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17%Cr无缝不锈油井用管UHP®-17CR

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1绪言随世界能源需求增加和石油、天燃气的开发增加,与以往相比,正向着更多严酷的腐蚀环境进行挑战,期待无缝油井管材可以适应这样的使用环境。具体的说,能耐CO2腐蚀强材料含H2S的环境下耐…

1绪言

随世界能源需求增加和石油、天燃气的开发增加,与以往相比,正向着更多严酷的腐蚀环境进行挑战,期待无缝油井管材可以适应这样的使用环境。具体的说,能耐CO2腐蚀强材料含H2S的环境下耐SCC的高强度材料,已经常用13%Cr马氏体系钢(API一13Cr)已不能适应深井环境也增加。眼看着改良型不锈钢(Mod一13Cr)也不能用。因此,又开发,并开始应用15%Cr马氏体不锈钢管(UHP一15CR)。

但随逐年腐蚀环境越来越严酷,即在高温、高CO2分压、高氯化物离子浓度的环境下,这些材料越来越不能充分适用。所以,多提出22%Cr以上的双相不锈钢、Ni基合金方案,这些材料用常用的无缝轧制技术曼内斯曼穿孔法制作,困难多。另外,由于不含马氏体,要想有110ksi的(YS∶758MPa~)、125ksi级(YS∶865MPa~)强度,不能退火回火(QT),则必须冷拉(在冷态使外径缩径、减薄厚度均质化)增加强度,这样,材料的使用就受限制。

作为这样的解决对策,开发比UHP一15CR能在更严酷环境使用的无缝油井钢管,研讨了能提高耐蚀性,不用冷拉的110ksi级、125ksi级高强度化。随着17%Cr为主要成分材料开发,成功实现了兼顾两者的材料,下面介绍之。

2开发的概念

需要采用比UHP一15CR更苛刻耐蚀环境下可以利用的钢材,在具有该特性的同时,为了不采用冷拉工艺,能实现高强度化,制造了组织以马氏体为主体的钢材,具体开发目录为下∶

(1)YS∶110ksi级≥758MPa;

(2)制造方法∶无冷拉能达YS(曼内斯曼穿孔法或QT法可以制造);

(3)组织∶马氏体组织为主体组织;

(4)在CO2腐蚀的使用临界温度>200℃(CO2分压,10MPa);

(5)耐SCC性∶pH4~4.5(H2S分压0.01MPa)无SCC。

本开发课题在UHP一15CR成分最佳化基础上,实质上并未采用以往在延长线的成分

设计的方法。以前采用的提高耐蚀性的手段是既要确保制造性,又要提高Cr当量和Ni当量,努力改善纯化膜的历史。如图1(略)所示,这时在Cr当量、Ni当量增加时与SUS329J3L、J4L(分别为22Cr、25Cr)的双相不锈钢一样,缺少淬火,回火工艺就不能实现无冷拉的目标。因此,对图1的UHP一15CR来说,在新开发材料UHP?一17CR,把向右下的方向性就成为设计的主体,也就是为了提高铁素体稳定元素的Cr、Mo增量,在稳定纯化膜的同时,减少奥氏体稳定元素Ni,使奥氏体组织不是主体组织。另外,对耐CO2腐蚀性及耐SCC性的降低,确立了用W和Cr补救的方案,即从以往的马氏体单相组织,改变成马氏体为主体,尽管如此,仍然把第2相的铁素体和奥氏体组织为基础,把合金元素量最佳化,成为0.03C一17Cr一4Ni一2Mo一1Cu一1W。

该成分的设计比以往更有利于热加工性。以往的成分设计,由于同时增加了Cr当量和Ni当量,所以在无缝轧制时,热加工性存在恶化倾向。特别由于有微量铁素体的混入,在铁素体上会发生应力集中,必须抑制其成为裂纹的发源地。但是,在开发UHP?一17CR时,改变了设计想法,把铁素体调成含有15%~60%铁素体组织,因此,在改善热加工性同时,使起因于铁素体微量混入的裂纹不再发生。

3开发钢管的诸特性

3.1成分和机械性质

基于在实验室的成分设计,实际冶炼了如表1所示成分的钢,用曼内斯曼工艺制造了无缝钢管,不增加轧制负荷,也能抑制表面伤痕,造管后,用QT工艺制造材质如表2所示。无冷拉得到了110ksi级、125ksi级材料,图2(略)表示其组织。可以确认白色是铁素体,黑色是马氏体,但不能确认是否有奥氏体组织。

本材料原是在200℃以上的高温环境使用,所以连同25%Cr的双相不锈钢(冷拉,125ksi级)的结果,以高温强度作图如图3(略)所示,双相不锈钢在室温200℃环境使用时,强度降低,约为100MPa,在200℃以上环境中使用,UHP?一17CR有利。UHP?一17CR双相不锈钢具有高的常温强度是冷拉造成的。强度越高,应变越释放,可以说因为UHP?一17CR是马氏体为主的组织,所以强度降低很少。

夏氏冲击试验值示于图4(略)。在一60℃其值超过270J,本开发材UHP?一17CR无论高温强度如何都有优异的低温韧性。

3.2耐蚀性及耐SCC性

图5(略)表示在20%NaCl水溶液中,用CO2分压和温度整理的CO2腐蚀图,将以往的API一13Cr、Mod一13Cr、UHP?一15CR一起与本开发钢UHP?一17CR钢进行了比较。另外,在油井管领域,将通常使用的≤0.127mm/年耐蚀性良好的作为判断基准,按这顺序,提高耐CO2腐蚀性,在CO2分压3MPa作比较时,适用界限温度为130℃、165℃、200℃、230℃,本开发钢有优异的高温耐蚀性。

图6是比较20%NaCl水溶液,CO2分压0.1MPa,25℃时的孔蚀电位和耐孔蚀指数和Mod一13Cr,UHP?一15CR与本开发钢UHP?一17CR的比较图。按该顺序,耐孔蚀指数增加,并且随此孔蚀电位变成阳电位。

对耐SCC性,但随逐年腐蚀环境越来越严酷,即在高温、高CO2分压、高氯化物离子浓度的环境下,是深海油田、气田开发所期待的特性。在18%~20%NaCl高的环境下与UHP?一15CR的125ksi级比较和UHP?一17CR的125ksi级的结果示于图7(略)。在H2S分压0.01MPa下,其利用的范围可到pH4.0范围。

耐CO2腐蚀性,含耐SCC性,可以满足作为目标高耐蚀基准。作为马氏体为主的不锈钢油井管材,显示优异的特性。Cr当量和Ni当量,所以在无缝轧制时,热加工性存在恶化倾向。特别由于有微量铁素体的混入,在铁素体上会发生应力集中,必须抑制其成为裂纹的发源地。但是,在开发UHP?一17CR时,改变了设计想法,把铁素体调成含有15%~60%铁素体组织,因此,在改善热加工性同时,使起因于铁素体微量混入的裂纹不再发生。

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