一种耐H₂S腐蚀连续管及其制造方法

一种耐H₂S腐蚀连续管及其制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种耐H2S腐蚀连续管及其制造方法，按照质量百分比：C0.03?0.06、Si≤0.152、Mn0.15?0.55、P≤0.01、S≤0.003、Cr0.2?0.6、Mo≤0.02、Ni0.1?0.27、V≤0.06、Ti≤0.03、Nb0.05?0.09、Fe余量。解决了现有钢制连续管在酸性环境中失效较快的问题。所发明的低碳低锰耐H2S腐蚀连续管产品具有较高的强度、塑性和耐蚀性。在满足管材力学性能的前提下，通过低碳低锰微合金化设计，大幅降低了母材中的带状偏析，有效减少了缺陷，防止了H的聚集，使裂纹的形成与扩展不易发生，大大提高了管材的耐蚀性。同时，通过优化焊缝和母材热处理工艺，减小了管材残余应力，进一步提高了耐蚀性。
【专利说明】
一种耐H2s腐蚀连续管及其制造方法
技术领域：
[0001] 本发明属于石油天然气管材技术领域，涉及耐H2S腐蚀连续管制造技术。
【背景技术】：
[0002] 连续管是一种高强度、高韧性、单根长度可达数千米，采用碳钢材料通过卷板焊接 制成的一种新型石油管材，广泛用于石油钻井、修井、测井、完井及油气输送等领域，被称为 "万能管"。
[0003] 目前，由于国内外大多数油田油气井中均含有H2S腐蚀介质，采用普通钢制连续管 在井下作业时，连续管易于发生氢致开裂，造成管柱断裂，可能产生重大经济损失或安全事 故。主要原因是，当钢材在含硫化氢的水溶液环境中，由于电化学腐蚀使钢内吸收氢，氢原 子在钢内夹杂物或其它微观组织结构等不连续区域聚集并形成分子氢，产生很高压力，从 而形成阶梯型裂纹和(或)氢鼓泡，此即硫化物环境氢致开裂(HIC)。同时，连续油管在含硫 化物环境中服役时处于电化学腐蚀和拉伸应力的联合作用下，往往会发生延迟脆性断裂现 象，这类破坏称之为钢的硫化物应力腐蚀开裂(SCC)。在H 2S腐蚀介质中，连续管发生的HIC 和SCC已成为影响连续管在酸性环境中应用的重大阻碍。
[0004] "一种高强度高塑韧性连续油管制造方法"（CN 101898295)公布的连续管制造方 法中，由于连续管材料化学成分设计中，C、Mn含量较高，管材抗硫化氢腐蚀性能不足。主要 是沿钢材的乳制方向，有大量先共析铁素体与珠光体彼此堆叠产生的带状组织。由于大量 带状组织的存在，易于产生组织缺陷，在外力作用下，产生应力集中，造成总体力学性能下 降。当连续管在酸性环境下使用时，缺陷处会成为H聚集地，当H分压达到或超过材料强度 时，产生裂纹并扩展，造成连续管失效。
[0005] 因此，需要研究开发一种适合在H2S环境中应用的连续管。本发明将低碳低锰钢应 用于连续管的生产中，形成耐H 2S腐蚀的连续管钢材及连续管产品。

【发明内容】
：
[0006] 本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种耐h2s腐蚀的连续管解决 方案，通过低碳、低锰、微合金化成分设计及乳制工艺生产出低碳低锰连续管钢材，并通过 高频焊(HFW)及特殊的后续热处理工艺，制造出性能优异、长度可达数千米的耐H 2S腐蚀连 续管产品。
[0007] 本发明的目的是通过以下技术方案来解决的：
[0008] -种耐H2S腐蚀连续管，质量百分比如下:C0 ? 03-0 ? 06、Si < 0 ? 152、MnO ? 15-0 ? 55、P <0.01、S<0.003、Cr0.2-0.6、Mo<0.02、Ni0J-0.27、V<0.06、Ti<0.03、Nb0.05-0.09、Fe 余量。
[0009] 所述连续管外径为25 ? 4-88 ? 9mm，壁厚1 ? 9-7 ? 6mm，长度大于61米，屈服强度483-620MPa，抗拉强度2 552MPa，最大硬度248HV〇.5，晶粒度在ASTM El 12N0.10级以上，带状组织 < 1.5级。
[0010]所述耐H2S腐蚀连续管的制造方法，按照如下步骤:采用TMCP工艺，将板坯加热至 1000-1300°C时进行粗乳，在680°C-880°C进行精乳；卷曲温度350-580°C，最后制成厚度 1.9-7.6mm之间符合应用要求的钢卷;将低碳低锰连续管钢卷纵剪成适合生产的钢带;采用 等离子焊接或其他焊接方法将钢带对接至连续管产品所需长度，并留够余量;通过排辊成 型后，对焊缝进行880°C-98(TC热处理，优化焊缝组织、降低焊接应力；随后对全管体进行 550°C_760°C去应力处理。
[0011] A低碳低锰连续管钢材 [0012] 1)钢材成分设计：
[0013]根据以下化学成分重量百分比熔炼、锻造成板坯：
[0015] 2)钢材乳制工艺如下：
[0016] 采用TMCP工艺，将上述成分的板坯加热至1000-1300°c时进行粗乳，在680°C-880 °C进行精乳;卷曲温度350-580°C，最后制成厚度1.9-7.6mm之间符合应用要求的钢卷。
[0017] 3)钢材的性能：
[0018] 屈服强度430-600MPa，抗拉强度2 540MPa，最大硬度230HV〇.5,晶粒度在ASTM E112N0.10级以上，带状组织< 1.5级。
[0019] B:耐贴腐蚀连续管制造工艺
[0020] 1)将低碳低锰连续管钢卷纵剪成适合生产的钢带。采用等离子焊接或其他焊接方 法将钢带对接至连续管产品所需长度，并留够余量。通过排辊成型后，对焊缝进行880°C-980°C热处理，优化焊缝组织、降低焊接应力。随后对全管体进行550°C-760°C去应力处理。 通过上述对焊缝和母材更高温度的热处理，进一步降低管材残余应力，提高硫化氢应力腐 蚀抗力。
[0021] 2)耐H2S腐蚀连续管主要性能指标
[0022]采用低碳低锰连续管钢材制造的低碳低锰耐H2S腐蚀连续管外径为25.4-88.9mm， 壁厚1.9-7.6111111，长度大于61米，屈服强度483-6201〇^，抗拉强度2 5521〇^，最大硬度 248HV〇.5。
[0023] 依据美国腐蚀工程师协会NACE标准TM0284-2003进行试验，本试验使用高纯氮除 氧，腐蚀溶液为硫化氢饱和的0.5 %醋酸+5 % NaCl混合溶液，腐蚀溶液用蒸馏水和化学纯试 剂配制。溶液体积和试样面积比大于3mL/cm2,溶液温度保持在25±3°C。经过96小时的试验 后，对试样进行清洗、观察，没有裂纹和鼓泡产生。
[0024] 依据美国腐蚀工程师协会标准NACE TM 0177-1996《金属材料在含H2S环境中抗硫 化物应力腐蚀开裂性能试验方法》（等效于中华人民共和国标准GB/T4157-2006《金属在硫 化氢环境中抗特殊形式环境开裂实验室试验》)进行试验，加载方式采用静态拉伸法，对试 样施加数值为90%屈服压力的拉伸应力，腐蚀溶液为标准中规定的A溶液(硫化氢饱和5% NaCl+0.5 %冰乙酸水溶液）。经过720小时的应力腐蚀实验，试样不断裂。
[0025]本发明的有益效果在于:本发明的一种耐H2S腐蚀连续管，解决了现有钢制连续管 在酸性环境中失效较快的问题。所发明的耐H2s腐蚀连续管产品具有较高的强度、塑性和耐 蚀性。在满足管材力学性能的前提下，通过低碳低锰微合金化设计，大幅降低了母材中的带 状偏析，有效减少了缺陷，防止了 H的聚集，使裂纹的形成与扩展不易发生，大大提高了管材 的耐蚀性。同时，通过优化焊缝和母材热处理工艺，减小了管材残余应力，进一步提高了耐 蚀性。
【附图说明】 图1-1为一般连续管组织形貌图。 图1-2为实施例一得到的耐H2S腐蚀连续管组织形貌图。 图2为实施例一耐H2S腐蚀连续管HIC试样形貌图。 图3为实施例一耐H2S腐蚀连续管SCC试样形貌图。 图4-1为一般连续管组织形貌图。 图4-2为实施例二得到的耐H2S腐蚀连续管组织形貌图。 图5为实施例二耐H2S腐蚀连续管HIC试样形貌图。 图6为实施例二耐H2S腐蚀连续管SCC试样形貌图。
【具体实施方式】：
[0026]下面对本发明做进一步详细描述：
[0027] 实施例一：
[0028] 1)设计了如下成分的卷板：
[0030] 将采用上述成分设计的钢乳制成为1100X3.18mm规格、重20t、长约700m的钢卷。 [0031] 该钢材主要性能：屈服强度550MPa，抗拉强度642MPa，延伸率34%，硬度228HV〇.5。 晶粒度在ASTM El 12N0.11级，带状组织1.0级。
[0032] 2)将该钢卷纵剪成宽度120.2mm的9条钢带。将钢带对接成总长6300米的钢带。利 用排辊成型为〇 38.1 X 3.18mm规格的钢管，经焊缝热处理、全管体去应力处理后得到一盘 4000米长耐H2S腐蚀连续管产品。
[0033] 该连续管的主要性能：屈服强度为595MPa，抗拉强度为668MPa，最大硬度232HV0.5。 组织形貌见图1_1和图1_2。
[0034]由图1-1和图1-2可知，本实施例得到的耐H2S腐蚀连续管带状组织明显减少，降低 了连续管在H2S环境中腐蚀失效的危险性。
[0035]
[0036] 依据美国腐蚀工程师协会NACE标准TM0284-2003进行试验，本试验使用高纯氮除 氧，腐蚀溶液为硫化氢饱和的0.5 %醋酸+5 % NaCl混合溶液，腐蚀溶液用蒸馏水和化学纯试 剂配制。溶液体积和试样面积比大于3mL/cm2,溶液温度保持在25±3°C。经过96小时的试验 后，对试样进行清洗、观察，没有裂纹和鼓泡产生，腐蚀后观测图见图2。
[0037]
[0038] 依据美国腐蚀工程师协会标准NACE TM 0177-1996《金属材料在含H2S环境中抗硫 化物应力腐蚀开裂性能试验方法》（等效于中华人民共和国标准GB/T4157-2006《金属在硫 化氢环境中抗特殊形式环境开裂实验室试验》)进行试验，加载方式采用静态拉伸法，对试 样施加数值为535MPa屈服压力的拉伸应力，腐蚀溶液为标准中规定的A溶液(硫化氢饱和 5%NaCl+0.5%冰乙酸水溶液）。经过720小时的应力腐蚀实验，试样未断裂，试样见图3。
[0039]
[0040] 以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定 本发明的【具体实施方式】仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱 离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所 提交的权利要求书确定专利保护范围。
[0041 ] 实施例二：
[0042] 1)设计了如下成分的卷板：
[0044] 将采用上述成分设计的钢乳制成为1120X4.0mm规格、重20t、长约570m的钢卷。 [0045] 该钢材主要性能：屈服强度470MPa，抗拉强度575MPa，延伸率32%，硬度219HV〇.5。 晶粒度在ASTM E112 N0.11级，带状组织1.0级。
[0046] 2)将该钢卷纵剪成宽度158.1mm的7条钢带。将钢带对接成总长3990米的钢带。利 用排辊成型为〇 50.8 X 4.0mm规格的钢管，经焊缝热处理、全管体去应力处理后得到一盘 3500米长耐H2S腐蚀连续管产品。
[0047] 该连续管的主要性能：屈服强度为515MPa，抗拉强度为595MPa，最大硬度226HV0.5。 组织形貌见图4-1和图4-2。
[0048]由图4-1和图4-2可知，本实施例得到的耐H2S腐蚀连续管带状组织明显减少，降低 了连续管在H2S环境中腐蚀失效的危险性。
[0049]
[0050] 依据美国腐蚀工程师协会NACE标准TM0284-2003进行试验，本试验使用高纯氮除 氧，腐蚀溶液为硫化氢饱和的0.5 %醋酸+5 % NaCl混合溶液，腐蚀溶液用蒸馏水和化学纯试 剂配制。溶液体积和试样面积比大于3mL/cm2,溶液温度保持在25±3°C。经过96小时的试验 后，对试样进行清洗、观察，没有裂纹和鼓泡产生，腐蚀后观测图见图5。
[0051]
[0052] 依据美国腐蚀工程师协会标准NACE TM 0177-1996《金属材料在含H2S环境中抗硫 化物应力腐蚀开裂性能试验方法》（等效于中华人民共和国标准GB/T4157-2006《金属在硫 化氢环境中抗特殊形式环境开裂实验室试验》)进行试验，加载方式采用静态拉伸法，对试 样施加数值为535MPa屈服压力的拉伸应力，腐蚀溶液为标准中规定的A溶液(硫化氢饱和 5%NaCl+0.5%冰乙酸水溶液）。经过720小时的应力腐蚀实验，试样未断裂，试样见图6。
[0053]
[0054]以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定 本发明的【具体实施方式】仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱 离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所 提交的权利要求书确定专利保护范围。
【主权项】
1. 一种耐H2S腐蚀连续管，其特征在于，按照质量百分比：CO . 03-0.06、Si < Ο . 152、 MnO .15-0.55、P< 0.01、S《0.003、Cr0.2-0 ·6、Μο<0·02、Μ0·卜0.27、V<0.06、Ti <0.03、 NbO .05-0.09、Fe 余量。2. 如权利要求1所述耐H2S腐蚀连续管，其特征在于:所述连续管外径为25.4-88.9mm，壁 厚1.9-7.6mm，长度大于61米，屈服强度483-620MPa，抗拉强度2 552MPa，最大硬度248HV〇.5， 晶粒度在ASTME112N0.10级以上，带状组织<1.5级。3. 如权利要求1或2所述耐H2S腐蚀连续管的制造方法，其特征在于，按照如下步骤:采用 TMCP工艺，将板坯加热至1000-1300°C时进行粗乳，在680°C-880°C进行精乳;卷曲温度350-580°C，最后制成厚度1.9-7.6_之间符合应用要求的钢卷;将低碳低锰连续管钢卷纵剪成 适合生产的钢带;采用等离子焊接或其他焊接方法将钢带对接至连续管产品所需长度，并 留够余量;通过排辊成型后，对焊缝进行880°C-98(TC热处理，优化焊缝组织、降低焊接应 力；随后对全管体进行550 °C-760 °C去应力处理。
【文档编号】B21C37/08GK105840919SQ201510565775
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2015年9月8日
【发明人】毕宗岳, 张晓锋, 余晗, 张锦刚, 鲜林云, 李鸿斌, 汪海涛, 张国超, 晁利宁, 王维亮
【申请人】宝鸡石油钢管有限责任公司