一種高強度低合金抗硫化氫應力腐蝕用油井管及其制造方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種鋼管產品及其制造方法，尤其涉及一種油井管及其制造方法。
【背景技術】
[0002] 在含H2S的油氣開采環境中，通常需要使用具備一定抗H2S應力腐蝕性能的材料。 隨著石油天然氣開采深度的不斷加大，對于所用管材的強度要求不斷提高，但是材料強度 越高，其應力腐蝕開裂敏感性也隨之提升。目前深井、超深井用油井管強度通常在llOKsi 以上，要求具有這樣高強度的材料要達到較高的抗H2S應力腐蝕性能是非常困難的。
[0003][0004] 公布號為JPH06-116635A，公布日為1994年4月26日，名稱為"一種生產具有高強 度低合金且優良耐硫化物應力腐蝕裂紋性的油井管的制造方法"的日本專利文獻公開了一 種管件，其化學元素質量百分含量為（wt. % )的成份組成：C:0. 20?0. 30%，Si:0. 10? 1. 00%，Mn:0? 40 ?1. 50%，P:彡 0? 015%，S:彡 0? 005%，Ni:0? 30 ?1. 20%，Cr:0? 50 ? 1. 50%，M〇 :0? 10 ?2. 00%，A1 :0? 001 ?0? 10%，B:0? 0005 ?0? 0050%，N:彡 0? 005%，添 加Ti:0? 10?2. 00%，Nb:0? 01?0? 10%，V:0? 01?0? 10%中的至少其中一種。該日本 專利文獻所公開的油井鋼添加了Ni元素。
[0005][0006] 上述三篇專利文獻所公開的鋼管的合金總含量均超過3wt. %。此外，這三種鋼管 均不能通過簡單的淬火-回火熱處理工藝來制造出符合力學性能要求的管件。
【發明內容】
[0007] 本發明的目的在于提供一種高強度低合金抗硫化氫應力腐蝕用油井管，其具備較 高的強度且良好的抗H2S應力腐蝕性能（即抗硫性能）。該油井管的屈服強度>llOKsi， 同時其K1SCC值彡30Mpa*m1/2 (K1SCC是應力腐蝕門欄值，指在應力腐蝕的情況下材料或零件發 生破壞的最小應力強度因子。其單位為MPa*m1/2)
[0008] 為了實現上述目的，本發明提供了一種高強度低合金抗硫化氫應力腐蝕用油井 管，其化學元素質量百分配比為：
[0009] C:0? 16 ?0? 40% ;
[0010] Si:0.1 ?0.5%;
[0011] Mn:0? 2%?0? 6% ;
[0012] A1 :0? 01 ?0? 1% ;
[0013] Nb:0? 01 ?0? 05% ;
[0014] Cr：>0. 2% ；
[0015] Mo：>0. 2% ；
[0016] V:0.03 ?0.2%;
[0017] 同時各化學元素的質量百分含量還需要滿足0. 35Cr+0. 85Mo+2. 8V彡1，
[0018] 2. 4Cr+l.lMo+4. 5V^ 3 ；
[0019] 余量為Fe和其他不可避免的雜質。
[0020] 本技術方案中不可避免的雜質主要是指P元素、S元素、0元素和N元素，其中，可 以控制P彡0.02wt. %，控制S彡0.003wt. %，控制0彡O.Olwt. %且控制N彡0.008wt. %。
[0021] 本發明所述的高強度低合金抗硫化氫應力腐蝕用油井管中的各化學元素的設計 原理為：
[0022] C:C是保證強度及淬透性的重要元素。當C含量小于0. 16wt. %時，一方面強度 難以保證，另一方面難以避免先共析鐵素體的析出，從而會影響鋼的抗硫性能。當C含量大 于0.40wt. %時，淬火時易出現裂紋，同時還會增大晶界粗大碳化物的析出傾向。因此，在 本發明所述的高強度低合金抗硫化氫應力腐蝕用油井管中需要控制C含量控制在0. 16? 0. 40wt. %范圍之間。
[0023] Si:當Si含量超過0. 5wt. %時，會顯著增加鋼的冷脆傾向，而當其含量低于 0.lwt. %時，則難以保證脫氧效果。對于本發明的油井管來說，需要將Si含量限制在0. 1? 0. 5wt. %范圍之間。
[0024] Mn:Mn具有擴大奧氏體相區，增加淬透性，細化晶粒等有益效果。然而，Mn在凝固 時容易發生偏析，從而會使得終端產品中產生明顯的帶狀組織，又由于帶狀組織與基體之 間的硬度、析出相均存在著明顯的差異，這會影響鋼的抗硫性能。鑒于此，需要將Mn的添加 量設定為〇. 2?0. 6wt. %。
[0025] A1 :A1是鋼脫氧所必需的元素。但是一旦A1含量超過0.lwt. %時,對燒鑄過程會 產生不利影響。在此，應該將A1含量設定為0. 01?0.lwt. %。
[0026] Nb:Nb是有效的細化晶粒兀素。晶粒的細化對于提_鋼的強初性及抗硫性能均有 著積極的作用。因而，對于本發明的技術方案來說，Nb元素的添加量需要控制為0. 01? 0? 05wt. %。
[0027] Cr/Mo/V:Cr、Mo和V均為強碳化物的形成元素，其碳化物在回火過程中的彌散析 出強化是鋼材獲得較高的強度的必要要素。也就是說，要獲得足夠的淬透性和強化效果， 需要同時添加三種元素，通常Cr和Mo需要各加入0. 2wt. %以上才有明顯的強化效果，而 V需要加入的量在0. 03wt. %以上時才能產生強化效果。不過，若V加入量過多時，則會形 成粗大的碳化物，從而降低材料的韌性和抗硫性能。另外，V的析出強化效果在其添加量為 0.2wt. %時達到飽和狀態。基于此，本發明的技術方案中對于Cr/Mo/V元素的含量的設定 為：Cr>0. 2wt. %，Mo>0. 2wt. %，V:0? 03 ?0? 2wt. %。
[0028] 基于上述各化學元素的設計原理，本發明的高強度低合金抗硫化氫應力腐蝕 用油井管中相關化學元素的質量百分含量還需要滿足關系式（1)和關系式（2)。其 中，為了保證材料在670°C以上的高溫回火后仍具備llOKsi的高強度，需要滿足關系 式（1)，即0.35Cr+0.85Mo+2.8V彡1 ;又為了保證材料的強度在達到llOKsi的同時，還 能夠具備優良的抗H2S應力腐蝕性能（K1S。。值彡30MPa*m1/2)，則需要滿足關系式（2)，即 2. 4Cr+l.lMo+4. 5V^ 3〇
[0029] 本發明的技術方案采取的是適量添加Cr、Mo和V等合金元素，同時約束其協同關 系的方式來保證材料的強度，其原因在于：這些合金元素可以使得鋼材在較高的回火溫度 條件下仍保持較高的強度，然而，當這些合金元素的加入量超過一定范圍或不滿足協同關 系式時，會在回火后引起粗大碳化物的析出從而降低材料的有效強度。另外，由于在本發明 的技術方案中合金元素的添加量較之于現有技術中的鋼種的合金元素添加量要來的少，因 此，本發明的油井管中的合金含量少，制造成本相對經濟。
[0030] 進一步地，本發明所述的高強度低合金抗硫化氫應力腐蝕用油井管中的微觀組織 為均勻的回火馬氏體組織。
[0031] 由于鋼中抗H2S應力腐蝕性能最好的微觀組織狀態為回火馬氏體組織，因此，具有 該微觀組織的鋼材料能夠兼具較高的強度和良好的抗硫性能。
[0032] 相應的，本發明還提供了一種生產如上文所述的高強度低合金抗硫化氫應力腐蝕 用油井管的制造方法，其包括步驟：首先冶煉和鑄造，然后制成管坯，將管坯加熱，穿孔熱軋 成荒管；再次加熱后