[发明专利]一种油套管用马氏体不锈钢及其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种超马氏体不锈钢及其制造方法，尤其涉及一种屈服强度为110-150ksi钢级高抗二氧化碳和氯离子腐蚀油套管用超低碳马氏体不锈钢及其制造方法。

背景技术

二氧化碳(CO₂)和氯离子共存环境下的腐蚀是世界石油工业中长期、普遍存在的一种腐蚀类型。近年来我国深井、超深井开采数量不断增加，井底环境日益苛刻。高温高压的环境、同时存在的CO₂、氯离子和水等对油套管材料的耐蚀性，强度及韧性等要求越来越高。

在高温高压、高含CO₂酸性气体和氯离子的腐蚀环境下，普通碳钢和低合金钢的整体腐蚀速率非常快，有些还会发生局部腐蚀穿孔，使油套管的寿命急剧缩短。研究发现Cr元素可以提高材料的腐蚀抗力。实践证明一般至少加入11％(重量％，以下同)的Cr元素才能使钢材在常温大气中不生锈。传统的420型(L80-13Cr)马氏体不锈钢可满足油套管材料的一般要求。但是该产品强度较低，不能达到110ksi(758MPa)钢级要求，且韧性、耐腐蚀性能偏低。在CO₂和氯离子存在的环境中，当温度超过130℃后，腐蚀速率急剧升高。虽然双相不锈钢(22-25％Cr)可以满足要求，但是成本较高。因此，需要一种提升材料耐蚀性和强度的方法及其产品。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高强度高抗CO₂和氯离子腐蚀的新型油套管用马氏体不锈钢。

为实现上述目的，本发明的马氏体不锈钢，其化学成分(重量百分比)为：C≤0.04％，Si：0.20-1％，Mn：0.30-1％，P≤0.02％，S≤0.010％，Cr：14-17％，5％＜Ni≤7％，Mo：1.5-2.3％，N：0-0.16％，Cu：0.05-2.5％，以及Nb：0.01-0.10％、V：0.01-0.10％和Ti：0.01-0.10％中的一种或多种，其余主要为铁及不可避免的微量杂质元素。

本发明的另一个目的是提供上述马氏体不锈钢的制造方法。该方法依次包括如下步骤：

采用真空炉、转炉或电炉等常规冶炼方法进行冶炼，用连铸法或铸锭-开坯轧钢法等常规方法制成钢管原材料；然后将钢管原材料加热并采用常规热轧管方法，得到规定尺寸的无缝钢管，制成的无缝钢管采用空冷及以上的冷却速度冷却至室温；

得到的无缝钢管进行调制热处理：淬火再加热温度在950-1100℃之间，根据钢管厚度，保温时间为30-90分钟。随后用空冷，油冷或水冷的冷却方式冷却至200℃以下；回火温度在550-650℃之间，根据钢管厚度，回火时间为60-120分钟。随后用空冷，油冷或水冷的冷却方式冷却至200℃以下。

本发明克服了现有合金设计的限制，将超低碳马氏体不锈钢中的Cr含量控制在14-17％，通过单独或复合添加适量的Cu、N、Ni等元素，抑制了δ-铁素体及其他相的析出，并结合Nb、V或Ti等元素的添加，提供了高强度高抗CO₂和氯离子腐蚀的新型油套管用马氏体不锈钢。

由于本发明钢淬透性好，采用空冷的方式即可淬硬，工厂生产方便。同时由于含碳量低，即使采用油冷或水冷的方式也不会开裂。相比较空冷，油冷和水冷的生产效率较高。

根据本发明得到的所述合金钢的屈服强度达到110-150ksi钢级要求，同时塑性、韧性良好。

附图说明

图1是实施例A1-1的微观组织，为马氏体单相组织。

图2是对比例B1的微观组织，为马氏体+高温铁素体双相组织。

具体实施方式

以下较为详细地说明本发明的特点和有益效果。

在本发明中，除非另有指明含量均指重量百分比含量。

为了实现本发明的提供一种高强度高抗CO₂和氯离子腐蚀的新型油套管用超低碳马氏体不锈钢的目的，各种元素控制如下：

C：较低的C含量可以减弱由于晶界碳化物析出导致的基体“贫铬”现象，增强基体腐蚀抗力。C含量越低，基体的抗腐蚀能力越强。同时考虑到钢厂冶炼控制的难度，本发明中控制C≤0.04％，优选地，C：0.015-0.04％，更优选C≤0.03％。