專利名稱：一種抗二氧化碳腐蝕用低合金鋼及其制造方法
技術領域：
本發(fā)明涉及低合金鋼，特別是涉及SOksi鋼級抗二氧化碳腐蝕油井管用低合金鋼 及其制造方法。
背景技術：
CO2腐蝕是油氣田開發(fā)過程中長期存在的重大問題之一。針對中等及以上CO2分 壓、高氯離子含量、低PH值以及井中高壓和流體沖刷形成的強腐蝕環(huán)境，使用超級13Cr不 銹鋼管材是保證油田安全、高效生產的最有效辦法。但是，對我國多數開采壽命較短的貧礦 低滲透油田而言，采用高鉻不銹鋼油管經濟性較差，為此，寶鋼開發(fā)出了 SOksi鋼級以上調 質處理的經濟型3Cr系列抗CO2腐蝕油套管產品。如公開號為CN1401809A的中國專利申請公開了一種抗二氧化碳腐蝕的低合金鋼 及油套管，其組成為:C0. 01 0. 30%，Si :0. 1 1. 0%，Mn :0. 1 2. 0%，Cr :0. 5 3. 0%， Mo :0. 01 1. 0%，Cu 0. 05 1. 0%，Al 0. 01 0. 1%，Ce 0. 01 0. 25%, V 0. 005
0. 1%。其主要通過添加適當的Mo、Ni、W、Cr等元素，經調質或正火處理后獲得優(yōu)異的抗二 氧化碳腐蝕性能，其最終組織類型為索氏體或者回火索氏體。公開號為CN1487112A的中國專利申請公開了一種抗二氧化碳和抗硫化氫腐蝕用 低合金鋼，其主要特點在于通過加入3 %以下的Cr和微量稀土元素Ce后通過調質熱處理制 造80 95ksi鋼級的抗C02、H2S腐蝕油管，最終組織類型為回火索氏體。公開號為CN1292429A的中國專利申請公開了一種抗二氧化碳及海水腐蝕油套管 用低合金鋼，其采用低碳成分，通過添加適當的Mo、Cr、Cu等元素來提高合金的抗二氧化碳 及海水腐蝕性能，經冶煉、鍛造、軋制、熱處理后強度可達到SOksi以上的鋼級?，F有技術的油管產品多為適用于含中等或較高CO2含量的油氣井中，制造過程中 在熱軋工序后往往需要通過高溫調質的熱處理方式來保證抗二氧化碳腐蝕性能，即在高于 870°C以上溫度水淬或油淬后再在高于630°C溫度下高溫長時間回火達到性能要求，其簡要 的生產工藝流程為煉鋼_連鑄-軋管_調質熱處理，最終的組織類型為回火索氏體。隨著開采條件的改變，國內外很多氯離子含量較低、原來不含CO2的油氣井中出現 了微量CO2，針對這種情況，采用目前油田常規(guī)的N80油套管已不能夠滿足抗CO2腐蝕性能 的要求，而采用目前國際國內市場上最為經濟的抗CO2腐蝕3Cr系列油管也難達到最佳性 價比，為此，國內很多油田提出了能輕微抗CO2腐蝕且性價比合適油管的需求。因此，有針 對性的研究開發(fā)微抗CO2腐蝕、熱處理工藝更加簡單、性價比更適合的經濟型低合金油管具 有很現實意義。需要開發(fā)一種性價比優(yōu)異的抗二氧化碳腐蝕用SOksi鋼級的低合金剛。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是提供一種抗二氧化碳腐蝕的低合金鋼，特別是SOksi鋼級抗二氧 化碳腐蝕油井管用低合金鋼。本發(fā)明的鋼種組成以及生產工藝相對簡單，而且與目前油田 常規(guī)N80油管相比有較好的抗二氧化碳腐蝕性能，是一種經濟型油管鋼種。
為實現上述目的，本發(fā)明的抗二氧化碳腐蝕的低合金鋼，其按重量百分比計的組 成為C 0. 20 0. 35%,Si 0. 10 1. 0%,Mn 0. 20 1. 5%,Cr 0. 5 1. 5%,V 0. 02
0.1%,A1 :0.01 0. 10%，其余為Fe和不可避免的雜質，雜質元素的總量低于0. 05%。本發(fā)明通過較為經濟的鋼種成分設計以及熱軋空冷到室溫后進行兩相區(qū)正火處 理得到性價比優(yōu)異的SOksi鋼級的抗二氧化碳腐蝕用低合金鋼，該鋼種特別適合用于油井 管。本發(fā)明的抗二氧化碳腐蝕的低合金鋼的制造方法，是在按照常規(guī)方法在進行煉 鋼、連鑄、熱軋及空冷后，在820 870°C進行兩相區(qū)正火。本發(fā)明的鋼經過煉鋼、連鑄及熱軋和在820 870°C進行兩相區(qū)正火后，其力學性 能達到了 SOksi鋼級要求，最終金相組織類型以鐵素體+珠光體+索氏體組織為主。模擬國 內某油田的典型腐蝕環(huán)境進行高壓釜抗CO2腐蝕對比試驗，試驗結果表明，在相同條件下， 與常規(guī)N80油田用管對比，本發(fā)明鋼的年平均腐蝕速率降低了 一倍。本發(fā)明的低合金鋼選擇化學成分范圍的原因如下C是保證鋼管室溫強度和淬透性所必需的成分。碳含量低于0. 20%時淬透性和強 度不夠，高于0. 35%則韌性變壞，因此本發(fā)明中控制C含量為0. 20 0. 35%。Si加入鋼中起到了脫氧和改善耐蝕性的作用。低于0. 10%含量效果不明顯。當 含量超過1.0%后，加工性和韌性惡化，因此，本發(fā)明中控制Si含量為0. 10 1. 0%。Cr的加入使鋼的強度和抗CO2腐蝕性能提高。Cr含量小于0. 5%時，抗CO2腐蝕性 能提高不明顯；Cr含量高于1. 5%時，材料成本提高。因此，本發(fā)明中Cr含量控制在0. 5
1.5%。Mn是改善鋼的強韌性必須的元素，Mn含量小于0.20%時作用較小。當Mn含量超 過1.5%后，抗CO2腐蝕性下降。因此本發(fā)明中Mn含量控制在0.20 1.5%。Al在鋼中起到了脫氧作用和細化晶粒的作用，另外還提高表面膜層的穩(wěn)定性和耐 蝕性。當加入量低于0.01%時，效果不明顯，加入量超過0.10%時，力學性能變差。因此， 本發(fā)明中Al含量為0.01 0. 10%。V元素可以起到提高耐蝕性的作用，同時還有細化晶粒、提高材料強度的作用。當 其含量小于0.02%時，效果不明顯，超過0. 時效果進一步增強不明顯。因此，本發(fā)明中 V含量控制在0. 02 0. 1%。與現有技術的油井管產品用鋼不同，本發(fā)明鋼適用于含微量CO2的油氣井中，且制 造工藝相對簡單，在熱軋后無須高溫調質處理，只需控制在約820 870°C進行兩相區(qū)正火 后即可得到成品油井管用鋼，簡化了熱處理工藝，節(jié)省了成本。其簡要生產工藝流程為煉 鋼-連鑄-軋管_正火，最終組織類型以鐵素體+珠光體+索氏體為主。之所以控制進行 兩相區(qū)正火，緣于正火態(tài)組織中珠光體在抗CO2腐蝕方面的有益作用。在含CO2的油井中， 鋼管腐蝕速率與腐蝕層和金屬間的粘附性，腐蝕膜的成膜速度有關，而腐蝕膜的這些特性 與金屬顯微組織緊密相聯。對本發(fā)明鋼兩相區(qū)正火得到的組織，CO2腐蝕產生的FeCO3層可 良好地附著于金屬基體上，在微含CO2的井況下，其FeCO3層比調質態(tài)組織的FeCO3層要厚， 腐蝕層晶粒比調質狀態(tài)組織的腐蝕層的大而且更致密。此外，隨著基體表面Fe的腐蝕，正 火組織中的珠光體即殘留下來，在珠光體片的空洞處Fe2+濃度升高，由于局部的溶液停滯 以及較高的Fe2+濃度，使得腐蝕層優(yōu)先在珠光體片間形成，與此同時，珠光體組織還有助于支撐腐蝕層，這使得正火態(tài)組織的腐蝕層在依附性、成膜速度和生長上比調質態(tài)組織更有 利于抵抗CO2的腐蝕。本發(fā)明的低合金鋼充分利用Cr、Mn、V等元素的強化和有利于抗二氧化碳腐蝕的 作用，熱軋后兩相區(qū)進行正火處理可獲得以鐵素體+珠光體+索氏體組織類型的SOksi鋼 級油管，適用于含微量二氧化碳的油氣井。跟常規(guī)API標準的N80油管相比，在保持較為簡 單生產工藝的同時，具有微抗二氧化碳腐蝕的作用。此外，鋼中復合加入的適量Cr、V等亦 有利于合金抗CO2腐蝕性能的提高。采用本發(fā)明的成分和制造方法生產的SOKsi油管其CO2 年腐蝕速率比目前油田使用的常規(guī)N80油管產品降低了一倍，但成本沒有特別明顯增加。


圖1是本發(fā)明的鋼種與N80鋼進行高壓釜腐蝕試驗后試驗表面形貌對比，其中(a) 為本發(fā)明的鋼種，(b)為普通N80鋼。
具體實施例方式以下通過具體實施例對本發(fā)明進行詳細說明。表1為本發(fā)明鋼和對比鋼的化學成分。其中Al A6為本發(fā)明的合金鋼，Bl B2 為對照鋼，Bl和B2都是目前常用的N80油管。對照鋼Bl B2生產過程關鍵工藝參數簡要為煉鋼時開始出鋼溫度約1650°C， 連鑄開始溫度約1550°C，連鑄坯進行熱軋時約在1200°C開始穿孔軋制，最終張力減徑后溫 度約900°C。熱軋后鋼管空冷到室溫，不進行后續(xù)熱處理。本發(fā)明鋼Al A6生產中前段采 用和B1-B2相同的工藝及參數，在熱軋完空冷到室溫后，再進行約820 870°C的兩相區(qū)正 火處理即可。表 1
鋼號CSiMnCrVAl熱處理方式組織Al0. 320. 670. 970. 880. 070. 07正火態(tài)鐵素體+珠光體+索氏體A20. 390. 110. 201. 040. 020. 06正火態(tài)鐵素體+珠光體+索氏體A30. 290. 891. 080. 510. 10. 08正火態(tài)鐵素體+珠光體+索氏體A40. 280. 610. 811. 170. 080. 05正火態(tài)鐵素體+珠光體+索氏體A50. 330. 430. 650. 870. 040. 1正火態(tài)鐵素體+珠光體+索氏體A60. 250. 981.491. 500. 090. 07正火態(tài)鐵素體+珠光體+索氏體Bl0. 260. 2241. 6熱軋態(tài)珠光體+鐵素體B20. 250. 261. 51熱軋態(tài)珠光體+鐵素體 試驗鋼的力學性能和腐蝕性能見表2。
其中，試驗條件為Na++K+:19673mg/L，HCO3- :85· 4mg/L, CF :31700· 8mg/L, S042- 95. lmg/L，Ca2+ =1306. 6mg/L，Mg2+ =210. 2mg/L，PH = 6. 0，試驗溫度:60°C，C02 分壓=IMpa, ^ 速:1. 0m/so表 2 注mm/yr是毫米/年。本發(fā)明的合金鋼經冶煉、連鑄、熱軋和正火處理后，經力學性能測試符合API 5CT 標準的SOksi鋼級(對應最小屈服強度為552Mpa)性能要求(如表2所示)，力學性能測試 按GB6397-86標準進行。在CO2腐蝕較突出的某油田典型腐蝕環(huán)境中進行高壓釜腐蝕模擬 對比試驗，試驗結果顯示，本發(fā)明的合金鋼種的年腐蝕速率較油田目前使用的N80油管降 低了 1倍，且局部腐蝕現象得到較大程度緩解，具體試驗后二者的表面形貌如圖1所示。按上述方法制造的本發(fā)明鋼管，與現有SOksi鋼級3Cr經濟型抗CO2腐蝕油套管 相比，噸鋼成本降低1000元以上；與現有常規(guī)N80油套管相比，在CO2年腐蝕速率降低約1 倍的同時，噸鋼成本增加約100元，具有良好的性價比。本發(fā)明的合金鋼由于其抗CO2腐蝕性能良好、價格便宜，用其制造出的油井管，可 廣泛應用于需要輕微抗CO2腐蝕油氣井，它的成功設計和開發(fā)將帶來巨大經濟效益，市場前 景廣闊。以上通過一些具體實施例對本發(fā)明進行了說明，但不僅僅限于這些實施例，在不 脫離本發(fā)明的構思的前提下，還可以有更多其他變化的或改進的實施例，而這些變化和改 進都屬于本發(fā)明的范圍。
權利要求
一種抗二氧化碳腐蝕用低合金鋼，其按重量百分比計的化學成分為C0.20～0.35％，Si0.10～1.0％，Mn0.20～1.5％，Cr0.5～1.5％，V0.02～0.1％，Al0.01～0.10％，其余為Fe和不可避免的雜質，雜質元素的總量低于0.05wt％。
2.如權利要求1所述的抗二氧化碳腐蝕用低合金鋼，其特征在于，所述的低合金鋼為 80ksi鋼級。
3.如權利要求1或2所述的抗二氧化碳腐蝕用低合金鋼，其特征在于，所述鋼用于油井管。
4.如權利要求1 3任一所述的抗二氧化碳腐蝕低合金鋼的制造方法，包括煉鋼，連 鑄，熱軋，以及在820 870°C進行兩相區(qū)正火。
全文摘要
一種抗二氧化碳腐蝕用低合金鋼，其按重量百分比計的化學成分為C0.20～0.35％，Si0.10～1.0％，Mn0.20～1.5％，Cr0.5～1.5％，V0.02～0.1％，Al0.01～0.10％，其余為Fe和不可避免的雜質，雜質元素的總量低于0.05wt％?？苟趸几g低合金鋼的制造方法，包括煉鋼，連鑄，熱軋，以及在820～870℃進行兩相區(qū)正火。該合金鋼強度達到80ksi級而且抗CO2腐蝕性能良好、價格便宜，用其制造出的油井管，可廣泛應用于需要輕微抗CO2腐蝕的油氣井。
文檔編號C22C33/04GK101928888SQ200910053668
公開日2010年12月29日 申請日期2009年6月23日 優(yōu)先權日2009年6月23日
發(fā)明者張忠鏵, 譚諄禮 申請人:寶山鋼鐵股份有限公司