耐酸性环境腐蚀电阻焊钢管及其制备方法

耐酸性环境腐蚀电阻焊钢管及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种石油天然气工业用耐酸性环境腐蚀电阻焊钢管及 其制备方法。用于酸性环境中服役的油气输送管、油气井套管和油管 可膨胀套管。

背景技术

电阻焊管具有生产效率高、成材率高、钢管几何尺寸精度高等特点， 加之焊接技术发展及无损检测技术进步，使直缝电阻焊管的质量有了 很大提高。但是，直缝电阻焊管在使用中的质量事故时有发生，主要 表现为焊缝存在粗大组织缺陷、焊缝存在氧化物夹杂、甚至存在未熔 合或裂纹，严重时会导致爆裂。在腐蚀环境中服役的电阻焊管，还存 在氢致裂纹、硫化物应力腐蚀破裂现象。

二十世纪八十年代以来，随着国内直缝电阻焊接生产线的引进，国 产直缝电阻焊管开始生产和应用。但是，国产电阻焊管生产厂家繁多， 产品质量参差不齐，时而发生质量事故，其技术完整性还有待提高。 目前，强度级别在60ksi级以上的耐酸性环境腐蚀电阻焊管在国内还 是空白，国际上已批量应用了强度级别达到65ksi的电阻焊管，但其 成分设计和制造工艺尚未完全公开。

为了满足石油天然气勘探开发、储运对电阻焊管可靠、经济的要 求，本发明通过钢材化学成分和套管制造工艺的优化设计，提出了一 种兼顾强度、塑性、韧性、母材与焊缝性能均一、耐腐蚀性能优良的 直缝电阻焊管用钢及相应的制造方法。

为了保证膨胀施工的顺利实施，膨胀管应具有优良的膨胀性能并 且要求材料在膨胀之后仍具有良好的韧性和强度。本发明就是基于上 述背景，提出了一种兼顾塑性、焊缝无缺陷、母材与焊缝性能均一的 可膨胀套管及其制造方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种耐酸性环境腐蚀电阻焊钢管及其制备方 法，并提出相应的油气输送管、油管和套管、可膨胀套管的制备方法。

本发明所述的一种耐酸性环境腐蚀电阻焊钢管的合金材料(各组 分)质量百分比如下：

C：0.03～0.18％；Mn：1.25～1.75％；Si：0.17～0.37％；Al：0.02～ 0.05％；P≤0.008％；S≤0.001％；N≤0.005％；O≤0.0015％；H≤0.00015％； Ca：0.001～0.005％；并控制AL：N≥2∶1；Ca：S≥2∶1；同时，控 制Mn/Si：4～15。含有质量百分比的Nb：0.03～0.08％；Ti：0.02～ 0.06％；V：0.03～0.08％中的一种或两种以上的合金元素，并控制 Nb+V+Ti≤0.15％；含有质量百分比0.15～0.30％的Cu，0.15～0.30％ 的Mo，0.15～0.30％的Ni，0.20～0.30％的Cr，0.03～0.05％的Re(稀 土)合金元素；余量为Fe。适当的碳含量主要是为了兼顾材料的强度、 塑性、韧性以及螺纹的抗粘扣性能和管材的耐腐蚀性能；Mn作为主要 的合金元素来提高钢的淬透性并产生固溶强化；严格控制H、O、N及 Al∶N比和Ca∶S比用以控制韧性和耐腐蚀性能；微量Nb、Ti、V用以 细化晶粒并产生沉淀强化作用；少量Cu、Mo、Ni、Cr多元合金化的优 势是可以避免单一元素有可能产生的不利影响；加入Re元素主要是起 到净化、夹杂物变质和变形并细化、改善偏析、固溶强化等作用；控 制Mn与Si的用量比，主要是要降低电阻焊接过程中焊缝补可避免的 氧化物的熔点使其易于排出。

耐酸性环境腐蚀电阻焊钢管的制备方法：

首先，制备热轧板卷：将上述材料(各组分)经氧吹转炉熔炼，煨 Si‑Ca丝对钢中夹杂物进行球化处理，再转入精炼炉脱S、P等有害杂 质，之后在真空炉脱O、N、H等有害气体，采用连续铸造及连铸过程 中的电磁搅拌(减小偏析)制成厚度约为250mm的厚板坯，加热至1200 ℃，1000℃～1100℃粗轧，700℃～950℃精轧，轧后冷却速度20℃～50 ℃/s，卷取温度520～600℃，制成综合性能优良的厚度为7～20mm的 热轧板卷。

其次，用热轧板卷生产直缝电阻焊接钢管：热轧板卷拆卷、矫平， 铣边，精确控制带钢宽度和板边垂直度，采用排辊成型控制板边波形； 调整焊接电流、电压参数。控制焊缝的挤压量在1.5～3.5mm，以产生 60°～80°的焊缝金属流动上升角。开口角控制在3°～8°，进行焊接，焊 接速度为15～25m/min；焊接成厚度为7～20mm的直缝钢管。

然后，对焊后焊接钢管进行焊缝正火或整体正火或整体淬火，控 制水冷开始温度在380～400℃，正火或淬火温度900～1000℃，正火 或淬火后的焊接钢管在线450‑550℃热定径及校直；或采用热张力减径 方法，通过高温扩散和形变热处理，使钢管的成分均匀，甚至于达到 “无缝化”，材料晶粒细化；还可以进行一次880℃～950℃的整体加 热淬火并进行550℃～650℃回火，淬火回火后的焊接钢管也可以采用 450℃～550℃的离线热校直。

最后，将焊接钢管截成长度10～12m的管段。

若用作油管和套管或可膨胀套管，在每根焊接钢管的两端，用数 控机床加工API标准螺纹或特殊螺纹。

本发明的有益效果：本发明制备的直缝电阻焊钢管，具备以下性能 特点：

耐腐蚀直缝电阻焊油气输送管：屈服强度达到70kSi钢级，屈服强 度≥485MPa，抗拉强度≥570Mpa；延伸率≥35％；母材横向全尺寸V型 缺口Charpy冲击能≥150J，焊缝≥90J；在Nace A溶液中浸泡96小 时后，裂纹长度率CLR≤15％，裂纹厚度率CTR≤5％，裂纹面积率CSR ≤2％；焊缝沟状腐蚀敏感系数≤1.3。

耐腐蚀直缝电阻焊油管和套管：屈服强度达到110kSi钢级，屈服 强度≥758MPa，抗拉强度≥862Mpa；延伸率≥25％；母材横向全尺寸V 型缺口Charpy冲击能≥100J，焊缝≥60J；在Nace A溶液中浸泡96 小时后，裂纹长度率CLR≤15％，裂纹厚度率CTR≤5％，裂纹面积率CSR ≤2％；焊缝沟状腐蚀敏感系数≤1.3。

耐腐蚀直缝电阻焊可膨胀套管：膨胀前，屈服强度达到70kSi钢级， 屈服强度≥485MPa，抗拉强度≥570Mpa；延伸率≥35％；母材横向全尺 寸V型缺口Charpy冲击能≥150J，焊缝≥90J；膨胀后，屈服强度达 到90kSi钢级，屈服强度≥625MPa，抗拉强度≥690Mpa；延伸率≥25％； 母材横向全尺寸V型缺口Charpy冲击能≥90J，焊缝≥60J；在Nace A 溶液中浸泡96小时后，裂纹长度率CLR≤15％，裂纹厚度率CTR≤5％， 裂纹面积率CSR≤2％；焊缝沟状腐蚀敏感系数≤1.3。

具体实施方式

实施例1：

以一批次耐腐蚀直缝电阻焊油气输送管及其制备方法为例，对本 发明作进一步详细说明。

耐腐蚀直缝电阻焊油气输送管用钢合金成分(各组分)质量百分 比是，C：0.035％，Mn：1.65％，Si：0.24％，P：0.008％，S：0.0008％， O：0.0010％；H：0.00012％；N：0.005％，Ca：0.003％，Al：0.03％，Nb： 0.05％；Ti：0.02％；Re：0.03％；其余Fe。

制备耐腐蚀直缝电阻焊油气输送管的方法：

首先，制备热轧板卷：将直缝电阻焊油气输送管用钢各组分经过 氧吹转炉熔炼，炉外精炼，真空脱气；经过连铸制成250mm厚的板坯； 然后再加热至约1200℃；温度降至1080～1100℃进行粗轧，温度在 850～950℃进行精轧，精轧后厚度为12.7mm。精轧后喷水冷却，冷却 速度为15～20℃/s；然后卷取，卷取温度580～620℃，制成厚度为 12.7mm热轧板卷。

其次，用热轧板卷生产外径508mm、壁厚12.7mm直缝电阻焊接 钢管。拆卷、矫平、铣边，精确控制带钢宽度在1596～1599mm，板边铣 加工成直角，采用排辊成型控制板边波形；调整焊接电流、电压工艺 参数。调整和控制焊缝的挤压量2～3mm，使材料产生70°～75°的焊缝 金属流动上升角。开口角控制在5°。焊接速度20m/min。焊接成厚度 为外径508mm、壁厚12.7mm的直缝钢管。

然后，对焊后焊缝进行980℃±15℃在线正火，控制水冷开始温度 在380～400℃。焊后在线450‑500℃热定径及校直。焊接钢管截成长度 约为12m的管段。

性能特点：屈服强度达到70kSi钢级，屈服强度450～550MPa，抗 拉强度535～650Mpa，延伸率35～40％，母材横向全尺寸V型缺口Charpy 冲击能150～200J，焊缝90～160J；在Nace A溶液中浸泡96小时后， 裂纹长度率CLR≤15％，裂纹厚度率CTR≤5％，裂纹面积率CSR≤2％；焊 缝沟状腐蚀敏感系数≤1.3。

实施例2：

耐腐蚀直缝电阻焊油气输送管用钢合金成分(各组分)质量百分 比是，C：0.05％，Mn：1.75％，Si：0.27％，P：0.007％，S：0.0007％， O：0.0011％；H：0.00013％；N：0.005％，Ca：0.004％，Al：0.035％，Nb： 0.06％；V：0.04％；Ti：0.03％；Cu：0.23％；Ni：0.25％；其余Fe。

其制备方法同实施例1。

性能特点：屈服强度达到70kSi钢级，屈服强度485～585MPa，抗 拉强度570～680Mpa，延伸率35～40％，母材横向全尺寸V型缺口Charpy 冲击能150～200J，焊缝90～160J；在Nace A溶液中浸泡96小时后， 裂纹长度率CLR≤15％，裂纹厚度率CTR≤5％，裂纹面积率CSR≤2％；焊 缝沟状腐蚀敏感系数≤1.3。

实施例3：

本发明耐酸性环境腐蚀油气井可膨胀套管用钢合金材料的质量百 分比：C：0.09％，Mn：1.45％，Si：0.20％，Al：0.03％，P：0.006％， S：0.0009％，O：0.0013％，H：0.00011％，N：0.0035％，Ca：0.003％， Nb：0.07％，Ti：0.03％，Cu：0.19％，Ni：0.21％，其余为Fe。

耐酸性环境腐蚀油气井可膨胀套管的制备方法：

首先，制备热轧板卷：将上述油气井可膨胀套管用钢材料(各组分) 经氧吹转炉熔炼，连铸成约250mm厚的板坯，加热至约1200℃，在温 度1050～1100℃时进行粗轧，在温度930℃时进行精轧，轧后喷水冷 却，冷却速度15～20℃/s，卷取温度580℃，制成厚度约为10mm的热 轧板卷。

其次，用热轧板卷生产直缝电阻焊接钢管，板边采用铣边方法，控 制带钢宽度约540mm，板边铣加工成直角；采用排辊成型方法控制板边 波形；调整焊接电流、电压参数；调整和控制焊缝的挤压量2～3mm， 使材料产生70°～75°的焊缝金属流动上升角。开口角控制为6°，焊接 速度18～22m/min；焊接成管径170mm、壁厚为约10mm的直缝钢管。

然后，对焊后焊缝进行940±15℃在线正火，控制水冷开始温度在 380～400℃。焊后在线480‑520℃热定径及校直。焊接钢管截成长度约 为10m的管段。

之后进行一次930±15℃的整体加热淬火并进行575±15℃回火。回 火后水冷。

淬火回火后的焊接钢管采用500℃～530℃的离线热校直。

最后，在每根焊接钢管的两端，用数控机床加工API标准螺纹或特 殊螺纹。

性能特点：屈服强度达到70kSi钢级，屈服强度496MPa，抗拉强 度723Mpa，延伸率36％，横母材横向全尺寸V型缺口Charpy冲击能183J， 焊缝96J；在经过15％的塑性变形后，屈服强度达到80kSi钢级，屈服 强度578MPa，抗拉强度≥728Mpa，延伸率24％，母材横向全尺寸V型 缺口Charpy冲击能127J，焊缝Charpy冲击能66J。在Nace A溶液中 浸泡96小时后，裂纹长度率CLR≤15％，裂纹厚度率CTR≤5％，裂纹面 积率CSR≤2％；焊缝沟状腐蚀敏感系数≤1.3。

实施例4：

本发明耐酸性环境腐蚀油气井可膨胀套管用钢合金材料的质量百 分比：C：0.12％，Mn：1.37％，Si：0.29％，Al：0.031％，P：0.0066％， S：0.0007％，O：0.0010％，H：0.00010％，N：0.0039％，Ca：0.0035％， Nb：0.07％，V：0.04％，Ti：0.025％，Mo：0.23％，Cu：0.19％，Ni：0.21％， 其余为Fe。

制备方法同实施例3。

性能特点：屈服强度达到70kSi钢级，屈服强度513MPa，抗拉强 度739Mpa，延伸率35％，横母材横向全尺寸V型缺口Charpy冲击能171J， 焊缝93J；在经过15％的塑性变形后，屈服强度达到90kSi钢级，屈服 强度658MPa，抗拉强度≥741Mpa，延伸率22％，母材横向全尺寸V型 缺口Charpy冲击能105J，焊缝Charpy冲击能62J。在Nace A溶液中 浸泡96小时后，裂纹长度率CLR≤15％，裂纹厚度率CTR≤5％，裂纹面 积率CSR≤2％；焊缝沟状腐蚀敏感系数≤1.3。

实施例5：

本发明耐酸性环境腐蚀油气井用套管和油管合金材料的质量百分 比：C：0.15％，Mn：1.35％，Si：0.33％，Al：0.037％，P：0.0073％， S：0.0009％，O：0.0012％，H：0.00011％，N：0.0033％，Ca：0.0042％， Nb：0.04％，V：0.03％，Ti：0.021％，Cr：0.27％，Mo：0.25％，其余为 Fe。

耐酸性环境腐蚀油气井油管和套管的制备方法：

首先，制备热轧板卷：将上述材料(各组分)经氧吹转炉熔炼，连 铸成约250mm厚的板坯，加热至约1200℃，在温度1050～1100℃时进 行粗轧，在温度930℃时进行精轧，轧后喷水冷却，冷却速度15～20 ℃/s，卷取温度560℃，制成厚度约为12.7mm的热轧板卷。

其次，用热轧板卷生产直缝电阻焊接钢管，板边采用铣边方法，控 制带钢宽度约758mm，板边铣加工成直角；采用排辊成型方法控制板边 波形；调整焊接电流、电压参数；调整和控制焊缝的挤压量2～3mm， 使材料产生70°～75°的焊缝金属流动上升角。开口角控制为7°，焊接 速度19～23m/min；焊接成管径240mm、壁厚为约12.7mm的直缝钢管。

然后，对焊后焊缝进行930±15℃在线正火，控制水冷开始温度在 350～380℃。焊后在线480‑500℃热定径及校直。焊接钢管截成长度约 为10m的管段。

之后进行一次930±15℃的整体加热淬火并进行575±15℃回火。回 火后水冷。

淬火回火后的焊接钢管采用480℃～500℃的离线热校直。

最后，在每根焊接钢管的两端，用数控机床加工API标准螺纹或特 殊螺纹。

性能特点：屈服强度达到110kSi钢级，屈服强度773MPa，抗拉强 度897Mpa，延伸率29％，横母材横向全尺寸V型缺口Charpy冲击能134J， 焊缝83J。在Nace A溶液中浸泡96小时后，裂纹长度率CLR≤15％， 裂纹厚度率CTR≤5％，裂纹面积率CSR≤2％；焊缝沟状腐蚀敏感系数≤ 1.3。

实施例6：

本发明耐酸性环境腐蚀油气井用套管和油管合金材料的质量百分 比：C：0.18％，Mn：1.25％，Si：0.39％，Al：0.035％，P：0.0077％， S：0.0007％，O：0.0014％，H：0.00012％，N：0.0036％，Ca：0.0032％， Nb：0.04％，V：0.03％，Ti：0.021％，Cr：0.27％，Mo：0.25％，Cu：0.19％， Ni：0.21％，其余为Fe。

耐酸性环境腐蚀油气井油管和套管的制备方法：

首先，制备热轧板卷：将上述材料(各组分)经氧吹转炉熔炼，连 铸成约250mm厚的板坯，加热至约1200℃，在温度1050～1100℃时进 行粗轧，在温度910℃时进行精轧，轧后喷水冷却，冷却速度18～25 ℃/s，卷取温度550℃，制成厚度约为14.3mm的热轧板卷。

其次，用热轧板卷生产直缝电阻焊接钢管，板边采用铣边方法，控 制带钢宽度约758mm，板边铣加工成直角；采用排辊成型方法控制板 边波形；调整焊接电流、电压参数；调整和控制焊缝的挤压量2～3mm， 使材料产生70°～75°的焊缝金属流动上升角。开口角控制为8°，焊接 速度18～21m/min；焊接成管径240mm、壁厚为约14.3mm的直缝钢管。

然后，对焊后焊缝进行910±15℃在线正火，控制水冷开始温度在 350～380℃。焊后在线480‑500℃热定径及校直。焊接钢管截成长度约 为10m的管段。

之后进行一次910±15℃的整体加热淬火并进行575±15℃回火。回 火后水冷。

淬火回火后的焊接钢管采用480℃～500℃的离线热校直。

最后，在每根焊接钢管的两端，用数控机床加工API标准螺纹或特 殊螺纹。

性能特点：屈服强度达到110kSi钢级，屈服强度789MPa，抗拉强 度912Mpa，延伸率27％，横母材横向全尺寸V型缺口Charpy冲击能116J， 焊缝72J。在Nace A溶液中浸泡96小时后，裂纹长度率CLR≤15％， 裂纹厚度率CTR≤5％，裂纹面积率CSR≤2％；焊缝沟状腐蚀敏感系数≤ 1.3。