一種超深井用石油套管及其生產(chǎn)工藝的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種超深井用石油套管及其生產(chǎn)工藝,石油套管材料的質(zhì)量百分比化學成分為:C?0.18~0.24;Si?0.18~0.30;Mn?0.50~0.70;Cr?0.85~1.15;Mo?0.65~0.75;Ce?0.02~0.05;B?0.001~0.005;V?0.09~0.13;N≤0.030;Altot?0.01~0.05;P≤0.015;S≤0.005;O≤0.001,其余為Fe及不可避免的雜質(zhì),質(zhì)量百分數(shù)總計100%。其工藝中熱處理采用淬火+回火工藝,淬火加熱溫度為910±10℃,保溫時間為壁厚每1mm不少于1.5min,總保溫時間不小于30min;回火溫度為640±10℃,保溫時間不小于1h,然后在靜止空氣中冷卻。其優(yōu)點是:采用Cr、Mo?合金作為主要合金化元素,并輔以V、B微合金元素,同時添加Ce,保證鋼材淬火后具有較好的強度、硬度、細小的晶粒度,回火后具有均勻的組織、良好的各向沖擊韌性。
【專利說明】一種超深井用石油套管及其生產(chǎn)工藝
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種超深井用石油套管及其生產(chǎn)工藝,屬于冶金材料領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]由于世界經(jīng)濟的持續(xù)發(fā)展,人類對石油天然氣的需求日益增加,使得原油價格居高不下,因此石油公司對環(huán)境惡劣、地質(zhì)條件復雜、埋藏深的深層油氣的開發(fā)投入越來越重視。隨著對超深井、地質(zhì)條件復雜石油天然氣的勘探開發(fā),對在鉆井中起關(guān)鍵作用的石油套管的要求也越來越特殊和苛刻。受到套管性能和井深結(jié)構(gòu)等的限制,套管的設(shè)計和選擇面臨著很大的難題,如果選材錯誤,將會造成嚴重的事故。超深井套管的選擇要考慮抗拉、抗壓、抗外擠、整體密封性、溫度、腐蝕、磨損、接箍強度等多種因素,是一項復雜的系統(tǒng)工程,也是當前亟待解決的問題之一。目前,國內(nèi)生產(chǎn)的超深井石油套管的橫向沖擊韌性普遍難于達到相關(guān)要求。專利“150ksi鋼級高強韌油氣井井下作業(yè)用鋼管及其生產(chǎn)方法”和“石油天然氣開采中深井、超深井石油套管及其生產(chǎn)方法”發(fā)明了深井、超深井石油套管,但對橫向沖擊韌性方面沒有進行特別的關(guān)注。稀土鋼是包鋼集團的特色品牌產(chǎn)品,鋼中加入稀土后,一般能使無縫鋼管的橫向沖擊韌性、耐腐蝕性能顯著提高,同時提高其他性能。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0003]基于以上【背景技術(shù)】,本發(fā)明的目的是提供一種具有高屈服強度、良好沖擊韌性和較高抗擠毀強度的超深井用石油套管及其生產(chǎn)工藝。
[0004]為實現(xiàn)上述目的,本發(fā)明是通過如下措施來實現(xiàn):
[0005]一種超深井用石油套管,其特征在于,構(gòu)成材料的質(zhì)量百分比化學成分為:C
0.18 ~0.24 ;Si 0.18 ~0.30 ;Mn 0.50 ~0.70 ;Cr 0.85 ~1.15 ;Mo 0.65 ~0.75 ;Ce
0.02 ~0.05 ;B 0.001 ~0.005 ;V 0.09 ~0.13 ;N ( 0.030 ;Altot 0.01 ~0.05 ;P ≤ 0.015 ;S 0.005 ;0 ( 0.001,其余為Fe及不可避免的雜質(zhì),質(zhì)量百分數(shù)總計100%。
[0006]鋼中C含量增加,屈服點和抗拉強度升高,但塑性和沖擊性降低。但C量高會降低鋼的耐大氣腐蝕能力,還能增加鋼的冷脆性和時效敏感性,使鋼的焊接性能變壞。因此,C含量控制在0.18~0.24%范圍內(nèi)。Si元素可以提高鋼的強度和硬度;降低鋼的臨界冷卻速度,提高鋼的淬透性;提高鋼在氧化性腐蝕介質(zhì)中的耐蝕性,提高鋼的耐熱性。Si能降低鋼的焊接性能,因為與O的親合力Si比Fe強,在焊接時容易生成低熔點的硅酸鹽,增加熔渣和熔化金屬的流動性,引起噴濺現(xiàn)象,影響焊縫質(zhì)量。Si易使鋼中形成帶狀組織,使橫向性能低于縱向性能。因此,Si含量控制在0.18~0.30%范圍內(nèi)。Mn對鋼具有強化作用,可以提高強度、硬度和耐磨性;降低鋼的臨界冷卻速度,提高鋼的淬透性;輕微改善鋼的低溫韌性。但Mn過高能增加鋼的過熱敏感性,高溫如果控制不當,將粗化晶粒,使得淬火過程中晶粒過大,或者是高溫回火后在脆性溫度區(qū)停留時間過長,使得韌性降低。因此,Mn含量控制在0.50~0.70%范圍內(nèi)。為了獲得高純凈度鋼,同時獲得具有超高屈服強度和良好沖擊韌性的鋼管材質(zhì),要盡可能降低鋼中夾雜物、氣體以及S、P等有害元素的含量,因此要較低含量的P、S、O。
[0007]鋼中Cr能顯著提高強度、硬度和耐磨性,但同時降低塑性和韌性。Cr能提高鋼的抗氧化性和耐腐蝕性,還能增加鋼的淬透性并有二次硬化作用。Cr使鋼經(jīng)淬火回火后具有較好的綜合力學性能,在滲碳鋼中還可以形成含Cr的碳化物,從而提高材料表面的耐磨性。Mo能使鋼的晶粒細化,提高淬透性和熱強性能,在高溫時保持足夠的強度和抗蠕變能力。Mo對抑制奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)樨愂象w作用不大,因此有時需要和其它提高淬透性的元素如Cr、Mn等配合。Cr能使固溶體中保留的Mo水平有所提高,能產(chǎn)生一定程度的固溶強化效果。Cr-Mo復合強化時,由于Cr對不同類型碳化物組成及分布的復雜影響,須使Cr、Mo含量維持在彼此相互作用的最佳值時,才能收到最佳的強化效果。
[0008]V的作用,一是細化晶粒;二是做調(diào)質(zhì)處理時候,可以提高回火溫度,提高回火抗性,從而提高鋼的韌性。V與C形成的碳化物,在高溫高壓下可提高抗氫腐蝕能力。鋼中V的碳化物以極小的顆粒狀物體存在,它們一般能抑制鋼中晶界的移動,同時也能作為形核的核心從而細化晶粒。N與Cr、Al、V元素可化合成極穩(wěn)定的氮化物,成為表面硬化和強化元素。鋼中加入微量的B就可改善鋼的致密性和熱軋性能,提高強度,加入微量的B就能起到很大的作用,為了避免形成氮化硼,影響B(tài)的作用,要適當?shù)募尤脘X固定氮。因此,B控制在0.001-0.005%范圍內(nèi)。
[0009]Re元素Ce在鋼中的主要作用是除去鋼水中的雜質(zhì)元素,特別是鋼中加入Ce后可使S含量顯著降低。鋼中的MnS夾雜在高溫具有強的塑性變形能力,是導致鍛件力學性能各向異性的重要原因,Ce能改變殘留夾雜物,主要是MnS的形狀,從而提高鋼的強度。Ce元素在鋼中形成為Ce2S3和Ce3S4,這些Ce硫化物具有較強的抗塑性變形能力,改善了鋼的橫向力學性能。另外,當鋼中有H—類有害氣體存在時,Ce在鋼中可起到脫氫作用,這些特性可以提高石油套管的使用壽命。Ce含量選擇在0.02-0.05%范圍內(nèi)可以有效提高鋼管的橫向力學性能。
[0010]本發(fā)明的生產(chǎn)工藝如下:
[0011]無縫鋼管生產(chǎn)主要工藝為:鐵水一轉(zhuǎn)爐冶煉一LF精煉一VD脫氣一圓坯連鑄一管坯加熱一穿孔一軋管一定徑一熱處理。熱處理采用淬火+回火工藝,淬火加熱溫度為910±10°C,保溫時間為壁厚每1mm不少于1.5min,總保溫時間不小于30min ;回火溫度為640±10°C,保溫時間不小于lh,然后在靜止空氣中冷卻。
[0012]淬火加熱溫度也就是鋼的奧氏體化溫度,制定原則是Ac3+30-50°C。考慮到提高鋼的淬透性及減少加熱時間,采用較高溫度較好。根據(jù)經(jīng)驗公式,本發(fā)明體系的Ac3大約為8700C,因此淬火加熱溫度確定為910± 10°C。鋼管加熱達到奧氏體化溫度后,將發(fā)生奧氏體的形核、長大及均勻化過程,所以鋼管實際溫度達到規(guī)定后要保持一定時間。保溫時間的長短要根據(jù)鋼中的合金元素種類及含量略作調(diào)整,鋼中含有V、Mo等強碳化物形成元素時,應(yīng)適當增加保溫時間,以利于碳化物的溶解,以達到充分發(fā)揮合金元素的作用。但保溫時間過長,將增加鋼管的表面氧化,影響表面質(zhì)量。因此,保溫時間為壁厚每Imm不少于1.5min,但不小于30min。以水為淬火介質(zhì),是最為經(jīng)濟、安全,且對環(huán)境無污染。鋼管以旋轉(zhuǎn)方式進行淬火,同時進行內(nèi)外冷卻。淬火時保證淬火液在鋼管內(nèi)表面均勻旋轉(zhuǎn)內(nèi)噴,外表面足量循環(huán)水外淋。淬火介質(zhì)水的冷速較快,鋼管易發(fā)生形變,嚴重時因無法進行下道工序而報廢。為避免形變的發(fā)生,采用內(nèi)外管壁延時水噴。內(nèi)循環(huán)水噴比外表面延時3s,水的流速不小于lOm/s。淬火后鋼管仍然具有較高的溫度,若冷卻不當鋼管仍然會產(chǎn)生彎曲變形。為了避免這一情況,鋼管要在自然空氣中冷卻,不采用強制冷卻方式,冷卻要緩和平穩(wěn),冷卻過程中應(yīng)均勻。鋼管要在具有正、反向鏈的冷床上進行冷卻,始終處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài)的鋼管,冷卻均勻,可以避免彎曲。含有Mo和B元素的多元鋼具有較強的抗回火能力,為了保持鋼在使用過程中性能的穩(wěn)定,應(yīng)采用較高的回火溫度。因此回火溫度為640±10°C,保溫時間不小于lh,然后在靜止空氣中冷卻。
[0013]本發(fā)明的優(yōu)點是:采用Cr、Mo合金作為主要合金化元素,并輔以少量的V、B微合金元素,同時添加Ce元素,保證鋼材淬火后具有較好的強度、硬度、細小的晶粒度,回火后具有均勻的組織、良好的各向沖擊韌性,產(chǎn)品適用于超深井用石油套管。本發(fā)明生產(chǎn)效率高、經(jīng)濟效益好,適合于規(guī)?;a(chǎn),具有良好的推廣價值。
【具體實施方式】
[0014]各實例化學成分如表I所列,各實例鋼管力學性能如表2所示。實例1、2所生產(chǎn)管規(guī)格為 Φ177.8X9.19 mm,實例 3、4 為 Φ 177.8X10.36 mm。
[0015]表I各實例化學成分(wt.%)
【權(quán)利要求】
1.一種超深井用石油套管,其特征在于,構(gòu)成材料的質(zhì)量百分比化學成分為:C0.18 ~0.24 ;Si 0.18 ~0.30 ;Mn 0.50 ~0.70 ;Cr 0.85 ~1.15 ;Mo 0.65 ~0.75 ;Ce0.02 ~0.05 ;B 0.001 ~0.005 ;V 0.09 ~0.13 ;N≤0.030 ;Altot 0.01 ~0.05 ;P≤0.015 ;S≤ 0.005 ;0 ( 0.001,其余為Fe及不可避免的雜質(zhì),質(zhì)量百分數(shù)總計100%。
2.一個根據(jù)權(quán)利要求1所述的超深井用石油套管的生產(chǎn)工藝,其主要工藝為:鐵水一轉(zhuǎn)爐冶煉一LF精煉一VD脫氣一圓坯連鑄一管坯加熱一穿孔一軋管一定徑一熱處理,其特征在于,熱處理采用淬火+回火工藝,淬火加熱溫度為910± 10°C,保溫時間為壁厚每Imm不少于1.5min,總保溫時間不小于30min ;回火溫度為640± 10°C,保溫時間不小于Ih,然后在靜止空氣中冷卻。
【文檔編號】C22C38/32GK103451543SQ201310409266
【公開日】2013年12月18日 申請日期:2013年9月10日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月10日
【發(fā)明者】劉金, 李曉, 吳明宏, 王金龍, 姜海龍, 張行剛, 石曉霞, 薛玲, 許占海 申請人:內(nèi)蒙古包鋼鋼聯(lián)股份有限公司