一种极寒环境用耐低温油井管用钢及其制备方法

技术领域

本发明涉及油井管用钢技术领域，特别涉及一种极寒环境用耐低温油井管用钢及其制备方法。

背景技术

为了满足世界经济对油气资源消耗日益增加的需求，油气资源勘探与开采逐渐向高海拔、深地、深海地区延伸。极地油气开采面临的主要问题是极端的低温环境，这对油气采掘关键部件的选材提出了严峻的挑战。油井管是油气开采的核心部件，其质量直接关系到油井的服役寿命、生产效率和开采成本。极寒环境作业的油井管，除需要承受几百甚至上千个大气压的高强负荷之外，还需避免在低温环境中发生脆性断裂，服役工况及其苛刻。因此对油气开采用油井管提出了更多苛刻的、特殊的性能要求：超低温环境下材料的强韧性尤其是低温断裂韧性问题；管体内外流体温差、井底和地表温差、冷热循环交变应力疲劳性能；蒸汽驱法对油井管材料提出的兼具耐热/冷双重性能要求等等。目前俄罗斯、法国开发的低温/超低温油井管使用环境温度已达-60℃以下，我国尚未开展过低温和超低温环境用各种油井管材料的研发。因此，亟待开发出极地环境油气资源开发装备用关键材料，保障我国能源战略发展。

目前，国外低温油井管选材主要包括两类：一类为铁素体低温钢，如低Ni钢、镍铬钼钢等低合金钢；另一类是奥氏体低温钢，如6Ni钢、9Ni钢、36Ni钢等中高合金钢。奥氏体低温钢低温韧性好、一般没有韧脆转变温度，使用更为安全，但是价格高昂，难以应用在大批量的油井管中。铁素体低温钢价格较为低廉，但是其有明显的韧脆转变温度，低温韧性较差，在使用过程中容易发生脆断，给油气开采带来巨大的经济损失。为确保具有一定的低温韧性，现有低温油井管选材通常Ni含量较高，造成成本较为昂贵。

发明内容

鉴于上述情况，本发明旨在提供一种极寒环境用耐低温油井管用钢及其制备方法，用于解决现有低温油井管用钢通常Ni含量较高，成本较高的问题。

本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：

一方面，本发明提供了一种极寒环境用耐低温油井管用钢，极寒环境用耐低温油井管用钢的组分以质量百分比计包括：C:0.10％～0.20％、Mn:2.0％～8.0％、V:0.10％～0.20％、Mo:0.20％～0.60％、Ti:0.01％～0.02％、Si:≤0.50％、Als:≤0.05％、P:≤0.010％、S:≤0.003％，余量为Fe及不可避免的杂质。

在一种可能的设计中，极寒环境用耐低温油井管用钢的组分以质量百分比计包括：C:0.11％～0.20％、Mn:3.0％～7.0％、V:0.11％～0.20％、Mo:0.25％～0.60％、Ti:0.01％～0.02％、Si:0.20％～0.50％、Als:≤0.05％、P:≤0.010％、S:≤0.003％，余量为Fe及不可避免的杂质。

在一种可能的设计中，极寒环境用耐低温油井管用钢的室温组织为“回火索氏体+残余奥氏体”混合组织。

在一种可能的设计中，极寒环境用耐低温油井管用钢的室温组织中，残余奥氏体体积分数≥5％。

另一方面，本发明还提供了一种极寒环境用耐低温油井管用钢的制备方法，用于制备上述极寒环境用耐低温油井管用钢，包括：

步骤1、冶炼、浇注得到铸坯或铸锭，铸坯或铸锭冷却形成管坯；

步骤2、对管坯进行穿孔和热轧得到荒管；

步骤3、采用在线控冷的方式对荒管进行冷却；

步骤4、对荒管进行淬火之后再进行回火，得到回火索氏体和残余奥氏体的混合组织的极寒环境用耐低温油井管用钢。

在一种可能的设计中，步骤2包括：在加热炉中将管坯加热至1100～1200℃，保温1～3h；然后出炉后对管坯进行穿孔热轧成所需尺寸的荒管。

在一种可能的设计中，步骤3中，将热轧后的荒管进行在线控冷冷却，获得均匀细小的贝氏体组织。

在一种可能的设计中，步骤4包括：

S401、淬火：将冷却后的荒管加热到830～920℃，保温0.5～2h后淬水到室温；

S402、回火：将淬水后的荒管在炉中进行加热至600～680℃，保温时间为3～10h，最后进行空冷或随炉冷却到室温，得到极寒环境用耐低温油井管用钢。

在一种可能的设计中，S401中，先将炉子加热到830～920℃，然后将荒管装炉，待荒管温度达到830～920℃后，再保温0.5～2h。

在一种可能的设计中，步骤2中，热轧的终轧温度在850℃以上。

与现有技术相比，本发明有益效果如下：

a)本发明提供的极寒环境用耐低温油井管用钢通过精确控制钢中C、Si、Mn、V、Mo、Ti等元素的质量百分比，并结合淬火+回火的工艺保证了钢的回火索氏体+残余奥氏体(残余奥氏体体积分数≥5％)混合组织，保证了极寒环境用耐低温油井管用钢在具有较高强度水平的同时，兼具较高的韧性以及较好的低温断裂韧性。保证本发明钢能够满足优异的机械性能。

b)本发明通过控制工艺，得到“回火索氏体+残余奥氏体的混合组织，其中残余奥氏体体积分数≥5％，从而得到室温强韧性和低温断裂韧性的理想配合；只有在本发明的成分、步骤和温度范围内进行热处理才能使本发明成分的钢的强度和韧性匹配，全部达到要求范围。

c)采用本发明成分及方法制得的极寒环境用耐低温油井管用钢具有良好的综合力学性能，其屈服强度≥760MPa，抗拉强度≥900MPa，屈强比0.8以上，延伸率≥20％，-60℃冲击韧性≥100J；本发明的钢确保了极寒环境服役性能要求，同时该成分体系还大幅度降低了合金成本。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分的从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1为本发明的实施例1的钢的微观组织图；

图2为本发明的实施例1的钢的微观组织图；

图3为本发明的实施例5的钢的微观组织图；

图4为本发明的实施例5的钢的微观组织图。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理。

本发明提供了一种极寒环境用耐低温油井管用钢，极寒环境用耐低温油井管用钢的组分以质量百分比计包括：C:0.10％～0.20％、Mn:2.0％～8.0％、V:0.10％～0.20％、Mo:0.20％～0.60％、Ti:0.01％～0.02％、Si:≤0.50％、Als:≤0.05％、P:≤0.010％、S:≤0.003％，余量为Fe及不可避免的杂质。

以下对本发明中所含组分的作用及用量选择作具体说明：

C：碳是一种典型的间隙固溶强化元素，提高合金中的碳元素含量是提升合金强度的有效途径，但是过高的碳含量会导致材料的韧塑性严重降低。碳含量对马氏体组织的形态具有显著的影响，高碳钢中的马氏体形态以片状马氏体(孪晶马氏体)为主，其强度很高、塑性极差；当碳含量小于0.3％时，马氏体组织是以板条马氏体为主，其间存在少量的片状马氏体；当碳含量降至0.26％以下时，马氏体组织几乎全部为板条马氏体，即位错型马氏体。在相同强度的前提下，位错型马氏体比孪晶型马氏体有更好的韧性，更低的韧脆转变温度和更小的缺口敏感性等优点，而且即使经过回火也具有相同的表现。因此，为了确保低温油井管用钢具有良好的低温强韧性匹配，本发明中C的含量控制在0.10％～0.20％。

Si：是炼钢中的脱氧剂，有固溶强化作用，但过量的硅对钢的韧性及抗硫化氢腐蚀性不利。本发明中Si的含量控制在≤0.50％。

Mn：添加锰可降低马氏体转变温度Ms，增加残余奥氏体的含量，尤其是当钢中Mn含量≥3％时，还可以有效地提高残余奥氏体分解的抗力。但是Mn含量太高的话会使残余奥氏体的稳定性大大提高，以致存在较高的塑性变形时残余奥氏体也不会发生相变，对提高工件的延展性不利；同时Mn含量过高，提高了材料碳当量，对焊接性能不利。本发明中Mn含量控制在2.0％～8.0％范围。

Mo：Mo是扩大淬透性元素，在连续冷却过程中Mo可推迟奥氏体向贝氏体转变；同时，Mo元素在高温回火的过程中提高钢的回火稳定性，从而确保钢具有良好的韧性，保证钢在较高的强度下具有良好的综合机械性能。本发明中控制Mo的含量为0.20％～0.60％。

V：能够细化晶粒，形成碳化物起到析出强化的效果，还可以提高高温回火抗力，保证钢在高温回火时降低位错密度；但是当钢中V含量过高时，会显著降低材料韧性，因此，本发明中控制V的含量为0.10％～0.20％。

Al：Al是钢脱氧所必须的元素，因此无法完全避免将Al带入钢中，但Al含量超过0.1％后，对钢的浇铸过程会有不利影响，因此本发明中控制酸溶铝的质量百分比在Als:≤0.05％。

P：属于钢中杂质，不利于焊接性和韧性，含量控制在≤0.010％。

S：严重恶化钢的耐蚀性能和韧性，其含量控制在≤0.0030％。

Ti：钛元素十分活泼，与碳、硫、氮等元素均有较强的亲和力，在钢中主要以钛的化合物形式存在。凝固过程中形成的细小弥散Ti C或Ti N能够作为形核质点，起到细化晶粒的作用，从而提高钢的强韧性。此外，钛和硫结合形成TiS，抑制MnS的形成，降低MnS的危害，从而对钢的冲击性能产生有益作用。但是Ti含量过高时，在晶界上形成的粗大氮化物或硫化物颗粒，极易成为脆性断裂的裂纹源，严重降低冲击韧性。因此，本发明中仅做微Ti处理，Ti含量控制在0.01％～0.02％为宜。

为了进一步改善上述极寒环境用耐低温油井管用钢的综合性能，上述极寒环境用耐低温油井管用钢的组成以质量百分比计可以为：C:0.11％～0.20％、Mn:3.0％～7.0％、V:0.11％～0.20％、Mo:0.25％～0.60％、Ti:0.01％～0.02％、Si:0.20％～0.50％、Als:≤0.05％、P:≤0.010％、S:≤0.003％，余量为Fe及不可避免的杂质。

本发明还提供了上述极寒环境用耐低温油井管用钢的制备方法，包括：

步骤1、冶炼、浇注得到铸坯或铸锭，铸坯或铸锭冷却形成管坯；

步骤2、对管坯进行穿孔和热轧得到荒管；

步骤3、采用在线控冷的方式对荒管进行冷却；

步骤4、对荒管进行淬火之后再进行回火，得到回火索氏体和残余奥氏体的混合组织的极寒环境用耐低温油井管用钢。

具体的，上述步骤1中，可以采用转炉、电炉或感应炉冶炼，采用连铸生产铸坯或模铸生产铸锭。

具体的，上述步骤2的具体步骤包括：在加热炉中将管坯加热至1100～1200℃，保温1～3h，确保合金元素全部溶解，以固溶态形式存在于钢材基体中；然后出炉后对管坯进行穿孔热轧成所需尺寸的荒管。需要说明的是，考虑到保温温度过高或保温时间过长，导致奥氏体晶粒过分长大甚至过热，影响材料最终性能；保温温度过低或保温时间过短，导致钢无法完全奥氏体化或合金元素固溶不充分，钢材成分不均匀，影响性能。因此，控制保温温度1100～1200℃，保温1～3h。

具体的，上述步骤2中，热轧的终轧温度在850℃以上，例如900℃以上。

具体的，上述步骤3中，将热轧后的荒管迅速通过带水冷喷嘴的环形冷却装置，对荒管进行在线控冷冷却，以便获得均匀细小的贝氏体组织。

具体的，上述步骤4的具体步骤包括：

S401、淬火：将冷却后的荒管加热到830～920℃，保温0.5～2h后淬水到室温；

S402、回火：将淬水后的荒管在炉中进行加热至600～680℃，保温时间为3～10h，最后进行空冷或随炉冷却到室温，得到回火索氏体+残余奥氏体组织的极寒环境用耐低温油井管用钢。

具体的，上述S401中，将荒管加热到奥氏体化温度以上并保温一段时间保证微合金元素全部溶解到基体中，然后淬火到室温得到完全的马氏体组织，并且合金元素充分固溶。考虑到温度过高或保温时间过长，导致奥氏体晶粒过分长大甚至过热，影响材料最终性能；保温温度过低或保温时间过短，导致钢无法完全奥氏体化或合金元素固溶不充分，钢管成分不均匀，影响性能。因此，控制将荒管加热至830～920℃(控制加热速率为4～40℃/S)，保温0.5～2h。

具体的，上述S401中，先将炉子加热到830～920℃，然后将荒管装炉，待荒管温度达到830～920℃(时间约为10min)后，再保温0.5～2h。

具体的，上述S402中，回火的长时间保温过程中，先将荒管加热到部分奥氏体化温度，再长时间保温，使C、Mn、Mo、V等合金元素充分配分，扩散到奥氏体中，增加奥氏体的稳定性，然后随炉冷却或者空冷到室温，得到合金元素大量富集的残余奥氏体。

具体的，上述S402中，控制将淬水后的荒管在炉中以4～8℃/S的升温速度进行加热至600～680℃。

具体的，上述S402中，极寒环境用耐低温油井管用钢的室温组织为“回火索氏体+残余奥氏体”混合组织，其中，残余奥氏体体积分数≥5％，例如残余奥氏体体积分数≥8％(例如8.5％～20％)，晶粒尺寸30μm以下，例如20～29μm。

具体的，上述S402中，C、Mn等元素在残余奥氏体中富集，使得钢中残余奥氏体在室温下也能稳定存在，因此使得残余奥氏体的含量增加。

具体的，上述S402中，得到的极寒环境用耐低温油井管用钢的力学性能如下：屈服强度≥760MPa(例如770MPa～950MPa)，抗拉强度≥900MPa(例如920MPa～1070MPa)，屈强比0.8以上(例如0.83～0.93)，断后延伸率≥20％(例如23％～30％)，-60℃冲击韧性≥100J(例如110J以上)。钢材达到110～125Ksi钢级强度水平的同时，兼具优异的低温断裂韧性。本发明的钢成本低、经济、实用、强韧性好、低温断裂韧性好。

实施例1-4

本发明的实施例1-4提供了一种极寒环境用耐低温油井管用钢及其制备方法，实施例1-3钢的组分以质量百分比计包括：C:0.11％～0.20％、Mn:3.0％～7.0％、V:0.11％～0.20％、Mo:0.25％～0.60％、Ti:0.01％～0.02％、Si:0.20％～0.50％、Als:≤0.05％、P:≤0.010％、S:≤0.003％，余量为Fe及不可避免的杂质。

实施例1-4的钢的制备方法包括：

(1)采用转炉炼钢、连铸生产成管坯；

(2)利用无缝管成型技术，将上述管坯加热到1150℃，恒温段保温2小时，然后出炉、穿孔轧制，在980℃出轧机后采用喷水冷却形成荒管；荒管的组织为均匀细小的贝氏体组织；

(3)将冷却后的荒管加热到850℃，保温1h后淬水到室温，然后将淬火后的荒管以5℃/S的速度在回火炉中加热到650℃，保温10h后空冷到室温，得到耐低温油井管用钢。

实施例1-4的钢的具体成分如下表1所示，实施例1的钢的微观组织如图1和图2所示，实施例1-4的钢的微观组织如表2所示，钢的力学性能如下表3所示。

表1实施例1-4的钢的化学组分

表2实施例1-4的钢的微观组织

表3实施例1-4的钢的力学性能

实施例5-8

本发明的实施例5-8提供了一种极寒环境用耐低温油井管用钢及其制备方法，实施例5-8的钢的组分以质量百分比计包括：C:0.16％、Si:0.30％、Mn:5.2％、V:0.16％、Mo:0.50％、Als:0.023％、P:0.006％、S:0.015％，Ti:0.013％，余量为Fe及不可避免的杂质。

实施例5-8的钢的制备方法包括：

(1)采用转炉炼钢、连铸生产成管坯；

(2)利用无缝管成型技术，将上述管坯加热到1120℃，恒温段保温2.5h，然后出炉、穿孔轧制，在950℃出轧机后采用喷水冷却形成荒管；

(3)首先将冷却后的荒管加热到850℃和880℃，保温1h后淬水到室温，然后将淬火后的荒管以5℃/S的速度在回火炉中分别加热到620℃和650℃，保温10h后空冷到室温。具体的热处理工艺如表4所示。

实施例5的钢的微观组织如图3和图4所示，实施例5-8的钢的微观组织如表5所示，钢的力学性能如下表6所示。

表4实施例5-8的钢的热处理工艺

表5实施例5-8的钢的微观组织

表6实施例5-8的钢的力学性能

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。