專利名稱：抗二氧化碳腐蝕的低合金鋼及油套管的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種抗二氧化碳腐蝕的低合金鋼及油套管，特別是在濕潤二氧化碳、氯離子、硫化氫等復(fù)合酸性腐蝕環(huán)境條件下能使用的低合金鋼及油氣井油套管。
經(jīng)檢索發(fā)現(xiàn)有關(guān)抗CO2腐蝕用中、低合金鋼的發(fā)明專利近十種，但是這些專利所涉及的基本上都是有關(guān)抗CO2腐蝕用的輸送管線用低合金鋼板及其制造方法。由于管線鋼的使用條件及制造方法和油套管有較大差異，尤其是輸送管內(nèi)CO2的分壓、溫度、流速、受力狀態(tài)等和井下油套管有很大差別，其對材料的腐蝕性也遠遠低于油井下的油套管。因此，無法用于制造油套管。
國際上用于制造油套管且屬于低合金鋼范疇、經(jīng)檢索發(fā)現(xiàn)與本發(fā)明相關(guān)的用于制造油套管用合金鋼的專利有兩個，其專利號分別為EP 995809和WO99/41422。其中專利EP 995809鋼的化學成分為0.10～0.30％C，0.10～1.0％Si，0.10～3.0％Mn，2.0～9.0％Cr，0.01～0.10％Al或者0.05～0.5％Cu，P≤0.03％，S≤0.01％，其余為Fe和不可避免雜質(zhì)組成。發(fā)明人主要通過加入較多含量的Cr和適量的Cu或Al，以提高材料的抗CO2和海水腐蝕性能，尤其是克服了特定介質(zhì)條件下的局部腐蝕現(xiàn)象。但是該專利中合金元素量尤其是Cr的加入量較高(超過4％重量百分比)，屬于中高合金范疇，鋼管的成本相應(yīng)提高。此外，該專利通過特殊的制造方法使最終產(chǎn)品的組織為馬氏體組織。而專利WO99/41422鋼的化學成分為≤0.3％C，≤1.0％Si，0.20～2.0％Mn，2.1～5.0％Cr，≤0.10％Al，≤0.015％N，必要時加入少量Cu，Ni，Mo，Ti，Nb，B，其余為Fe和不可避免雜質(zhì)組成，其最終產(chǎn)品的組織也為馬氏體組織。
本申請人曾于2000年申請過一項有關(guān)抗CO2、Cl-腐蝕油套管用鋼的專利并經(jīng)專利局受理，申請?zhí)枮?0125882.6。該專利中C含量在0.10％以下，屬超低碳鋼范疇。
本發(fā)明的抗二氧化碳腐蝕的低合金鋼含有C 0.01～0.30％ Si0.10～1.0％Mn0.10～2.0％ Cr0.50～5.0％Mo0.01～1.0％ Cu0.05～2.0％Ni0.05～1.0％ Al0.005～0.1％；其余為Fe和不可避免的雜質(zhì)組成，其組織為索氏體，以上均為重量百分比。
本發(fā)明的抗二氧化碳腐蝕的低合金鋼含有C 0.01～0.30％ Si0.10～1.0％Mn0 10～2.0％ Cr0.50～5
Mo0.01～1.0％ Cu0.05～2.0％Ni0.05～1.0％ Al0.005～0.1％；還含有稀土0.005～0.25％；其余為Fe和不可避免的雜質(zhì)組成，其組織為索氏體，以上均為重量百分比。
抗二氧化碳腐蝕的低合金鋼含有C 0.01～0.30％ Si0.10～1.0％Mn0.10～2.0％ Cr0.50～5.0％Mo0.01～1.0％ Cu0.05～2.0％Ni0.05～1.0％ Al；0.005～0.1％；還含有W0.01～1.0％；其余為Fe和不可避免的雜質(zhì)組成，其組織為索氏體，以上均為重量百分比。
本發(fā)明的抗二氧化碳腐蝕的低合金鋼及油套管含有C0.01～0.30％ Si0.10～1.0％Mn0.10～2.0％ Cr0.50～5.0％Mo0.01～1.0％ Cu0.05～2.0％Ni0.05～1.0％ Al；0.005～0.1％；還含有稀土0.005～0.25％；還進一步含有W0.01～1.0％；其余為Fe和不可避免的雜質(zhì)組成，其組織為索氏體，以上均為重量百分比。
本發(fā)明的抗二氧化碳腐蝕的低合金鋼可用于制造油氣井油套管本發(fā)明合金鋼經(jīng)調(diào)質(zhì)或正火處理后，其力學性能達到了API80、105和110鋼級的要求。
本發(fā)明的合金鋼可適合于二氧化碳、氯離子、硫化氫等復(fù)合酸性腐蝕環(huán)境條件下的油氣井油套管用低合金鋼。
本發(fā)明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，但當要求提高抗CO2和Cl-腐蝕性能時，應(yīng)限制碳含量。碳含量低于0.01％淬透性和強度不夠，高于0.30％后韌性變壞，腐蝕性變差。
Mo和W的復(fù)合加入一方面提高了耐蝕性特別是高溫抗局部腐蝕性，此外提高了材料的強度和淬透性。如加入量低于0.01％，效果不明顯，高于1.0％，加工性能和塑性惡化。
Si加入鋼中起到了脫氧和改善耐蝕性的作用。低于0.01％含量效果不明顯。當含量超過1.0％后，加工性和韌性惡化。
Cr的加入使鋼的強度和抗CO2、Cl-腐蝕性能提高。但是，Cr含量小于0.5％時，耐蝕性提高不明顯。高于5.0wt％，加工性變差，材料成本提高。Cr含量一般控制在0.5～5.0％。
Mn是改善鋼的強韌性必須的元素，小于0.1％時作用較小。當Mn含量超過2％后，抗CO2腐蝕性下降。
Al在鋼中起到了脫氧作用，另外還提高了腐蝕表面膜層的穩(wěn)定性和耐蝕性。當加入量低于0.001％時，效果不明顯，加入量超過0.10％，力學性能變差。
Cu是抗CO2腐蝕性能提高的主要元素之一，加入量低于0.05％，效果不明顯，高于2％，熱加工性變差。
Ni的加入改善了材料的熱加工性能和抗腐蝕性能。加入量低于0.05％，效果不明顯，超過1.0％，加工性能變差。
稀土加入的稀土作為表面改性元素，改善了表面腐蝕膜的組成和結(jié)構(gòu)，從而提高了鋼材的抗CO2腐蝕性能。但加入量低于0.005％，效果不明顯，超過0.25％，會惡化其力學性能。
本發(fā)明的合金鋼與專利號分別為EP 995809和WO99/41422的鋼相比較。其中EP995809專利鋼的成分中含有較多含量的Cr，屬于中高合金鋼范疇，而且該鋼種所選擇的CO2試驗介質(zhì)的腐蝕性比本發(fā)明輕。本發(fā)明的合金鋼中合金含量尤其是Cr含量與之相比有大幅度降低，合金成本較低，屬于低碳低合金鋼范疇；另外，本發(fā)明鋼特別通過復(fù)合加入少量Mo和W后，鋼的耐蝕性得到大幅度提高，在Cl-含量超過10％的復(fù)合CO2腐蝕介質(zhì)情況下也沒有局部腐蝕發(fā)生。而專利WO99/41422中Cr含量在2.1～5.0％之間，比本發(fā)明鋼高，而且本發(fā)明鋼中加入W和稀土后其耐蝕性有較大幅度提高。與此同時，原有發(fā)明鋼在制造方法上與本發(fā)明也有較大區(qū)別，它是通過淬火或回火后再低溫回火最終得到馬氏體組織。而本發(fā)明鋼的最終組織是索氏體。
本發(fā)明鋼經(jīng)冶煉、鍛造、軋制、合適的熱處理并經(jīng)力學性能測試符合N80級鋼的API 5CT的性能要求后，分別在CO2腐蝕較為突出的塔里木油田的典型腐蝕環(huán)境中進行高壓釜腐蝕模擬對比試驗，試驗結(jié)果顯示，設(shè)計鋼種的年腐蝕速率較油田目前使用的N80、C90、P110等鋼管降低了5-15倍不等，而且局部腐蝕現(xiàn)象得以消除。
表1 發(fā)明鋼和對照鋼的化學成分，wt％

試驗鋼經(jīng)冶煉、鍛造、軋制、熱處理后得到的強度、延伸率、硬度值見表2所示?？梢钥闯觯l(fā)明鋼在油田含CO2、Cl-環(huán)境下的抗局部腐蝕性能明顯優(yōu)于對照鋼，均勻腐蝕速率也有明顯降低。
油田試驗條件為Na++K+17183.69mg/L，HCO3-122.04mg/L，Cl-33687mg/L，SO42-1440.9mg/L，F(xiàn)e2+100mg/L，F(xiàn)e3+30mg/L，Ca2+1603.2mg/L，Mg2+641.5mg/L，PH＝6.0，試驗溫度110℃，CO2分壓2.0Mpa，流速1.5m/s。
○表明沒有局部腐蝕；×表明有局部腐蝕表2 試驗鋼的力學性能和腐蝕性能

權(quán)利要求
1.抗二氧化碳腐蝕的低合金鋼含有C 0.01～0.30％ Si0.10～1.0％Mn0.10～2.0％Cr0.50～5.0％Mo0.01～1.0％Cu0.05～2.0％Ni0.05～1.0％Al0.005～0.1％；其余為Fe和不可避免的雜質(zhì)組成，其組織為索氏體，以上均為重量百分比。
2.抗二氧化碳腐蝕的低合金鋼含有C 0.01～0.30％ Si0.10～1.0％Mn0.10～2.0％Cr0.50～5.0％Mo0.01～1.0％Cu0.05～2.0％Ni0.05～1.0％Al0.005～0.1％；還含有稀土0.005～0.25％；其余為Fe和不可避免的雜質(zhì)組成，其組織為索氏體，以上均為重量百分比。
3.抗二氧化碳腐蝕的低合金鋼含有C 0.01～0.30％ Si0.10～1.0％Mn0.10～2.0％Cr0.50～5.0％Mo0.01～1.0％Cu0.05～2.0％Ni0.05～1.0％Al0.005～0.1％；還含有W0.01～1.0％；其余為Fe和不可避免的雜質(zhì)組成，其組織為索氏體，以上均為重量百分比。
4.抗二氧化碳腐蝕的低合金鋼含有C0.01～0.30％Si0.10～1.0％Mn0.10～2.0％Cr0.50～5.0％Mo0.01～1.0％Cu0.05～2.0％Ni0.05～1.0％Al0.005～0.1％；還含有稀土0.005～0.25％；還進一步含有W0.01～1.0％；其余為Fe和不可避免的雜質(zhì)組成，其組織為索氏體，以上均為重量百分比。
5.如權(quán)利要求1-4所述的抗二氧化碳腐蝕的低合金鋼用于制造油氣井油套管。
全文摘要
本發(fā)明公開一種抗二氧化碳腐蝕的低合金鋼及油套管，其含有C0.01～0.30％，Si0.10～1.0％，Mn0.10～2.0％，Cr0.50～5.0％，Mo0.01～1.0％，Cu0.05～2.0％，Ni0.05～1.0％，Al0.005～0.1％；還可含有稀土0.005～0.25％和W0.01～1.0％中任意的一種或二種；其余為Fe和不可避免的雜質(zhì)組成，其組織為索氏體，其用于制造油氣井油套管，抗CO
文檔編號C22C38/44GK1401809SQ0112657
公開日2003年3月12日 申請日期2001年8月28日 優(yōu)先權(quán)日2001年8月28日
發(fā)明者張忠鏵, 郭金寶 申請人:寶山鋼鐵股份有限公司