CN111441002A - 一种双相不锈钢连续管及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双相不锈钢连续管及其制造方法，该双相不锈钢连续管的化学成分按质量百分比为：Cr：19.5～21.5％、Ni：1.00～3.00％、C：≤0.030％、Si：≤1.00％、S：≤0.030％、P：≤0.040％、N：0.05～0.17％、Mn：4.0～6.0％、Mo：≤0.60％，其余为Fe和不可避免的杂质。制造方法的步骤包括：(1)制造卷板；(2)卷板纵剪和钢带接长；(3)钢带成型，利用激光焊接；(4)全管体热处理，快速冷却制造不锈钢连续管。本发明双相不锈钢连续管通过优化合金含量，严格控制Ni等贵金属元素含量，生产的连续管具有高强度、疲劳寿命好、高塑韧性、耐蚀性能优良等特点。

Description

一种双相不锈钢连续管及其制造方法

技术领域：

本发明属于石油天然气管材技术领域，具体涉及一种具有高强度、疲劳寿命好、高塑韧性、耐蚀性能优良的双相不锈钢连续管及其制造方法。

背景技术：

连续管(CT，Coiled tubing)，是一种高强度、高塑性，并具有一定抗腐蚀性能的单根长度可达数千米的新型油气管材。由于连续管技术具有效率高、成本低、作业范围广、占地面积小等一系列技术优点和作业优势，因此连续管将在油气田勘探、开发、作业、增产中发挥着越来越重要的作用，具有广阔的应用前景。

随着我国油气资源开发力度加大，大量含有H₂S、CO₂等腐蚀介质的酸性油气田被开发。油气层中H₂S、CO₂、Cl^-含量高，矿化度高，对连续管表面腐蚀严重，直接影响油气田生产，制约了多项采油采气技术应用。所以国内各大油气田作业单位急需大量耐蚀连续管在含有高H₂S、CO₂、Cl^-等腐蚀介质的酸性油气田中应用。

现有技术中，已发现奥氏体不锈钢(如16Cr、304、316)连续管的报道，奥氏体不锈钢连续管强度较低，单根管柱长度受限，严重制约连续管入井深度，应用范围有限。在含有Cl^-的油气田工况中，奥氏体不锈钢易发生孔蚀、应力腐蚀、缝隙腐蚀、在热作用下也会发生晶间腐蚀。其次在含有高H₂S环境中，奥氏体不锈钢点蚀电位低，钝化膜成分改变，耐蚀性能下降，极大的降低了奥氏体不锈钢连续管的使用寿命。

双相不锈钢连续管兼具了铁素体不锈钢和奥氏体不锈钢的优良特性，具有较高的强塑性，在H₂S、CO₂、Cl^-等腐蚀介质中抗应力腐蚀、点蚀、缝隙腐蚀性能较强。“一种双相不锈钢连续油管的制造方法”(CN 201610004312.9)中公布了一种双相不锈钢连续油管的制造方法，该方法中双相不锈钢连续管的合金体系是通过Ni等贵金属元素促使管柱金相组织中奥氏体相稳定，Ni等贵金属元素含量较高，Ni含量高达4.1-6.4％，因此采用该方法生产的双相不锈钢连续管的价格是碳钢连续管的3倍甚至4倍以上，性价比较低，严重制约双相不锈钢连续管在油气田开发中大规模推广应用。

现有技术中，已发现采用HFW高频焊接方式对成型后的连续管进行焊接，该种焊接方式常伴有金属氧化物没有随熔融金属挤出，而被夹在熔合面上形成夹杂物。焊接中加热温度高，温度梯度大易在热影响区形成金属间化物和脆性相组织，大大降低了焊缝综合力学性能。并且通过HFW高频焊制造的双相不锈钢连续管内壁会形成毛刺，内壁毛刺不仅影响管内油气流通内径，而且毛刺周边易产生微区沟槽，形成沟槽腐蚀大大降低连续管使用寿命。

发明内容：

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种双相不锈钢连续管及其制造方法，通过合金成分的设计，并通过钢带对接、UOE排辊成型、激光焊接、固溶热处理等多种制造工艺，生产出具有高强度、疲劳寿命好、高塑韧性、耐蚀性能优良的经济型双相不锈钢连续管，适合在含有较高H₂S、CO₂、Cl^-的酸性油气田环境中使用。本发明还提供一种节镍经济型双相不锈钢连续管的制造方法。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种双相不锈钢连续管，该双相不锈钢连续管的化学成分按质量百分比为：Cr：19.5～21.5％、Ni：1.00～3.00％、C：≤0.030％、Si：≤1.00％、S：≤0.030％、P：≤0.040％、N：0.05～0.17％、Mn：4.0～6.0％、Mo：≤0.60％，其余为Fe和不可避免的杂质。

所述双相不锈钢连续管的屈服强度≥552MPa、抗拉强度≥689MPa、延伸率≥30％、外径范围为Φ25.4～Φ88.9mm、壁厚范围为1.9～6.4mm、长度范围为61～10000m、硬度≤28HRC。

上述一种双相不锈钢连续管的制造方法，包括的步骤有：

步骤1：卷板的制备：

以铁水作为主原料，加合金在转炉中加热到1450～1550℃间初熔，脱碳、钢包精炼后在1500～1550℃浇注成连铸坯，将铸坯加热到1150～1260℃，采用连铸技术并应用电磁搅拌控制铸成20～60mm厚度的板坯，在1000～1050℃温度下终轧成2.4～6.35mm厚度的热轧板，水冷、酸洗后卷曲，最后制成长度超过200米卷板；

步骤2：卷板纵剪和钢带接长：

将制备好的双相不锈钢卷板按照连续管规格要求，通过纵剪机组剪成50～300mm的钢带；将前后两条钢带的端头加工成45°后，合理加工坡口，坡口为I型、V型或U型，采用气体保护的激光焊、亚弧焊或等离子焊方法将钢带进行对接焊，当焊缝冷却后，打磨和清理焊缝表面；然后将焊缝及热影响区在保护气氛中重新加热到1020～1150℃，保温30～300s后，以大于7℃/s的冷速使焊缝及热影响区冷却至常温；

步骤3：成型与焊接：

根据最终双相不锈钢连续管的外径和壁厚要求，采用铣边的方法将钢带侧面刨成I型坡口，精确控制钢带宽度和板边垂直度，采用UOE排辊成型方法控制钢带成型；利用激光焊接技术，精确控制离焦量、激光功率和焊接速度等参数，控制成型坡口间隙≤0.1mm，离焦量-5～10mm，激光功率2Kw～16Kw，焊接速度为1.5～10m/min，对成型的钢带进行纵向焊接，确保焊接质量；焊接成管径为Φ25.4～Φ88.9mm，壁厚为1.9～6.4mm的双相不锈钢连续管；

步骤4：全管体热处理：

焊接完成后，采用中频感应加热方式将双相不锈钢连续管全管体加热至1020～1150℃，保温0.5～10min，然后在H₂气氛保护下，以≥7℃/s的冷却速度将管体快速冷却至常温；

步骤5：连续卷曲：

将热处理后的双相不锈钢连续管通过卷取机缠绕到适当芯径的卷筒上，连续生产长度为61～10000m的双相不锈钢连续管。

本发明的有益效果在于：

1、本发明采用Cr-Mn-N-Fe体系化学成分，保证双相不锈钢连续管强度、耐蚀性，以及金相组织中铁素体和奥氏体含量均为35％～55％。由于严格控制Ni等贵金属元素含量，有效的降低了双相不锈钢生产成本，开发出了适合在含有较高H₂S、CO₂、Cl^-的酸性油气田环境中使用的双相不锈钢连续管合金体系。

2、对成型后的不锈钢连续管采用激光焊接方式，提高了焊接效率、焊缝成型美观、能够得到较大深宽比。同时，激光焊接头冷却速度快、熔宽窄、热影响区小，降低了焊接热输入对管体造成的热影响，并且在气体保护下避免了焊缝接头中氧化物形成夹杂物。激光焊后管柱内壁无明显毛刺，提高了连续管内油气流通内径，避免沟槽腐蚀等现象出现。

3、本发明制造的双相不锈钢连续管屈服强度≥552MPa、抗拉强度≥689MPa、延伸率≥30％、硬度≤28HRC，具有高强度、疲劳寿命好、高塑韧性、耐蚀性能优良等特点，适合在含有较高H₂S、CO₂、Cl^-等腐蚀环境复杂的酸性油气田中作业。

具体实施方式：

下面结合具体实施例对本发明做进一步详细说明：

1、本发明采用Cr-Mn-N-Fe体系，将铁水作为主原料，加合金在转炉中加热到1450～1550℃间初熔，脱碳、钢包精炼，铁水的成分质量百分数达到表1所示的具体化学成分要求后，在1500～1550℃浇注成连铸坯。将铸坯温度加热到1150～1260℃，采用连铸技术应用电磁搅拌控制铸成20～60mm厚度的板坯，在1000～1050℃温度下终轧厚度3.0、宽度1180mm的热轧板，水冷、酸洗后卷曲，最后制成长度为500米卷板。

表1具体化学成分

C

Si

Mn

P

S

Cr

Ni

N

Mo

Fe

0.025％

0.8％

4.0

0.030％

0.025％

20.5％

2.30％

0.12％

0.5％

其余

2、卷板纵剪和钢带接长

将制备好的双相不锈钢卷板通过纵剪机组剪成94mm的钢带，为满足连续管长度要求，将前后两条钢带的端头加工成45°斜边，并在45°斜边开I型坡口。采用氩气保护等离子焊方法将前后两条钢带斜边进行对接焊，当焊缝冷却后，打磨和清理焊缝表面。然后将焊缝及热影响区在保护气氛中重新加热到至1080℃，保温120s后，以大于7℃/s的冷速使焊缝及热影响区冷却至常温。

3、连续管的成型与焊接

采用铣边的方法将钢带侧面刨成I型坡口，精确控制钢带宽度和板边垂直度，采用UOE排辊成型方法进行钢带成型；对成型的钢带采用氩气保护激光焊接技术进行纵向焊接，精确设计离焦量、激光功率和焊接速度，离焦量+4mm，激光功率3.5Kw，焊接速度为2m/min，焊后确保焊缝无气孔、微裂纹等缺陷，制成管径为Φ38.1mm，壁厚为3.0mm的直缝节镍经济型双相不锈钢连续管。

4、全管体热处理

成型焊接完成后的管柱，采用中频感应加热方式将双相不锈钢连续管全管体加热至1080℃，保温1min，然后在H₂气氛保护下，以≥7℃/s的冷却速度将管柱快速冷却至常温。

5、连续卷曲

将热处理后的双相不锈钢连续管通过卷取机缠绕到适当芯径的卷筒上，连续生产长度为4500m的节镍经济型双相不锈钢连续管，以便运输和使用。

6、通过测试节镍经济型双相不锈钢连续管的主要性能：屈服强度625MPa、抗拉强度762MPa、硬度23HRC、延伸率40％。

Claims (3)

1.一种双相不锈钢连续管，其特征在于：所述双相不锈钢连续管的化学成分按质量百分比为：Cr：19.5～21.5％、Ni：1.00～3.00％、C：≤0.030％、Si：≤1.00％、S：≤0.030％、P：≤0.040％、N：0.05～0.17％、Mn：4.0～6.0％、Mo：≤0.60％，其余为Fe和不可避免的杂质。

2.根据权利要求1所述的一种双相不锈钢连续管，其特征在于：所述双相不锈钢连续管的屈服强度≥552MPa、抗拉强度≥689MPa、延伸率≥30％、外径范围为Φ25.4～Φ88.9mm、壁厚范围为1.9～6.4mm、长度范围为61～10000m、硬度≤28HRC。

3.根据权利要求1或2所述的一种双相不锈钢连续管，其特征在于：包括的步骤有：

步骤1：卷板的制备：

以铁水作为主原料，加合金在转炉中加热到1450～1550℃间初熔，脱碳、钢包精炼后在1500～1550℃浇注成连铸坯，将铸坯加热到1150～1260℃，采用连铸技术并应用电磁搅拌控制铸成20～60mm厚度的板坯，在1000～1050℃温度下终轧成2.4～6.35mm厚度的热轧板，水冷、酸洗后卷曲，最后制成长度超过200米卷板；

步骤2：卷板纵剪和钢带接长：

将制备好的双相不锈钢卷板按照连续管规格要求，通过纵剪机组剪成50～300mm的钢带；将前后两条钢带的端头加工成45°后，合理加工坡口，坡口为I型、V型或U型，采用气体保护的激光焊、亚弧焊或等离子焊方法将钢带进行对接焊，当焊缝冷却后，打磨和清理焊缝表面；然后将焊缝及热影响区在保护气氛中重新加热到1020～1150℃，保温30～300s后，以大于7℃/s的冷速使焊缝及热影响区冷却至常温；

步骤3：成型与焊接：

根据最终双相不锈钢连续管的外径和壁厚要求，采用铣边的方法将钢带侧面刨成I型坡口，精确控制钢带宽度和板边垂直度，采用UOE排辊成型方法控制钢带成型；利用激光焊接技术，精确控制离焦量、激光功率和焊接速度等参数，控制成型坡口间隙≤0.1mm，离焦量-5～10mm，激光功率2Kw～16Kw，焊接速度为1.5～10m/min，对成型的钢带进行纵向焊接，确保焊接质量；焊接成管径为Φ25.4～Φ88.9mm，壁厚为1.9～6.4mm的双相不锈钢连续管；

步骤4：全管体热处理：

焊接完成后，采用中频感应加热方式将双相不锈钢连续管全管体加热至1020～1150℃，保温0.5～10min，然后在H₂气氛保护下，以≥7℃/s的冷却速度将管体快速冷却至常温；

步骤5：连续卷曲：

将热处理后的双相不锈钢连续管通过卷取机缠绕到适当芯径的卷筒上，连续生产长度为61～10000m的双相不锈钢连续管。