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CN119407313A - 一种抗硫耐蚀低碳合金连续油管及其制备方法 - Google Patents

一种抗硫耐蚀低碳合金连续油管及其制备方法 Download PDF

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CN119407313A
CN119407313A CN202411703563.7A CN202411703563A CN119407313A CN 119407313 A CN119407313 A CN 119407313A CN 202411703563 A CN202411703563 A CN 202411703563A CN 119407313 A CN119407313 A CN 119407313A
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resistant
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coiled tubing
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高润秋
武文斌
詹建磊
刘国刚
董健
刘月明
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Abstract

本发明提供了一种抗硫耐蚀低碳合金连续油管及其制备方法，涉及连续油管技术领域。本发明通过等离子焊接方式使钢带焊缝晶粒细化，组织均匀，强度稳定，避免了板接口强度和耐蚀性能的降低。本发明的热处理工艺细化了焊缝晶粒，使组织更加均匀，去除了应力，使整管强度稳定，组织均匀，达到了强度高、耐蚀性能强的最终目的。本发明的抗硫耐蚀低碳合金连续油管金相组织为铁素体+珠光体，金属平均晶粒度在焊缝、热影响区和母材均达到10.0级以上，综合性能可达到90钢级。

Description

一种抗硫耐蚀低碳合金连续油管及其制备方法
技术领域
本发明涉及连续油管技术领域，尤其涉及一种抗硫耐蚀低碳合金连续油管及其制备方法。
背景技术
目前，油气钻井开采一般都采用CT80连续油管。CT80连续油管一般以低碳低锰钢钢带为原料，经高频焊接或激光焊接的方式制管，钢级强度仅达到80钢级。因此，虽然CT80连续油管能够满足硫化氢井田作业的使用环境，但强度低，寿命短，承压承重能力不足，抗硫耐蚀性不足，影响了油气领域资源开采率，且随着油气资源开采的井况越发复杂，CT80连续油管不足以满足资源开采需求。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种抗硫耐蚀低碳合金连续油管及其制备方法，本发明通过等离子焊接和优化的热处理工艺，提高了钢带焊缝的晶粒细化和组织均匀性，使连续油管的抗拉强度、屈服强度和耐蚀性能显著提升，优于传统CT90连续油管，综合性能可达到90钢级。
本发明提供的抗硫耐蚀低碳合金连续油管，经钢带板对接、卷曲成型、管坯焊接、挤压成型、焊缝热处理、冷却后制成，所述抗硫耐蚀低碳合金连续油管以质量百分比计，包括：
C 0.04％～0.08％，Mn 1.5％～2.0％，Si 0.1％～0.3％，Cr 0.1％～0.3％，Mo0.05％～0.3％，Nb 0.04％～0.07％，Ti 0.005％～0.025％，Al 0.01％～0.05％，Ni≤0.3％，Cu≤0.3％，P≤0.02％，S≤0.02％，余量为Fe及不可避免的杂质。
本申请还提供了所述抗硫耐蚀低碳合金连续油管的制备方法，包括以下步骤：
S1、将钢带通过对接焊的方式进行钢带接长，对焊缝区域进行碾压形变热处理；
S2、对S1得到的钢带进行卷曲成型，形成有焊缝的圆形管坯；
S3、对S2得到的圆形管坯进行焊接，熔池未凝固的后方加入挤压轧辊将焊接挤压成型；
S4、对S3中接挤压成型的焊缝进行热处理，空冷至室温后得到抗硫耐蚀低碳合金连续油管。
优选的，所述S1中的对接焊采用等离子焊接，采用的焊丝为锰钼钢高强度镀铜焊丝。
优选的，所述S1中碾压形变热处理是指在热处理的同时对焊缝区域进行碾压，碾压的压力为4～8T，往复一次，碾压形变热处理温度为600℃～750℃，单次碾压热处理保温时间为10秒s。
优选的，所述S3中的焊接为激光焊接或高频焊接。
优选的，所述S4中的热处理为模拟正火和回火处理，其中所述模拟正火的处理温度为900℃～940℃，火炉采用感应加热方式进行加热，加热线圈长度为1.5m，运行速度为2.8m/min，加热后空冷，空冷段长度为50m后进入水冷区冷却至室温，所述回火处理温度为500℃～600℃，回火炉保温段长度为4m，保温时间为79.8s。
与现有技术相比，本发明通过等离子焊接方式使钢带焊缝晶粒细化，组织均匀，强度稳定，避免了板接口强度和耐蚀性能的降低。同时，本发明的热处理工艺细化了焊缝晶粒，使组织更加均匀，去除了应力，使整管强度稳定，组织均匀，达到了强度高、耐蚀性能强的最终目的。
本发明的抗硫耐蚀低碳合金连续油管的管体与CT90连续油管的管体在抗HIC开裂、抗SSC开裂以及95％N2+5％O2环境中的耐腐蚀性能相当。且本发明抗硫耐蚀低碳合金连续油管的管体抗拉强度大于669MPa，屈服强度大于620MPa，硬度均值为95HRB，金相组织为铁素体+珠光体，金属平均晶粒度在焊缝、热影响区和母材均达到10.0级以上，能达到90钢级。
附图说明
下面结合附图说明对本发明作进一步说明。
图1为本发明实施例1的焊缝等分截面；
图2为本发明对比例1的焊缝等分截面；
图3为测试例2中实施例1样品腐蚀产物清洗前；
图4为测试例2中实施例1样品腐蚀产物清洗后；
图5为测试例2中CT90样品腐蚀产物清洗前；
图6为测试例2中CT90样品腐蚀产物清洗后；
图7为测试例3中焊缝处试样表面；
图8为测试例3中焊缝处等分截面金相；
图9为测试例3中距焊缝90°处试样表面；
图10为测试例3中距焊缝90°处等分截面金相；
图11为测试例3中距焊缝180°处试样表面；
图12为测试例3中距焊缝180°处等分截面金相；
图13为CT80-2试样96h腐蚀试验后表面(正面)；
图14为CT80-2试样96h腐蚀试验后表面(背面)；
图15为实施例1试样96h腐蚀试验后表面(正面)；
图16为实施例1试样96h腐蚀试验后表面(背面)；
图17为CT80-1试样96h腐蚀试验后表面(正面)；
图18为CT80-1试样96h腐蚀试验后表面(背面)；
图19为CT90试样96h腐蚀试验后表面(正面)；
图20为CT90试样96h腐蚀试验后表面(背面)；
图21为CT80-1试样剖面典型金相裂纹；
图22为CT90试样剖面典型金相裂纹；
图23为CT80-2试样720h腐蚀试验后表面；
图24为实施例1试样720h腐蚀试验后表面；
图25为CT80-1试样720h腐蚀试验后表面；
图26为CT90试样720h腐蚀试验后表面。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供了一种抗硫耐蚀低碳合金连续油管，经钢带板对接、卷曲成型、管坯焊接、挤压成型、焊缝热处理、冷却后制成，本发明所述抗硫耐蚀低碳合金连续油管以质量百分比计，包括：
C 0.04％～0.08％，Mn 1.5％～2.0％，Si 0.1％～0.3％，Cr 0.1％～0.3％，Mo0.05％～0.3％，Nb 0.04％～0.07％，Ti 0.005％～0.025％，Al 0.01％～0.05％，Ni≤0.3％，Cu≤0.3％，P≤0.02％，S≤0.02％，余量为Fe及不可避免的杂质。
在本发明的连续油管中，C含量影响连续油管的腐蚀速率和硬度，碳量越高形成的微型原电池就越多，碳钢腐蚀速率越快，碳含量越低，碳钢的基础强度(硬度)低，故本发明控制碳含量为0.04％～0.08％，以在连续油管的耐腐蚀性和强度中寻求平衡；Mn的作用是增加碳钢的强度；Si的作用是避免韧性降低；Ti、Al的作用是细化晶粒。相比于常规的CT90原材料，本发明通过对元素的调整，使连续油管具有较强的耐蚀性能。
本申请还提供了所述抗硫耐蚀低碳合金连续油管的制备方法，包括以下步骤：
S1、将钢带通过对接焊的方式进行钢带接长，对焊缝区域进行碾压形变热处理；
S2、对S1得到的钢带进行卷曲成型，形成有焊缝的圆形管坯；
S3、对S2得到的圆形管坯进行焊接，熔池未凝固的后方加入挤压轧辊将焊接挤压成型；
S4、对S3中接挤压成型的焊缝进行热处理，空冷至室温后得到抗硫耐蚀低碳合金连续油管。
本发明S1中的对接焊方法优选为等离子焊接，采用的焊丝优选为锰钼钢高强度镀铜焊丝。本发明采用等离子焊接达到单面焊接双面成型的目的，避免合金钢材氧化，且熔深高可焊接多种壁厚板材。
本发明S1中所述碾压形变热处理是指在热处理的同时对焊缝区域进行碾压，碾压的压力为4～8T，往复一次，碾压形变热处理温度为600℃～750℃，单次碾压热处理保温时间为10秒s。本发明采用碾压形变热处理的方式使焊缝晶粒细化，组织均匀，强度稳定，避免板接口强度和耐蚀性能降低。
本发明一些具体实施例中，所述S2的焊缝间隙为1～2mm。
本发明S3中的焊接优选为激光焊接或高频焊接。
本发明S4中得到热处理为模拟正火和回火处理，其中所述S4中的热处理为模拟正火和回火处理，其中所述模拟正火的处理温度为900℃～940℃，火炉采用感应加热方式进行加热，加热线圈长度为1.5m，运行速度为2.8m/min，加热后空冷，空冷段长度为50m后进入水冷区冷却至室温，所述回火处理温度为500℃-600℃，回火炉保温段长度为4m，保温时间为79.8s。本发明一些具体的实施例中，所述模拟正火的处理温度为910℃，所述回火处理温度为550℃。本发明另一些优选的实施例中，所述模拟正火的处理温度为940℃，所述回火处理温度为550℃。
本发明采用挤压+激光焊接或高频焊接的方式，在卷板成型时，通过轧辊滚压，带钢逐渐卷起，形成有开口间隙的圆形管坯，调整挤压辊的压下量，使焊缝间隙控制在1～2mm，进行焊接，焊接后在熔池未凝固的后方，加入挤压轧辊，增大碾压量至钢带成型两端边缘间隙为0，焊接挤压成型，再进行焊缝热处理，以达到形变强化和相变强化相结合的目的，大大提高了焊缝强度。
为了进一步说明本发明，下面通过以下实施例进行详细说明。本发明以下实施例所用的原料均为市售。
本发明具体实施方式中涉及的CT80-1以质量百分比计包括：
C 0.046％，Si 0.162％，Mn 0.745％，P 0.011％，S 0.001％，Cr 0.558％，Ni0.040％，Mo 0.184％，Cu 0.206％，W 0.004％，Ca 0.001％，V 0.006％，Ti 0.020％，Nb0.017％，Al 0.041％，Zr 0.011％，Co 0.007％，B 0.00001％，As 0.008％，Pb0.001％，Bi0.023％，Sn 0.001％，Sb 0.074％，Bi 0.023％，余量为铁及不可避免的杂质。
本发明具体实施方式中涉及的CT80-2以质量百分比计包括：
C 0.062％，Si 0.253％，Mn 0.763％，P 0.008％，S 0.001％，Cr 0.679％，Ni0.144％，Mo 0.160％，Cu 0.262％，W 0.010％，Ca 0.001％，V 0.005％，Ti 0.017％，Nb0.017％，Al 0.043％，Zr 0.008％，Co 0.009％，B 0.00001％，As 0.004％，Pb0.001％，Bi0.015％，Sn 0.001％，Sb 0.050％，Bi 0.015％，余量为铁及不可避免的杂质。
本发明具体实施方式中涉及的CT90以质量百分比计包括：
C 0.123％，Si 0.405％，Mn 0.898％，P 0.006％，S 0.0001％，Cr 0.546％，Ni0.056％，Mo 0.159％，Cu 0.243％，W 0.004％，Ca 0.001％，V 0.005％，Ti 0.035％，Nb0.018％，Al 0.061％，Zr 0.011％，Co 0.006％，B 0.00001％，As 0.008％，Pb0.002％，Bi0.022％，Sn 0.002％，Sb 0.070％，Bi 0.022％，余量为铁及不可避免的杂质。
实施例1一种抗硫耐蚀低碳合金连续油管，以质量百分比计包括：
C 0.0605％，Mn 1.7890％，Si 0.1675％，Cr 0.2080％，Mo 0.1375％，Nb0.0620％，Ti 0.0100％，Al 0.0180％，Ni 0.0001％，Cu 0.0275％，P 0.0110％，S0.0020％，余量为Fe及不可避免的杂质。
所述抗硫耐蚀低碳合金连续油管的制备方法步骤如下：
S1、将钢带通过等离子焊接进行钢带接长，焊丝为锰钼钢高强度镀铜焊丝，对焊缝区域进行碾压形变热处理，碾压的压力为6T，往复一次，碾压形变热处理温度为735℃，单次碾压热处理保温时间为10秒s，处理完成后空冷至室温；
S2、对S1得到的钢带进行卷曲成型，形成有(1.5±0.5)mm焊缝的圆形管坯；
S3、对S2得到的圆形管坯进行激光焊接，熔池未凝固的后方加入挤压轧辊将焊接挤压成型；
S4、对S3中接挤压成型的焊缝分别在910℃、940℃下进行模拟正火热处理，模拟正火的火炉采用感应加热方式进行加热，加热线圈长度为1.5m，运行速度为2.8m/min，加热后空冷，空冷段长度为50m后进入水冷区冷却至室温然后在550℃下进行回火处理，回火炉保温段长度为4m，保温时间为79.8s，空冷至室温后得到抗硫耐蚀低碳合金连续油管。
对比例1
同实施例1，区别在于：模拟正火处理温度为910℃，且所述S3中仅进行激光焊，不进行挤压，具体为：对S2得到的圆形管坯进行激光焊接。
对比例2
同实施例1，区别在于：模拟正火热处理温度为890℃。
对比例3
同实施例1，区别在于：模拟正火热处理温度为950℃。
实施例4
同实施例1，区别在于：模拟正火热处理温度为980℃。
测试例1
对实施例1和对比例1-3得到的规格为38.1mm×3.7mm的连续油管和焊缝性能进行检测，结果如表1所示。
表1连续油管和焊缝性能检测结果
测试例2
对实施例1抗硫耐蚀低碳合金连续油管原料和传统CT90钢板进行氮氧环境腐蚀试验，试验条件：N2含量95％，O2含量5％，总压为10MPa，温度为150℃，溶液为5％NaCl，周期为168h。检测结果如表2所示。
表2钢板氮氧环境腐蚀试验结果
由表2可知，本发明通过对原料进行元素调整，提高了连续油管的耐腐蚀性。
测试例3
对实施例1连续油管的焊缝抗氢致开裂(HIC)性能进行评价，方法为：在管上焊缝位置、距焊缝90°和180°位置分别取样，对样品表面进行磨光处理，试验根据NACETM0284标准采用A溶液条件，浸泡96h后取出，按等分截面法观察试样内部开裂情况，检测结果如图7-12所示。
试验条件：PH2S＝0.1MPa，溶液为NACE-A，温度为(25±3)℃周期96h。
试验过程参数：
配制溶液pH＝2.75，起始溶液pH＝3.03，起始硫化氢浓度为2409mg/L，结束溶液pH＝3.65，结束硫化氢浓度为2512mg/L。
由图7-12可知，焊缝位置试样芯部有少量裂纹，但裂纹率均满足API5L要求，距焊缝90°和180°位置试样均未发现开裂。
测试例4
对实施例1连续油管(1#)以及CT80-1(2#)、CT80-2(3#)、CT90(4#)连续油管进行HIC试验。
(1)HIC试验依据标准为NACE TM0284-2016，具体条件如下：
温度23℃～26℃，除氧气体：99.999％N2，试验气体：99.9％H2S，试验溶液A，试验周期96h，溶液中硫化氢浓度2460mg/L，饱和1h后溶液中硫化氢浓度2396mg/L，初始pH值＝2.7，试验开始pH值＝2.9，试验结束pH值＝3.7，试样名义尺寸L×W×t(mm)＝100×20×4，取样方向：管体纵向。HIC试验结果如表3所示。
表3连续油管HIC试验结果
测试例5
对实施例1连续油管(1#)以及CT80-1(2#)、CT80-2(3#)、CT90(4#)连续油管硫化物应力开裂(SSC)试验。
依据标准为NACE TM0177-2016和ISO 7539-2:1989(四点弯曲加载方法)，具体条件如下：
温度23℃～26℃，压力1atm，除氧气体：99.999％N2，试验气体：99.9％H2S，试验溶液A，试验周期720h，初始pH值＝2.7，试验开始pH值＝2.9，试验结束pH值＝3.7，试样名义尺寸L×W×t(mm)＝67.5×4.5×1.6，取样方向：管体纵向。HIC试验结果如表4所示。
表4硫化物应力开裂(SSC)试验结果
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种抗硫耐蚀低碳合金连续油管，其特征在于，经钢带板对接、卷曲成型、管坯焊接、挤压成型、焊缝热处理、冷却后制成，所述抗硫耐蚀低碳合金连续油管以质量百分比计，包括：
C 0.04％～0.08％，Mn 1.5％～2.0％，Si 0.1％～0.3％，Cr 0.1％～0.3％，Mo0.05％～0.3％，Nb 0.04％～0.07％，Ti 0.005％～0.025％，Al 0.01％～0.05％，Ni≤0.3％，Cu≤0.3％，P≤0.02％，S≤0.02％，余量为Fe及不可避免的杂质。
2.一种权利要求1所述的抗硫耐蚀低碳合金连续油管的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、将钢带通过对接焊的方式进行钢带接长，对焊缝区域依次进行碾压和形变热处理；
S2、对S1得到的钢带进行卷曲成型，形成有焊缝的圆形管坯；
S3、对S2得到的圆形管坯进行焊接，熔池未凝固的后方加入挤压轧辊将焊接挤压成型；
S4、对S3中接挤压成型的焊缝进行热处理，空冷至室温后得到抗硫耐蚀低碳合金连续油管。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述S1中的对接焊采用等离子焊接，采用的焊丝为锰钼钢高强度镀铜焊丝。
4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述S1中碾压的压力为4～8T，往复一次。
5.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述S1中所述碾压形变热处理是指在热处理的同时对焊缝区域进行碾压，碾压的压力为4～8T，往复一次，碾压形变热处理温度为600℃～750℃，单次碾压热处理保温时间为10秒s。
6.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述S2的焊缝间隙为1～2mm。
7.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述S3中的焊接为激光焊接或高频焊接。
8.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述S4中的热处理为模拟正火和回火处理，其中所述模拟正火的处理温度为900℃～940℃，所述回火处理温度为500℃～600℃。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述模拟正火的处理温度为910℃，所述回火处理温度为550℃。
10.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述模拟正火的处理温度为940℃，所述回火处理温度为550℃。
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