硫化物應力腐蝕開裂性能。(3)本發明提供的高頻電阻焊石油套管用鋼，其符合SOksi鋼級要求，可以廣泛用于石油開采；(4)本發明所使用的材料合金成本低，具有重大的經濟效益。
具體實施例方式實施例1實施例1化學成分見表1。鋼水經轉爐冶煉，澆鑄，加熱至1220°C加熱后軋成板帶， 終軋溫度850°C，層流冷卻至650°C，卷曲成熱軋卷；高頻電阻焊溫度為1400°C、焊接速度為 15m/min ；三道焊縫在線正火熱處理溫度分別為980°C、950°C、920°C。整管熱處理加熱溫度 9500C，保溫40min后水淬，回火溫度720°C，保溫時間90min，力學性能和抗硫化物應力腐蝕開裂性能如表2所示。實施例2實施例2化學成分見表1。鋼水經轉爐冶煉，澆鑄，加熱至1250°C加熱后軋成板帶， 終軋溫度880°C，層流冷卻至680°C，卷曲成熱軋卷；高頻電阻焊溫度為1300°C、焊接速度為 12m/min ；三道焊縫在線正火熱處理溫度分別為960°C、950°C、900°C。整管熱處理加熱溫度 9500C，保溫30min后水淬，回火溫度710°C，保溫時間lOOmin，力學性能和抗硫化物應力腐蝕開裂性能如表2所示。實施例3實施例3化學成分見表1。鋼水經轉爐冶煉，澆鑄，加熱至120(TC加熱后軋成板帶， 終軋溫度900°C，層流冷卻至700°C，卷曲成熱軋卷；高頻電阻焊溫度為1350°C、焊接速度為 14m/min ；三道焊縫在線正火熱處理溫度分別為980°C、920°C、880°C。整管熱處理加熱溫度 9200C，保溫50min后水淬，回火溫度700°C，保溫時間llOmin，力學性能和抗硫化物應力腐蝕開裂性能如表2所示。實施例4實施例4化學成分見表1。鋼水經轉爐冶煉，澆鑄，加熱至1280°C加熱后軋成板帶， 終軋溫度910°C，層流冷卻至660°C，卷曲成熱軋卷；高頻電阻焊溫度為1250°C、焊接速度為 llm/min ；三道焊縫在線正火熱處理溫度分別為960°C、940°C、900°C。整管熱處理加熱溫度 9000C，保溫60min后水淬，回火溫度690°C，保溫時間150min，力學性能和抗硫化物應力腐蝕開裂性能如表2所示。比較例比較例1與實施例1在成分上不同之處在于不添加B，其他制造和檢測方法均一致，比較例2與實施例1不同之處在于焊接后不經過焊縫在線正火熱處理，其他制造和檢測方法均一致，力學性能和抗硫化物應力腐蝕開裂性能如表2所示。比較例1和比較例2中焊縫的抗硫化物應力腐蝕開裂性能不滿足要求。可見，采用本發明所設計的化學成分和制造工藝，可以穩定生產出滿足SOksi鋼級抗硫化物應力腐蝕開裂性能良好的高頻電阻套管用鋼。、硫化氫性能檢驗采用NACE TM0177-2005抗硫化物應力腐蝕開裂鋼鐵的實驗室檢測方法進行檢測。表1實施例、比較例的化學成分(wt % )
權利要求
1.一種高頻電阻焊石油套管用鋼，其成分質量百分比含量為 C 0. 15-0. 35Si 0. 1-0. 6 Mn 0. 3-1 P 彡 0.015 S 彡 0. 003 Mo 0. 1-0. 5 V 0. 03-0. 2 Nb 0. 01-0. 05 Ti: 0. 01-0. 05 Al 0. 01-0. 08 Ca 0. 0005-0. 005 B 0. 001-0. 003余量為Fe和不可避免的雜質，并且其碳當量< 0. 43。
2.如權利要求1所述的石油套管用鋼，其特征在于，所述C的質量百分比含量為 0. 2-0. 3，所述Mo的質量比百分含量0. 2-0. 4，所述V的質量百分比含量為0. 05-0. 15。
3.制造如權利要求1所述的套管用鋼的方法，其特征在于，所述方法依次包括冶煉、澆鑄、軋制、卷取、制管、熱處理。
4.如權利要求2所述的方法，其特征在于，所述軋制的加熱溫度為1200-1300°C，終軋溫度為 800-1000°C。
5.如權利要求2所述的方法，其特征在于，所述卷取的層流冷卻溫度為650-700°C。
6.如權利要求2所述的方法，其特征在于，所述制管包括高頻電阻焊接和焊縫在線正火熱處理兩個步驟。
7.如權利要求2所述的方法，其特征在于，所述熱處理包括加熱保溫和回火兩個步驟。
8.如權利要求5所述的方法，其特征在于，所述高頻電阻焊接溫度為1200-1400°C。
9.如權利要求5所述的方法，其特征在于，所述焊縫在線正火熱處理的溫度為 880-980 "C。
10.如權利要求6所述的方法，其特征在于，所述加熱保溫的溫度為900-950°C，保溫時間為 30-60min。
11.如權利要求6所述的方法，其特征在于，所述回火溫度為680-720°C，保溫時間為 90-150min。
全文摘要
本發明涉及一種在硫化氫環境下使用的高頻電阻焊石油套管用鋼，其成分質量百分比含量為C0.15-0.35、Si0.1-0.6、Mn0.3-1、P≤0.015、S≤0.003、Mo0.1-0.5、V0.03-0.2、Nb0.01-0.05、Ti0.01-0.05、Al0.01-0.08、Ca0.0005-0.005、B0.001-0.003，余量為Fe和不可避免的雜質，并且其碳當量≤0.43。本發明提供的石油套管用鋼，其能夠用于制造80ksi鋼級具有良好抗硫化物應力腐蝕開裂的高頻電阻焊石油套管，并且還能夠適用于CO2氣體保護焊工序，提高后續的高頻電阻焊石油套管生產效率。
文檔編號C21D9/50GK102296233SQ20101020791
公開日2011年12月28日 申請日期2010年6月23日 優先權日2010年6月23日
發明者史宏德, 田青超, 董曉明 申請人:寶山鋼鐵股份有限公司