專利名稱：抗二氧化碳、氯離子腐蝕石油鉆桿用鋼的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種石油鉆桿用鋼，特別涉及一種含有濕潤二氧化碳、氯離子、硫酸鹽等復(fù)合腐蝕環(huán)境條件下的抗二氧化碳、氯離子腐蝕石油鉆桿用鋼。
背景技術(shù)：
石油鉆桿屬油井管產(chǎn)品中生產(chǎn)難度最大、附加值最高的產(chǎn)品。隨著油氣田鉆采條件的日益苛刻，鉆桿面臨的腐蝕環(huán)境越來越嚴(yán)酷。目前，大部分油田的鉆桿普遍存在嚴(yán)重的CO2和Cl-腐蝕問題。而且每年因CO2和Cl-腐蝕所產(chǎn)生的事故不僅給油田造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失，而且還產(chǎn)生了嚴(yán)重的社會(huì)后果。就現(xiàn)有鉆桿常用鋼種而言，一般采用中低碳合金鋼制造。表1列出了國外幾個(gè)主要鉆桿廠家生產(chǎn)的S135鋼級鉆桿成分。
表1 S135鉆桿主要成分

通過查新檢索到三個(gè)抗腐蝕鉆桿用低合金鋼的發(fā)明專利，專利號(hào)分別為ZL85107542、JP 62230955A、JP58136715A。其中ZL85107542專利鋼為E75低鋼級的抗硫化氫應(yīng)力腐蝕材料，其化學(xué)成分為0.20∽0.60％C，0.10∽1.0％Si，0.50∽1.8％Mn，0.5∽3.5％Cr+Mo，P≤0.02，S≤0.005％。發(fā)明者主要通過加入0.5∽3.5％的Cr和Mo并通過調(diào)質(zhì)熱處理后，材料的力學(xué)性能和抗H2S應(yīng)力腐蝕開裂性能分別滿足API 5D和NACETM0177-96方法中規(guī)定的E75鋼級的要求，化學(xué)成分中因沒有Cu、Ni、Al、V等微量元素，不具有抗CO2、Cl-腐蝕性能；JP 62230955A專利鋼的化學(xué)成分為0.05∽0.40％C，0.05∽1.0％Si，0.10∽2.0％Mn，0.05∽1.0％Cu，1.0∽15％Cr，0.10∽1.0％Ni，0.1∽1.5％Mo，P≤0.02％，S≤0.015％。該專利鋼主要通過加入高達(dá)15％的Cr以提高鋼在高溫高壓下的抗氯離子腐蝕性能，但是該鋼種Cr含量高達(dá)15％，屬中高合金范疇，大大增加了鋼的成本。此外，該專利中因沒有加入V、Nb、Al等改善鋼的抗CO2腐蝕行為的元素，抗CO2腐蝕性能較差。而專利JP 58136715A鋼也是抗硫化氫應(yīng)力腐蝕材料，其化學(xué)成分為0.10∽0.45％C，0.10∽2.0％Si，0.30∽1.5％Mn，0.30∽5.0％Co，0.1∽2.0％Cr，0.001∽0.1％Al，其余為Fe和不可避免雜質(zhì)。發(fā)明者在鋼中主要通過復(fù)合加入Co、Cr等元素并通過合適的熱處理最終實(shí)現(xiàn)鋼具有良好的抗硫化氫應(yīng)力腐蝕開裂性能。成分中沒有Mo、Cu、Ni、V等元素，作者主要加入高達(dá)5％的昂貴Co元素以改善鋼的抗H2S性能，所以也不具有抗CO2、Cl-腐蝕性能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明需要解決的技術(shù)問題是現(xiàn)有G105、S135等常規(guī)鉆桿鋼在含有二氧化碳、氯離子等復(fù)合酸性腐蝕環(huán)境條件下耐蝕性很差，經(jīng)常給油田帶來嚴(yán)重的以腐蝕穿孔的腐蝕失效事故。本發(fā)明在于提出一種新的抗腐蝕鉆桿用鋼的化學(xué)成分，最終用以解決油氣田鉆桿面臨的腐蝕問題。
抗二氧化碳、氯離子腐蝕石油鉆桿用鋼，其組成成分的重量百分比為C0.20～0.40wt％，Si0.10～1.0wt％Mn0.10～1.5wt％，Cr1.0～4.0wt％Mo0.10～1.0wt％，Al0.01～0.10wt％Cu0.05～1.0wt％，Ni0.05～1.0wt％V0.01～0.1wt％其余為Fe和不可避免的雜質(zhì)組成。
必要時(shí)加入0.01～0.05wt％的Nb和0.01～0.10wt％的W元素，雜質(zhì)元素的總量低于0.05wt％。
本發(fā)明的合金鋼選擇化學(xué)成分范圍的原因如下C是保證鋼管室溫強(qiáng)度和淬透性所必需的成分，但當(dāng)要求提高抗CO2和Cl-腐蝕性能時(shí)，應(yīng)限制碳含量。碳含量低于0.01％時(shí)淬透性和強(qiáng)度不夠，高于0.40％則韌性變壞，腐蝕性變差。
Mo的加入提高了耐蝕性特別是抗局部腐蝕性，還提高了材料的強(qiáng)度和淬透性。如加入量低于0.01％，效果不明顯，高于1.0％，加工性能和塑性惡化。
Si加入鋼中起到了脫氧和改善耐蝕性的作用。低于0.01％含量效果不明顯。當(dāng)含量超過1.0％后，加工性和韌性惡化。
Cr的加入使鋼的強(qiáng)度和抗CO2、H2S腐蝕性能提高。但是，Cr含量小于1.0％時(shí)，耐蝕性提高不明顯。高于4.0wt％，加工性變差，材料成本提高。Cr含量一般控制在1.0～4.0％。
Mn是改善鋼的強(qiáng)韌性必須的元素，小于0.1％時(shí)作用較小。當(dāng)Mn含量超過2％后，抗CO2腐蝕性下降。
Al在鋼中起到了脫氧作用和細(xì)化晶粒的作用，另外還提高了表面膜層的穩(wěn)定性和耐蝕性。當(dāng)加入量低于0.001％時(shí)，效果不明顯，加入量超過0.10％，力學(xué)性能變差。
Cu是抗CO2和H2S腐蝕性能提高的主要元素之一，加入量低于0.05％，效果不明顯，高于1.0％，熱加工性變差。
Ni能提高鋼的強(qiáng)韌性和抗腐蝕性能，但是加入量低于0.05％時(shí)，效果不明顯，超過1.0％時(shí)合金成本會(huì)明顯增加。
V、Nb的加入提高了耐蝕性特別是抗局部腐蝕性，還細(xì)化了晶粒、提高了材料的強(qiáng)度和淬透性。但是加入量低于0.01％時(shí)，效果不明顯，超過0.1％時(shí)由于析出物粗化而使性能惡化。
本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明專利屬低合金鋼范疇，由于復(fù)合加入了微量的Cu、Ni、V、Nb和Al等元素，不僅具有良好的抗CO2、Cl-腐蝕性能，而且可以制造強(qiáng)度級別超過S135的高強(qiáng)度鉆桿。
具體實(shí)施例方式表2表示試驗(yàn)鋼的化學(xué)成分，A1-A4為本發(fā)明的合金鋼，B1-B3為對照鋼，其中B1為油田目前常用的普通S135鉆桿，而B2、B3分別為對比專利合金鋼的成分。
表2本發(fā)明鋼和現(xiàn)有合金鋼的化學(xué)成分，wt％

鋼種的冶煉按照上述配比采用常規(guī)的冶煉方法。
本發(fā)明與對比鋼的力學(xué)性能和抗CO2、Cl-腐蝕性能測試的結(jié)果可以由表3獲得評價(jià)。
表3本發(fā)明專利鋼和對比鋼的力學(xué)性能和抗CO2、Cl-腐蝕性能

注試驗(yàn)條件為Na++K+17183.69mg/L，HCO3-122.04mg/L，Cl-33687mg/L，SO42-1440.9mg/L，F(xiàn)e2+100mg/L，F(xiàn)e3+30mg/L，Ca2+1603.2mg/L，Mg2+641.5mg/L，PH＝6.0，試驗(yàn)溫度110℃，CO2分壓2.0Mpa，流速1.5m/s。
○表明沒有局部腐蝕；×表明有局部腐蝕從表2的試驗(yàn)結(jié)果可以看出本發(fā)明的合金鋼的抗CO2腐蝕性能明顯比JP58136715A發(fā)明要好，即使在有Cl-含量超過10％的復(fù)合CO2腐蝕介質(zhì)存在的情況下也沒有局部腐蝕發(fā)生。
本發(fā)明的合金鋼經(jīng)冶煉、鍛造、軋制、合適的熱處理并經(jīng)力學(xué)性能測試符合S135鋼級的API 5D的性能要求后，力學(xué)性能的測試按GB6397-86標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。在CO2腐蝕較為突出的塔里木油田的典型腐蝕環(huán)境中進(jìn)行高壓釜腐蝕模擬對比試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果顯示，本發(fā)明的合金鋼種的年腐蝕速率較油田目前使用的S135鉆桿降低了5倍以上，而且局部腐蝕現(xiàn)象得以消除。本發(fā)明鋼種和制造方法可以用于生產(chǎn)高強(qiáng)度石油鉆桿。
權(quán)利要求
1.抗二氧化碳、氯離子腐蝕石油鉆桿用鋼，其組成成分的重量百分比為C0.20～0.40wt％Si0.10～1.0wt％Mn0.10～1.5wt％Cr1.0～4.0wt％Mo0.10～1.0wt％Al0.01～0.10wt％Cu0.05～1.0wt％Ni0.05～1.0wt％V0.01～0.1wt％其余為Fe和不可避免的雜質(zhì)組成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的抗二氧化碳、氯離子腐蝕石油鉆桿用鋼，其特征是，配比中還加入0.01～0.05wt％的Nb和0.01～0.10wt％的W元素。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的抗二氧化碳、氯離子腐蝕石油鉆桿用鋼，其特征是，雜質(zhì)元素的總量低于0.05wt％。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種石油鉆桿用鋼，特別涉及一種含有濕潤二氧化碳、氯離子、硫酸鹽等復(fù)合腐蝕環(huán)境條件下的抗二氧化碳、氯離子腐蝕石油鉆桿用鋼。解決了現(xiàn)有鉆桿用鋼耐CO
文檔編號(hào)C22C38/46GK1715438SQ20041002558
公開日2006年1月4日 申請日期2004年6月30日 優(yōu)先權(quán)日2004年6月30日
發(fā)明者張忠鏵, 郭金寶, 蔡海燕, 孫元寧 申請人:寶山鋼鐵股份有限公司