專利名稱：一種高韌性耐腐蝕鋼及其制造方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種石油天然氣行業(yè)低溫用高韌性耐腐蝕鋼，特別是涉及一種使用溫度達-46°C的高強度、高韌性耐腐蝕鋼及其制造方法。
背景技術：
采油樹是油氣井井口裝置，為生產油管柱提供入口，是用于流體控制的閥門和配件的總成。采油樹懸掛著下入井中的油管柱，密封油套管的環(huán)形空間，控制和調節(jié)油井生產，保證作業(yè)，施工，錄取油、套壓資料，測試及清蠟等日常生產管理。采油樹按不同的作用又分采油(自噴、人工舉升)、采氣(天然氣和各種酸性氣體)、注水、熱采、壓裂、酸化等專用井口裝置。并根據(jù)使用壓力等級不同而形成系列。由于天然氣氣體相對密度低，氣注壓力低，不論采氣或注氣井口壓力都高，流速高，同時易滲 漏，有時天然氣中會有H2SXO2等腐蝕性介質，因而對采油樹的材質有嚴格的要求。如在FF級105MPa采油樹本體，其最低使用溫度為-46°C，使用環(huán)境為二氧化碳分壓小于200psi，硫化氫分壓小于0. 5psi。105MPa為采油樹的最高強度級別，該級別要求屈服強度大于517MPa，-46°C沖擊功大于27J。由于強度高而同時低溫沖擊韌性要求也高，因此目前該級別采油樹的材質一般采用美國標準牌號UNS41000 (UNIFIED NUMBERING SYSTEM)(其化學成分為 C 彡 0. 15%, Si ( I. 00%, Mn ( I. 00%, P ^ 0. 04%, S ( 0. 03%, Cr :11. 5-13. 5%,Ni ( 0. 50% )，相當于中國鋼材代號lCrl3。在生產實踐中，各生產廠家使用lCrl3生產采油樹時在質量控制上存在一定問題，即在滿足高強度的同時，_46°C低溫沖擊試驗結果極不穩(wěn)定，同爐熱處理的試棒，有的冶煉爐號試棒合格，有的不合格。即使同一冶煉爐號，不同的鍛造批次，有的試棒合格，有的不合格。使用UNS42400(C ^ 0. 06%, Si :0. 3-0. 6%, Mn
0.5-1. 00%, P 彡 0. 03%, S 彡 0. 03%, Cr :12-14%, Ni :3. 5-4. 5%, Mo :0. 3-0. 7% )材質可以較好地解決沖擊不穩(wěn)定的問題，但是由于材質中添加了較多的Ni、Mo等昂貴的合金元素，合金成本過高。CN101096744A公開了一種高鋼級高抗二氧化碳、氯離子腐蝕油套管用鋼及制造方法，C :0. 15-0. 25%, Si :0. 2-1. 0%, Mn :0. 2-1. 0%, Cr :12/14%, Ni :0. 5-1. 5%, Mo
0.2-1.0%, Al :0. 01-0. 05%，該鋼是一種Crl3型抗腐蝕不銹鋼，但由于其碳含量高，在滿足強度的同時，-46°C低溫沖擊韌性不能滿足FF級105MPa采油樹本體大于27J的要求。CN1816639A公開的馬氏體不銹鋼和UNS42400標準材質類似，也存在合金成本過高的問題。上述專利均未提及如何獲得低溫下高韌性的方法。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于提供一種低溫用高韌性耐腐蝕用鋼。鑒于FF級105MPa采油樹本體對材料抗腐蝕、強度以及低溫韌性等方面的高要求，本發(fā)明基于現(xiàn)有l(wèi)Crl3材質的基礎上，提出一種可制造性強、價格適中的適合用于FF級105MPa采油樹本體的材料，以滿足石油天然氣行業(yè)使用溫度達_46°C的Crl3型高強度、高韌性耐腐蝕鋼的要求。為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的低溫用高韌性耐腐蝕鋼，其化學成分百分配比為C 0. 03-0. 10 %, Si 0. 2-0. 6 %, Mn :0. 35-0. 75 %, Cr :12-14 %, Ni :0. 5-1. 5 %, Al
0.01-0. 04%, Mo 0. 1-0. 3%, P^O. 015%, S 彡 0. 006%, N 彡 0. 01%，其中 A1/N > 2，余量為Fe和不可避免的雜質。以下是本發(fā)明用鋼的各化學成分的作用及其具體說明C :奧氏體形成元素，提高鋼的強度及腐蝕性能。為保證必要的強度，碳含量不能過低，碳含量低于0. 03%時煉鋼難度增大，碳含量高于0. 10%，材料的韌性變壞，因此，本發(fā)明鋼中宜采用碳含量為0. 03-0. 1%。
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Cr :鐵素體形成元素，提高合金耐蝕性和強度。Cr含量小于12%時，耐蝕性不足，Cr含量大于14%時，材料的強度和硬度過高，導致材料的韌性下降。因此，本發(fā)明鋼中宜采用Cr含量為12-14%。Ni :奧氏體形成元素，提高材料的低溫韌性，降低冷脆轉變溫度。Ni加入量過低，效果不明顯，加入量過高則顯著增加成本，因此，本發(fā)明鋼中宜采用Ni含量為0. 5-1. 5%。Mo :鐵素體形成兀素，有效提聞了材料的回火穩(wěn)定性，提聞材料的強度和抗局部腐蝕性能。如加入量低于0. 1%，效果不明顯，過高成本增加，因此，本發(fā)明鋼中宜采用Mo含量為 0. 1-0. 3%。Si :鐵素體形成元素，在鋼中起到脫氧和改善耐蝕性的作用，低于0.2%，效果不明顯，大于0. 6%，加工和韌性惡化，因此，本發(fā)明鋼中宜采用Si含量為0. 2-0. 6%。Mn:奧氏體形成元素，起固溶強化作用，改善鋼的強韌性，但易偏析，小于0.35%時作用不明顯，大于0. 75%，偏析嚴重，因此，本發(fā)明鋼中宜采用Mn含量為0. 35-0. 75%。Al :鐵素體形成元素，在鋼中起到了脫氧、固N、細化晶粒的作用，當加入量低于
0.006 %時，效果不明顯，加入量超過0.04%，力學性能變差，因此，本發(fā)明鋼中宜采用Al含量為 0. 01-0. 04%。P、S、N為鋼中殘余元素，為了提高低溫沖擊韌性，P含量不宜大于0. 015%, S含量不宜大于0. 006%，N含量不宜大于0.01%，且A1/N彡2。本發(fā)明的另一個目的是提供上述低溫用高能韌性耐腐蝕鋼的制造方法。該方法包括將上述成分配比的合金元素采用電弧爐加爐外精煉并經真空精煉處理、或氧氣轉爐加爐外精煉并經真空精煉處理、或電渣重熔法冶煉后澆鑄成錠，鍛造前采用溫錠入爐，入爐鋼錠表面溫度要求小于600°C。鍛造加熱溫度1200°C _1250°C，終鍛溫度大于1000°C，鍛造比大于6，且鍛件壁厚1/2處晶粒度不小于6級；鍛件在加工成成品后要求在940-980°C溫度下奧氏體化后進行水淬或油淬，樣件壁厚小于30mm可以在空氣中淬火，淬火時間為0. 5-3小時，爾后進行兩次回火處理，即分別在690-720°C回火0. 5-3小時和650_680°C回火0. 5-3小時，然后冷卻至室溫。本制造方法的特點是經過兩次回火以保證低溫下的沖擊性能，并空冷至室溫，嚴禁樣件回火后隨爐冷卻。本發(fā)明鋼種在使用本發(fā)明的制造方法制造后，樣件的力學性能和在_46°C的沖擊韌性均能滿足FF級105MPa采油樹本體對材料的要求，即屈服強度大于517MPa，-46°C沖擊功大于27J，且裕量充裕，可制造性強。
具體實施例方式以下通過實施例對本發(fā)明進行較為詳細的說明。表I所示為實驗鋼種的化學成分，其中1-4為本發(fā)明鋼種；5_7為對比鋼種，為目前油田普遍使用的不銹鋼油套管用鋼。表I本發(fā)明鋼和現(xiàn)有合金鋼的化學成分，Wt%

權利要求
1.一種高韌性耐腐蝕鋼，其化學成分重量百分比為c :0. 03-0. 10%, Si :0. 2-0. 6%,Mn 0. 35-0. 75 %, Cr :12-114 %, Ni 0. 5-1. 5 %, Al 0. 01-0. 04 %, Mo 0. 1-0. 3 %,P≤0. 015%, S≤0. 006%, N ≤ 0. 01%，其中A1/N > 2，余量為Fe和不可避免的雜質。
2.如權利要求I所述的高韌性耐腐蝕鋼，其特征在于，所述鋼的屈服強度大于517MPa, _46°C沖擊功大于 27J。
3.如權利要求I或2所述的高韌性耐腐蝕鋼的制造方法，包括 采用電弧爐加爐外精煉并經真空精煉處理，或氧氣轉爐加爐外精煉并經真空精煉處理，或電洛重熔法冶煉后燒鑄成錠； 鍛造前采用溫錠入爐，入爐鋼錠表面溫度小于600°C ； 鍛造加熱溫度1200-1250°C，終鍛溫度大于1000°C，鍛造比大于6，且鍛件壁厚1/2處晶粒度不小于6級。
4.如權利要求3所述的方法，其特征在于，鍛件在加工成成品后在940-980°C溫度下奧氏體化后進行水淬或油淬，然后分別在690-720°C回火0. 5-3小時和650_680°C回火0. 5-3小時，然后空冷卻至室溫。
5.如權利要求3所述的方法，其特征在于，鍛件在加工成成品后在940-980°C溫度下奧氏體化后，當樣件壁厚小于30_時在空氣中淬火，淬火時間為0. 5-3小時，然后分別在690-720°C回火0. 5-3小時和650_680°C回火0. 5-3小時，然后空冷卻至室溫。
6.如權利要求3-5任一所述的方法制造的高韌性耐腐蝕鋼，其屈服強度大于517MPa, _46°C沖擊功大于 27J。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種高韌性耐腐蝕鋼，其化學成分重量百分比為C0.03-0.10％，Si0.2-0.6％，Mn0.35-0.75％，Cr12-114％，Ni0.5-1.5％，Al0.01-0.04％，Mo0.1-0.3％，P≤0.015％，S≤0.006％，N≤0.01％，其中Al/N＞2，余量為Fe和不可避免的雜質。其制造方法，包括采用電弧爐加爐外精煉并經真空精煉處理，或氧氣轉爐加爐外精煉并經真空精煉處理，或電渣重熔法冶煉后澆鑄成錠；鍛造前采用溫錠入爐，入爐鋼錠表面溫度小于600℃；鍛造加熱溫度1200-1250℃，終鍛溫度大于1000℃，鍛造比大于6，且鍛件壁厚1/2處晶粒度不小于6級。這樣得到的高韌性耐腐蝕鋼，其屈服強度大于517MPa，-46℃沖擊功大于27J，適合用于石油天然氣行業(yè)FF級105MPa采油樹本體。
文檔編號C21D1/18GK102839331SQ201110173908
公開日2012年12月26日 申請日期2011年6月24日 優(yōu)先權日2011年6月24日
發(fā)明者田青超, 熊文兵, 董曉明 申請人:寶山鋼鐵股份有限公司, 上海寶鋼商貿有限公司