本發(fā)明涉及金屬材料領(lǐng)域，具體地說(shuō)，涉及一種高強(qiáng)度高韌性抗H2S/CO2腐蝕油管的制備方法。

背景技術(shù)：
H2S/CO2腐蝕是世界石油天然氣工業(yè)中常見的腐蝕類型，也是目前腐蝕與防護(hù)領(lǐng)域中重要的研究課題。隨著對(duì)CO2腐蝕和H2S腐蝕逐漸深入的研究和工程上腐蝕問(wèn)題的逐步解決，CO2和H2S共存條件下的腐蝕已顯得相當(dāng)突出，相應(yīng)的腐蝕材料研究提上日程。針對(duì)H2S/CO2腐蝕所采取的防護(hù)措施主要有采用耐蝕材料、加注緩蝕劑和采用防腐涂覆層。但是,由于緩蝕劑長(zhǎng)期投資很高,涂覆層使用過(guò)程中存在破損造成局部腐蝕的隱患等問(wèn)題,最安全的防護(hù)措施仍是使用耐蝕材料，所以13Cr和超級(jí)13Cr被廣泛應(yīng)用于腐蝕控制，而13Cr的使用一次性投資太大，產(chǎn)量較低的油氣田使用起來(lái)存在經(jīng)濟(jì)效益和投資比太低等缺陷，并且13Cr材料在含H2S腐蝕介質(zhì)中的抗SSC性能還存在很大不足之處。從20世紀(jì)90年代起,日本、阿根廷、奧鋼聯(lián)及國(guó)內(nèi)的寶鋼、天鋼、衡鋼等單位陸續(xù)開始開發(fā)經(jīng)濟(jì)型低Cr管。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種高強(qiáng)度高韌性抗H2S/CO2腐蝕油管的制備方法，可以制備具有良好的抗腐蝕性能的高強(qiáng)度高韌性抗H2S/CO2腐蝕油管。本發(fā)明的技術(shù)方案如下：一種高強(qiáng)度高韌性抗H2S/CO2腐蝕油管的制備方法，包括：煉鋼生產(chǎn)、鋼的軋制和軋態(tài)鋼熱處理，所述鋼的軋制主要包括：圓坯加熱、穿孔、軋管和張力減徑；所述圓坯加熱的溫度為1260～1280℃，所述穿孔的溫度為1200～1250℃，所述軋管的溫度為1100～1150℃，所述張力減徑的溫度為750～820℃；所述軋態(tài)鋼熱處理包括淬火和回火，所述淬火的溫度為920±10℃，在920±10℃保溫65～70分鐘；所述回火的溫度為670±10℃，在670±10℃保溫70～80分鐘；制備得到的高強(qiáng)度高韌性抗H2S/CO2腐蝕油管的材料化學(xué)成分的質(zhì)量百分含量包括：C0.118％～0.127％、Si0.243％～0.252％、Mn0.497％～0.521％、Cr1.85％～2.1％、Mo0.376％～0.407％、P≤0.018％、S≤0.010％、V0.05％～0.055％、Ti0.015％～0.017％、Al0.017％～0.024％，其余為Fe，質(zhì)量分?jǐn)?shù)共計(jì)為100％。進(jìn)一步，所述煉鋼生產(chǎn)包括：鐵水預(yù)處理、轉(zhuǎn)爐冶煉、LF精煉、VD真空脫氣和圓坯連鑄。進(jìn)一步，所述轉(zhuǎn)爐冶煉采用脫硫鐵水冶煉，每爐鐵水為100噸，每爐鐵水加入硅鐵300kg、錳鐵800kg、鉻鐵4000kg、鉬鐵850kg、釩鐵100kg、鈦鐵50kg；所述轉(zhuǎn)爐冶煉的終點(diǎn)的鐵水的成分的質(zhì)量百分含量包括：C≥0.06％，P≤0.015％；所述轉(zhuǎn)爐冶煉采用單渣工藝冶煉，出鋼前每爐鐵水加入200kg白灰造渣，終渣堿度≥3.0；所述LF精煉根據(jù)轉(zhuǎn)爐冶煉的鋼水成分及溫度進(jìn)行造渣脫硫、成分調(diào)整及升溫操作，造渣劑為CaO-CaF2，每噸鋼水加入8-10kg造渣劑，按以下質(zhì)量百分含量調(diào)整鋼水成分包括：C0.12％、Si0.25％、Mn0.50％、Cr2.0％、Mo0.40％、P≤0.018％、S≤0.010％、V0.052％、Ti0.016％、Al0.02％，升溫操作的目標(biāo)溫度為1538℃；所述VD真空脫氣的真空度≤0.06KPa，深真空時(shí)間≥13min，軟吹A(chǔ)r≥10min；所述圓坯連鑄的恒定拉速為1m/min，鋼水過(guò)熱度ΔT≤30℃。進(jìn)一步，制備得到的所述高強(qiáng)度高韌性抗H2S/CO2腐蝕油管的材料化學(xué)成分的質(zhì)量百分含量包括：C0.126％、Si0.249％、Mn0.511％、Cr1.85％、Mo0.392％、P0.015％、S0.010％、V0.050％、Ti0.017％和Al0.020％；或者，C0.120％、Si0.252％、Mn0.514％、Cr1.92％、Mo0.376％、P0.015％、S0.009％、V0.050％、Ti0.017％和Al0.024％；或者，C0.118％、Si0.243％、Mn0.521％、Cr1.98％、Mo0.378％、P0.016％、S0.009％、V0.052％、Ti0.015％和Al0.019％；或者，C0.127％、Si0.248％、Mn0.497％、Cr2.10％、Mo0.407％、P0.018％、S0.007％、V0.055％、Ti0.015％和Al0.017％。本發(fā)明的技術(shù)效果如下：1、本發(fā)明的高強(qiáng)度高韌性抗H2S/CO2腐蝕油管的材料的化學(xué)成分合理使得高強(qiáng)度高韌性抗H2S/CO2腐蝕油管具有較高的抗H2S和抗CO2腐蝕性能。2、本發(fā)明采用細(xì)晶強(qiáng)化與析出強(qiáng)化技術(shù)使得材料具有高強(qiáng)度和高韌性、合理的冶煉連鑄工藝、軋制工藝、熱處理工藝使得產(chǎn)品具有較高的可實(shí)施性。3、本發(fā)明提供的高強(qiáng)度高韌性抗H2S/CO2腐蝕油管的制備方法得到的高強(qiáng)度高韌性抗H2S/CO2腐蝕油管的品質(zhì)良好，生產(chǎn)效率高、成本低，使得材料節(jié)能環(huán)保，經(jīng)濟(jì)效益好，適合于大規(guī)模生產(chǎn)，具有良好的市場(chǎng)推廣應(yīng)用價(jià)值。具體實(shí)施方式從市場(chǎng)需求與工況使用條件出發(fā)，本發(fā)明通過(guò)各元素在材料中的作用設(shè)計(jì)了合理的化學(xué)成分，通過(guò)冶煉連鑄、軋制、調(diào)質(zhì)工藝生產(chǎn)出強(qiáng)度高達(dá)110psi鋼級(jí)，沖擊韌性高于API5CT標(biāo)準(zhǔn)要求，且抗腐蝕性能良好的高強(qiáng)度高韌性抗H2S/CO2腐蝕油管。本發(fā)明的高強(qiáng)度高韌性抗H2S/CO2腐蝕油管的制備方法的具體步驟如下：步驟S1：煉鋼生產(chǎn)煉鋼生產(chǎn)包括：鐵水預(yù)處理、轉(zhuǎn)爐冶煉、LF精煉、VD真空脫氣和圓坯連鑄。煉鋼生產(chǎn)過(guò)程采用固氮技術(shù)、脫氧技術(shù)、潔凈鋼技術(shù)使得坯料有良好的品質(zhì)。通過(guò)鐵水預(yù)處理對(duì)鐵水進(jìn)行預(yù)脫硫，使得硫質(zhì)量百分含量控制在0.5％以下。轉(zhuǎn)爐冶煉采用脫硫鐵水，為抑制材料中非金屬夾雜物，硅鐵、錳鐵、鉻鐵、鉬鐵、釩鐵及鈦鐵合金在加入之前必須脫氧合金化，加入量根據(jù)其收得率、鐵基合金中合金含量、鋼材中成分設(shè)計(jì)含量要求計(jì)算得出。每爐鐵水為100噸，硅鐵每爐加入300kg、錳鐵每爐加入800kg、鉻鐵每爐加入4000kg、鉬鐵每爐加入850kg、釩鐵每爐加入100kg、鈦鐵每爐加入50kg。由于增碳的同時(shí)會(huì)使得材料中氣體含量如氧氮增加，因此轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)的鐵水的成分的質(zhì)量百分含量的控制目標(biāo)包括：C≥0.06％，P≤0.015％。采用單渣工藝冶煉，出鋼前每爐鐵水加入200kg白灰造渣，終渣堿度≥3.0。為保證材料的潔凈度，出鋼時(shí)必須擋渣，擋渣失敗必須扒渣。在LF精煉環(huán)節(jié)中，根據(jù)轉(zhuǎn)爐鋼水成分及溫度進(jìn)行造渣脫硫、成分調(diào)整及升溫操作。造渣劑采用CaO-CaF2，每噸鋼水加入8-10kg造渣劑，按以下質(zhì)量百分含量調(diào)整鋼水成分的目標(biāo)值包括：C0.12％、Si0.25％、Mn0.50％、Cr2.0％、Mo0.40％、P≤0.018％、S≤0.010％、V0.052％、Ti0.016％、Al0.02％；升溫操作的目標(biāo)溫度為1538℃。VD真空脫氣的深真空度目標(biāo)值≤0.06KPa，深真空時(shí)間≥13分鐘，軟吹A(chǔ)r≥10分鐘，以保證材料中較低的氣體含量。圓坯連鑄過(guò)程采用電磁攪拌工藝，恒定拉速控制在1m/min，鋼水過(guò)熱度ΔT≤30℃。采用堆垛方式進(jìn)行冷卻，同時(shí)應(yīng)避開風(fēng)口。步驟S2：鋼的軋制鋼的軋制主要包括：圓坯加熱、穿孔、軋管和張力減徑，具體過(guò)程為：圓坯→鋸切→圓坯加熱→穿孔→軋管→張力減徑→冷卻→切頭尾→矯直→檢查→包裝→過(guò)磅→入庫(kù)。應(yīng)用Ф159MPM機(jī)組軋制規(guī)格為Φ73.02mm×5.51mm的無(wú)縫鋼管，通過(guò)實(shí)驗(yàn)室熱模擬試驗(yàn)，優(yōu)化出最佳的軋制工藝，軋制工藝為圓坯在環(huán)形加熱爐內(nèi)加熱到1260～1280℃；圓坯穿孔的溫度為1200～1250℃；軋管的溫度為1100～1150℃；張力減徑的溫度為750～820℃；該軋制工藝保證了無(wú)縫鋼管的成材率。步驟S3：軋態(tài)鋼熱處理軋態(tài)鋼熱處理包括淬火和回火。該材料Ac1溫度為698℃，Ac3溫度為869℃，淬火的溫度為高于Ac3溫度30～70℃。淬火加熱時(shí)間常用經(jīng)驗(yàn)公式т＝a×K×D計(jì)算，式中т為加熱時(shí)間，a為加熱系數(shù)，現(xiàn)場(chǎng)熱處理爐加熱系數(shù)a為2.5，K為裝爐修正系數(shù)，K值為4.2，D為試樣有效厚度，無(wú)縫鋼管軋制后的有效厚度一般為6.4mm，因此淬火溫度為920±10℃，在920±10℃保溫65～70分鐘；回火溫度在Ar1溫度以下，通過(guò)熱處理工藝優(yōu)化，最終確定回火的溫度為670±10℃?；鼗鸺訜釙r(shí)間約為淬火加熱時(shí)間1.2倍，因此在670±10℃回火保溫70～80分鐘。該熱處理工藝保證了無(wú)縫鋼管的成材率。經(jīng)過(guò)上述過(guò)程生產(chǎn)的高強(qiáng)度高韌性抗H2S/CO2腐蝕油管材料化學(xué)成分的質(zhì)量百分含量為：C0.118％～0.127％、Si0.243％～0.252％、Mn0.497％～0.521％、Cr1.85％～2.1％、Mo0.376％～0.407％、P≤0.018％、S≤0.010％、V0.05％～0.055％、Ti0.015％～0.017％、Al0.017％～0.024％，其余為Fe，質(zhì)量分?jǐn)?shù)共計(jì)為100％。對(duì)各實(shí)施例的化學(xué)成分進(jìn)行檢測(cè)，各實(shí)施例的高強(qiáng)度高韌性抗H2S/CO2腐蝕油管材料化學(xué)成分的質(zhì)量百分含量如表1所示。各實(shí)施例中的有害元素及氣體的含量如表2所示。通過(guò)對(duì)脆化晶界元素S、P及有害元素As、Sn、Pb、Sb和Bi的含量的嚴(yán)格控制，來(lái)保證油管良好的力學(xué)性能。通過(guò)控制鋼中C和Mn化學(xué)成分，來(lái)提高鋼的耐蝕性。通過(guò)加入一定含量的Cr來(lái)增強(qiáng)抗腐蝕能力，提高鋼種淬透性，1.85％～2.1％的Cr含量使得材料具有抗H2S和CO2腐蝕性能的同時(shí)保證低的造價(jià)成本。通過(guò)加入Mo提高淬透性和熱強(qiáng)性能。Ti是鋼中的強(qiáng)脫氧劑，它能使鋼的內(nèi)部組織致密，細(xì)化晶粒，從而改善鋼的力學(xué)性能。V可細(xì)化組織晶粒，提高強(qiáng)度和韌性。Al可細(xì)化晶粒，提高沖擊韌性，Al還具有抗氧化性和抗腐蝕性能，Al與Cr、Si合用，可顯著提高鋼的高溫不起皮性能和耐高溫腐蝕的能力。對(duì)各實(shí)施例的高強(qiáng)度高韌性抗H2S/CO2腐蝕油管的金相組織進(jìn)行檢測(cè)，并對(duì)力學(xué)性能進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果分別如表3和表4所示。表1各實(shí)施例成分(質(zhì)量百分?jǐn)?shù)/％)實(shí)施例CSiMnPSCrMoVTiAl實(shí)施例10.1260.2490.5110.0150.0101.850.3920.0500.0170.020實(shí)施例20.1200.2520.5140.0150.0091.920.3760.0500.0170.024實(shí)施例30.1180.2430.5210.0160.0091.980.3780.0520.0150.019實(shí)施例40.1270.2480.4970.0180.0072.100.4070.0550.0150.017表2各實(shí)施例五害元素及氣體含量(ppm)實(shí)施例AsSnSbBiPbHON實(shí)施例135196.70.8151.22176實(shí)施例2223811.00.2181.52478實(shí)施例328229.50.3281.92543實(shí)施例416314.20.7151.42847目標(biāo)值≤100≤100≤50≤50≤50≤2.5≤30≤80表3各實(shí)施例的金相組織檢測(cè)結(jié)果表4各實(shí)施例的力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果從表3可以發(fā)現(xiàn)，各實(shí)施例夾雜物細(xì)小、分布均勻，組織結(jié)構(gòu)適宜，晶粒為原始奧氏體超細(xì)晶粒，晶粒度可達(dá)到10級(jí)。從表4可以看出，各實(shí)施例具有良好強(qiáng)度、較高的韌性，用其制備的油管，具有很好的高強(qiáng)性和高韌性。對(duì)本發(fā)明的高強(qiáng)度高韌性抗H2S/CO2腐蝕油管測(cè)試其抗H2S和CO2腐蝕的性能。按照美國(guó)防腐工程師協(xié)會(huì)NACEStandardTM0177-2005標(biāo)準(zhǔn)推薦的NACE溶液，將清洗過(guò)的本發(fā)明的試樣放在注入實(shí)驗(yàn)液且密封的腐蝕容器內(nèi)，通惰性氣體凈化實(shí)驗(yàn)容器后小心加載，通入H2S氣體并至其飽和，記錄實(shí)驗(yàn)開始時(shí)間，經(jīng)過(guò)NACE溶液連續(xù)720小時(shí)浸泡、在放大10倍下檢查試樣是否斷裂或有破壞性裂紋。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，經(jīng)歷720h恒定載荷的拉伸，試樣均保持完好，未出現(xiàn)腐蝕開裂現(xiàn)象，說(shuō)明材質(zhì)抗H2S應(yīng)力腐蝕開裂的能力達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。在10L高溫高壓釜中進(jìn)行模擬溶液抗CO2實(shí)驗(yàn)，與同鋼級(jí)普通碳錳鋼相比較，抗CO2平均腐蝕速率是普通碳錳鋼的1.5～2.5倍。采用本發(fā)明的成分設(shè)計(jì)和制備方法制備1噸鋼可創(chuàng)經(jīng)濟(jì)效益400元以上，優(yōu)化了產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，提高了產(chǎn)品檔次，填補(bǔ)了在抗H2S和CO2腐蝕領(lǐng)域的空白。