專利名稱：一種經(jīng)濟(jì)型耐腐蝕抽油桿用盤條及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種經(jīng)濟(jì)型、耐腐蝕、連續(xù)性或非連續(xù)性抽油桿用鋼，特別是連續(xù)性耐腐蝕抽油桿用鋼的化學(xué)成分及該鋼種Φ 13. 0 Φ 35. Omm盤條的制造方法。
背景技術(shù)：
有桿泵抽油是當(dāng)前世界石油開(kāi)采行業(yè)中應(yīng)用廣泛的抽油方式，我國(guó)陸地約90%的油井均采用有桿泵抽油。20世紀(jì)80年代中期后，我國(guó)主要油田先后進(jìn)入中后期開(kāi)采階段。 原油含水上升，泵掛深度不斷增加，稠油區(qū)增多，我國(guó)油田的開(kāi)發(fā)對(duì)有桿抽油設(shè)備不斷提出新要求，推動(dòng)了我國(guó)抽油桿材料的研制工作。隨著國(guó)際石油價(jià)格漲價(jià)，我國(guó)部分采油公司對(duì)含油量少、含水量高的一些原來(lái)放棄的油井，又重新投入開(kāi)采，故從技術(shù)與經(jīng)濟(jì)相結(jié)合的角度考量，對(duì)抽油桿用鋼提出了“經(jīng)濟(jì)型”、“耐腐蝕”的技術(shù)要求。抽油桿用鋼的材質(zhì)一般采用低中碳合金鋼，如20CrMoA、35CrMoA、20Cr2MoNi等含鉻鉬的調(diào)質(zhì)鋼種，該鋼種存在的問(wèn)題是材料價(jià)格比不銹鋼便宜，但材料不耐腐蝕，使用壽命短。通過(guò)查新檢索出有關(guān)耐腐蝕抽油桿發(fā)明專利國(guó)內(nèi)有6件，基本是以材料表面涂層為主，如專利號(hào)CN92216M8. 3 “熱浸鋅抽油桿”，“在原有抽油桿表面加有一層熱浸鋅涂層， 涂層中為含有鋅、鋁金屬成分且以鋅為主，經(jīng)過(guò)熱浸鋅后之抽油桿，性能有顯著改善，提高耐腐蝕性能，延長(zhǎng)了使用壽命”；專利號(hào)CN03208499. 4 “耐腐蝕耐磨損抽油光桿”，“光桿表面熱噴涂一層耐腐蝕耐磨損涂層，油田作業(yè)時(shí)，光桿涂層大大降低了光桿表面腐蝕和磨損的程度，減緩了光桿斷裂好井口盤根漏油的程度”；專利公開(kāi)號(hào)CN1952345 “超H級(jí)防腐蝕抽油光桿”，“在光桿外表面噴涂有一層耐腐蝕合金涂料，桿體采用低合金鋼制成，光桿的抗拉強(qiáng)度超過(guò)H級(jí)的1136Mpa，同時(shí)疲勞強(qiáng)度達(dá)到石油行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。桿體所用鋼化學(xué)成分按照重量百分比為0. 07 0. 13% C，0. 40 1. 20% Si, 1. 60 2. 2% Μη,Ο. 60 1. 70% Cr, 0. 20 0. 40% Mo，彡 0. 3% Ni，彡 0. 20% Cu，彡 0. 025% P，彡 0. 25% S，余量為鐵”。在抽油桿材料上的“經(jīng)濟(jì)型”、“耐腐蝕”方面的尚沒(méi)有發(fā)明專利。聯(lián)機(jī)檢索到的國(guó)外耐腐蝕抽油桿相關(guān)專利有22件其中與本發(fā)明相近的專利有美國(guó) United States Patent US 4796799 A 1989、US4585062 A 1986、日本 JP 6336649 A 和JP 2247359 A等4件。如美國(guó)的US 4796799 A 1989主要成分為0. 37 0. 45% C， 0. 5 0. 8% Mn，最多 0. 35% Cr 和 0. 13 0. 19% C，0. 35 0. 65% Mn，最多 0. 35% Cr，最多0. 3% Cu，3. 2 3. 8% Ni和0. 2 0. 3% Mo耐腐蝕泵桿；該專利涉及的是中碳高Ni鋼， Ni含量為3. 2 3. 8%;美國(guó)的US 4585062 A 1986主要成分0 1. 20% C，最佳為0. 05 0. 55% C(特別是 0. 10 0. 55% C)，0 1. 0% Si，最佳為 0. 1 0. 5% Si，0 3. 0% Mn, 最佳為0.6 2.0% Mn(特別是0.8 1. 8% Mn)，0 2. 0% Cr，最佳為0 0.5% Cr (特別是0 0.4% Cr)，0 1.0%Ni，0 1. 0% Mo，最佳為0% Mo，0 1.0% Cu，最佳為0 0. 5% Cu，0 0. 3% V，最佳為 0 0. 2% V，0 0. 2% Nb，最佳為 0 0. l%Nb，0 0. 05% Ca，最佳為0 0. 005% Ca, < 0. 005% S，其余為鐵和不可避免的雜質(zhì)組成的抗硫化氫應(yīng)力腐蝕的、冷變形的碳鋼或低合金鋼的耐腐蝕棒材，該專利涉及的是中碳低合金鋼，含Nb、 含V，合金元素較多，成本優(yōu)勢(shì)較弱；日本的JP 6336649 A主要成分為0. 85 1. 05 % C， 0. 1 0. 5% Si，0. 15 0. 6% Mn,彡 0. 02% P,彡 0. 02% S，0. 003% A1，0. 05 0. 2% Cu 和0. 05 0. 6% Cr的線材，該專利涉及的是高碳含Cr鋼；日本的JP 2247359 A主要成分為< 0. 15% C, 11. 50 14. 00% Cr ；0. 60 1. 20% Mo, < 0. 02% P, < 0. 003% S，該專利涉及的鋼屬于13Cr不銹鋼線材，由于添加了大量的Cr元素，腐蝕性能優(yōu)異但成本很高。在抗C02、Cl_離子腐蝕過(guò)程中，抽油桿材料對(duì)C02、Cl-離子腐蝕的抵御行為主要是通過(guò)與腐蝕介質(zhì)相互作用發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)之后建立的，在這過(guò)程中形成了表面腐蝕結(jié)構(gòu) (合金表面重建)，即材料的抗co2、cr離子腐蝕能力主要是通過(guò)合金表面的成膜特性來(lái)實(shí)現(xiàn)的。目前在抗co2、cr離子腐蝕的選材上，國(guó)際上普遍采用加入能提高合金熱力學(xué)穩(wěn)定性和直接阻滯陽(yáng)極過(guò)程的Cr、Ni等元素(如13Cr-2Mo-6Ni、22-25Cr等不銹鋼)，使材料表面較快形成具有一個(gè)或幾個(gè)原子層厚度的高穩(wěn)定合金組元的表面保護(hù)層腐蝕結(jié)構(gòu)，但是Cr、 Ni元素的價(jià)格較高，大量加入會(huì)增加材料的成本。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決以上技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明的目的在于提供一種經(jīng)濟(jì)型、耐腐蝕、連續(xù)性或非連續(xù)性抽油桿用鋼(IOCrfMoNi)，特別是連續(xù)性耐腐蝕抽油桿用鋼，同時(shí)提供該鋼種 Φ 13. 0 Φ 35. Omm盤條的制造方法。本發(fā)明的技術(shù)方案是，一種經(jīng)濟(jì)型耐腐蝕抽油桿用鋼，其包括以下組分(wt% )C 0. 06 0. 10%
Si0.20 0.30%
Mn0.50 0.60%
P (0. 012%
S (0. 010%
Al0.02 0.04%
Cu0.20 0.30%
Ni0.20 0.25%
Cr2.95 3.10%
Mo0.25 0.35%
N ^ 0. 0060%鐵和不可避免的雜質(zhì)。本發(fā)明合金設(shè)計(jì)的理由如下C :0. 06 0. 10%。C是重要的固溶強(qiáng)化和最廉價(jià)的元素，是材料獲得高強(qiáng)度的保證。隨碳含量的升高，鋼的淬火硬度隨之提高，并引起材料的塑性降低，韌性下降，耐蝕能力下降，并且C含量升高會(huì)導(dǎo)致材料焊接困難，故C含量的范圍為0. 06 0. 10%，在保證強(qiáng)度前提下應(yīng)盡可能降低其含量。Si 0. 20 0. 30%。Si是鐵素體固溶強(qiáng)化元素，并作為脫氧元素殘留于鋼中，能促進(jìn)先共析鐵素體析出，提高鋼在加熱和冷卻時(shí)的臨界轉(zhuǎn)變溫度，在提高材料強(qiáng)度的同時(shí)， 也有利于材料韌性的提高。
Mn 0. 50 0. 60%。Mn是強(qiáng)增加淬透性元素，對(duì)鐵素體有強(qiáng)化作用。鋼的耐蝕性仍然由鋼中Cr含量所決定，Mn對(duì)鋼種氧化性介質(zhì)中的耐蝕性產(chǎn)生不利影響，且隨鋼中的Cr 含量降低而愈加顯著，故Mn含量0. 50 0. 60%為佳。P ^ 0. 012%。P是有害雜質(zhì)，過(guò)高時(shí)影響鋼的冷脆和成分的偏析，故P含量更好為< 0. 010%。S 0. 010%。S是有害雜質(zhì)，它對(duì)鋼的熱塑性、耐蝕性產(chǎn)生不利影響，將S限制在極低范圍，是高純化的重點(diǎn)控制元素，故S含量更好為< 0. 006%。Al :0. 02 0.04%。Al在鋼中的主要功能是脫氧劑，不宜過(guò)低，但過(guò)高時(shí)影響連鑄生產(chǎn)，故Al的范圍更好為0. 02 0. 035%。Cu :0. 20 0.30%。Cu元素適當(dāng)?shù)丶尤肟梢愿纳其摰哪透g性、力學(xué)性能、冷成形性能，但加入過(guò)量的Cu元素惡化了鋼錠熱加工性能，因此Cu的加入量受到了限制，試驗(yàn)表明Cu含量0. 20 0. 30%為佳。Ni 0. 20 0. 25%。Ni元素提高淬透性，壓低Ms點(diǎn)，增加奧氏體形成傾向，改善低溫韌性，故Ni元素的含量范圍為0. 20 0. 25%。Cr 2. 95 3. 10%。Cr是鐵素體形成元素，是使鋼獲得耐腐蝕、不銹性的工業(yè)可利用的唯一元素。Cr含量越高，材料的耐腐蝕性能越好，且對(duì)提高材料的硬度、強(qiáng)度和韌性有利，但材料的成本將大幅度增加，故通過(guò)大量試驗(yàn)，結(jié)合材料的經(jīng)濟(jì)性，得出本專利的Cr含量為 2. 95 3. 10%。Mo :0. 25 0. 35%。Mo元素提高淬透性，固溶強(qiáng)化鐵素體，形成穩(wěn)定的碳化物，細(xì)化晶粒，考慮到Mo的價(jià)格較貴，故盡量少用Mo元素，試驗(yàn)表明Mo元素的含量范圍為0. 25 0. 35%為最佳。N:彡0.0060%。N是一種非常強(qiáng)烈地形成奧氏體并擴(kuò)大奧氏體相區(qū)的元素，其形成奧氏體的能力相當(dāng)于碳，約為M的30倍，在本材料中是有害的，它提高了材料的脆性轉(zhuǎn)變溫度，故N含量越少越好，N含量更好為(0. 0030 %。根據(jù)本發(fā)明所述的經(jīng)濟(jì)型耐腐蝕抽油桿用鋼，在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方案中，所述Al 的含量為0. 02 0. 035%o本發(fā)明還提供了一種經(jīng)濟(jì)型耐腐蝕抽油桿用盤條，所述盤條采用上述鋼生產(chǎn)，其包括以下組分)C 0. 06 ‘0. 10%
Si0.20 ‘ 0. 30%
Mn0.50 ‘ 0. 60%
P (0. 012%
S (0. 010%
Al0.02 ‘ 0. 04%
Cu0.20 ‘ 0. 30%
Ni0.20 ‘ 0. 25%
Cr2.95 ‘ 3. 10%
Mo0.25 ‘ 0. 35%
N ^ 0. 0060%
鐵和不可避免的雜質(zhì)。根據(jù)本發(fā)明所述的經(jīng)濟(jì)型耐腐蝕抽油桿用盤條，較好的是，所述Al的含量為 0. 02 0. 035% ；所述 P 彡 0. 010%, S 彡 0. 006%，所述 N 含量彡 0. 0030%。本發(fā)明還提供了上述經(jīng)濟(jì)型耐腐蝕抽油桿用盤條的制造方法，包括冶煉、連鑄和軋制，其中，在連鑄鑄成鋼坯后，所述鋼坯加熱出爐溫度為1150°C 士 15°C，精軋機(jī)入口溫度 IOOO0C 士 10°C，吐絲溫度950°C 士 10°C，經(jīng)線材軋機(jī)控軋控冷制成Φ 13. 0 Φ ；35. Omm盤條。根據(jù)本發(fā)明所述的經(jīng)濟(jì)型耐腐蝕抽油桿用盤條的制造方法，較好的是，所述冶煉在氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐中進(jìn)行，或在電爐中進(jìn)行；所述精煉在加熱鋼包中進(jìn)行。為滿足油田用戶對(duì)耐腐蝕抽油桿用鋼的需求，本發(fā)明專利主要定位在低合金鋼范疇，通過(guò)同時(shí)加入少量(微量)阻滯陽(yáng)極過(guò)程的元素(Cr、Mo、Ni等)和促進(jìn)陰極過(guò)程以及表面活性的元素(Cu、Si、Al等)的方法來(lái)提高鋼的抗C02、C1_離子腐蝕性能，達(dá)到經(jīng)濟(jì)型的要求，材料成本與13Cr不銹鋼相比價(jià)格要低，同時(shí)滿足耐腐蝕性，與現(xiàn)在使用的低中碳合金鋼，如20CrMoA、35CrMoA、20Cr2MoNi等含鉻鉬鋼相比，耐腐蝕性有較大改善。材料的耐腐蝕試驗(yàn)(一)統(tǒng)計(jì)表明，油田(如發(fā)明材料的試驗(yàn)油田一一勝利油田)抽油桿的腐蝕主要源于多種因素綜合形成的強(qiáng)腐蝕環(huán)境，其中包括油田伴生氣中高含量的CO2、井下液態(tài)環(huán)境較低的PH值及其中存在的高濃度氯離子、流體的沖刷作用以及井下高溫、高壓的作業(yè)環(huán)
^Ml O抽油桿的腐蝕類型主要包括(X)2腐蝕、微量存在所引起的H2S-(X)2腐蝕、氫鼓泡、氫致開(kāi)裂(HIC)、硫化物應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂(SSCC)、微生物腐蝕、高礦化度腐蝕介質(zhì)所引發(fā)的垢下腐蝕等。其中處于主導(dǎo)地位的CO2腐蝕是一種典型的電化學(xué)腐蝕，主要表現(xiàn)為以點(diǎn)蝕、蘚狀腐蝕、臺(tái)地狀腐蝕為主的局部腐蝕，且其腐蝕速率較高；CO2對(duì)采油設(shè)備的腐蝕穿孔曾一度成為困擾業(yè)界的一大難題，造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。C1_作為腐蝕催化劑加速材料的腐蝕， 其加速作用主要表現(xiàn)為(1)對(duì)保護(hù)性腐蝕產(chǎn)物膜產(chǎn)生點(diǎn)蝕，從而加速局部腐蝕；( 破壞抽油桿表面鈍化膜的形成。微生物腐蝕主要是由硫酸鹽還原菌為代表的厭氧菌和以鐵細(xì)菌為代表的好氧菌引起的；對(duì)中原油田油套管鋼腐蝕產(chǎn)物的分析亦發(fā)現(xiàn)硫酸鹽腐蝕還原菌的存在。微量H2S的存在主要是由于硫酸鹽還原菌對(duì)井下介質(zhì)中高濃度的硫酸根的還原所形成的。根據(jù)油田檢驗(yàn)的井下水樣分析報(bào)告(如表1所示)，確定本發(fā)明的高壓釜圓環(huán)腐蝕水樣成分，其材料的耐腐蝕試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2所示。表1油田(勝利油田)的井下水樣分析報(bào)告
權(quán)利要求
1.一種經(jīng)濟(jì)型耐腐蝕抽油桿用鋼，其特征在于，其包括以下組分 C 0. 06 0. 10%Si 0. 20 0. 30% Mn 0. 50 0. 60% P 彡 0. 012% S 彡 0. 010% Al 0. 02 0. 04% Cu 0. 20 0. 30% Ni 0. 20 0. 25% Cr 2. 95 3. 10% Mo 0. 25 0. 35% N ^ 0. 0060% 鐵和不可避免的雜質(zhì)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的經(jīng)濟(jì)型耐腐蝕抽油桿用鋼，其特征在于，所述Al的含量為 0. 02 0. 035%。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的經(jīng)濟(jì)型耐腐蝕抽油桿用鋼，其特征在于，所述P< 0. 010%, S 彡 0. 006%。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的經(jīng)濟(jì)型耐腐蝕抽油桿用鋼，其特征在于，所述N含量彡 0. 0030%。
5.一種經(jīng)濟(jì)型耐腐蝕抽油桿用盤條，所述盤條采用權(quán)利要求1所述鋼生產(chǎn)，其特征在于，其包括以下組分C 0. 06 ,0. 10%Si0. 20 ‘ 0.30%Mn0. 50 ‘ 0.60%P (0. 012%S ^ 0. 010%Al0. 02 ‘ 0.04%Cu0. 20 ‘ 0.30%Ni0. 20 ‘ 0.25%Cr2. 95 ‘ 3.10%Mo0. 25 ‘ 0.35%N ^ 0. 0060%鐵和不可避免的雜質(zhì)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的經(jīng)濟(jì)型耐腐蝕抽油桿用盤條，其特征在于，所述Al的含量為 0. 02 0. 035%。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的經(jīng)濟(jì)型耐腐蝕抽油桿用盤條，其特征在于，所述 P 彡 0. 010%, S 彡 0. 006%。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的經(jīng)濟(jì)型耐腐蝕抽油桿用盤條，其特征在于，所述N含量彡 0. 0030%。
9.如權(quán)利要求5所述的經(jīng)濟(jì)型耐腐蝕抽油桿用盤條的制造方法，包括冶煉、連鑄和軋制，其特征在于，在連鑄鑄成鋼坯后，所述鋼坯加熱出爐溫度為1150°C 士 15°C，精軋機(jī)入口溫度1000°C 士 10°C，吐絲溫度950°C 士 10°C，經(jīng)線材軋機(jī)控軋控冷制成Φ 13. 0 Φ 35. Omm盤條。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的經(jīng)濟(jì)型耐腐蝕抽油桿用盤條的制造方法，其特征在于，所述冶煉在氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐中進(jìn)行，或在電爐中進(jìn)行；所述精煉在加熱鋼包中進(jìn)行。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種經(jīng)濟(jì)型耐腐蝕用鋼及該鋼種盤條的制造方法。其成分為(wt％)C0.06～0.10％，Si0.20～0.30％，Mn0.50～0.60％，P≤0.012％，S≤0.010％，Al0.02～0.04％，Cu0.20～0.30％，Ni0.20～0.25％，Cr2.95～3.10％，Mo0.25～0.35％，N≤0.0060％，其余為Fe和不可避免的雜質(zhì)。該方法中，在連鑄鑄成鋼坯后，鋼坯加熱出爐溫度為1150℃±15℃，精軋機(jī)入口溫度1000℃±10℃，吐絲溫度950℃±10℃，經(jīng)線材軋機(jī)控軋控冷制成ф13.0～ф35.0mm盤條。
文檔編號(hào)E21B17/00GK102296244SQ20101021431
公開(kāi)日2011年12月28日 申請(qǐng)日期2010年6月28日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月28日
發(fā)明者盧俊, 孫元寧, 張弛, 張忠鏵, 楊建強(qiáng), 蔡海燕, 趙社平 申請(qǐng)人:寶山鋼鐵股份有限公司