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無縫17%Cr不銹油井用管UHP?-17CR
1 緒言
??? 隨世界能源需求增加和石油、天燃?xì)獾拈_發(fā)增加，與以往相比，正向著更多嚴(yán)酷的腐蝕環(huán)境進(jìn)行挑戰(zhàn)，期待無縫油井管材可以適應(yīng)這樣的使用環(huán)境。具體的說，能耐CO2腐蝕強(qiáng)材料含H2S的環(huán)境下耐SCC的高強(qiáng)度材料，已經(jīng)常用13%Cr馬氏體系鋼(API一13Cr) 已不能適應(yīng)深井環(huán)境也增加。眼看著改良型不銹鋼(Mod一13Cr) 也不能用。因此，又開發(fā)，并開始應(yīng)用15%Cr馬氏體不銹鋼管(UHP?一15CR) 。
?? 但隨逐年腐蝕環(huán)境越來越嚴(yán)酷，即在高溫、高CO2分壓、高氯化物離子濃度的環(huán)境下，這些材料越來越不能充分適用。所以，多提出22%Cr以上的雙相不銹鋼、Ni基合金方案，這些材料用常用的無縫軋制技術(shù)曼內(nèi)斯曼穿孔法制作，困難多。另外，由于不含馬氏體，要想有110ksi的(YS∶758MPa~)、125ksi級(YS∶865MPa~)強(qiáng)度，不能退火回火(QT) ，則必須冷拉(在冷態(tài)使外徑縮徑、減薄厚度均質(zhì)化) 增加強(qiáng)度，這樣，材料的使用就受限制。
?? 作為這樣的解決對策，開發(fā)比UHP?一15CR能在更嚴(yán)酷環(huán)境使用的無縫油井鋼管，研討了能提高耐蝕性，不用冷拉的110ksi級、125ksi級高強(qiáng)度化。隨著17%Cr為主要成分材料開發(fā)，成功實(shí)現(xiàn)了兼顧兩者的材料，下面介紹之。
2 開發(fā)的概念
?? 需要采用比UHP?一15CR更苛刻耐蝕環(huán)境下可以利用的鋼材，在具有該特性的同時，為了不采用冷拉工藝，能實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度化，制造了組織以馬氏體為主體的鋼材，具體開發(fā)目錄為下∶
(1)??? YS∶110ksi級≥758MPa；
(2)??? 制造方法∶無冷拉能達(dá)YS(曼內(nèi)斯曼穿孔法或QT法可以制造) ；
(3)??? 組織∶馬氏體組織為主體組織；
(4)??? 在CO2腐蝕的使用臨界溫度＞200℃(CO2分壓，10 MPa) ；
(5)??? 耐SCC性∶pH4~4.5(H2S分壓0.01 MPa) 無SCC。
本開發(fā)課題在UHP?一15CR成分最佳化基礎(chǔ)上，實(shí)質(zhì)上并未采用以往在延長線的成分
設(shè)計(jì)的方法。以前采用的提高耐蝕性的手段是既要確保制造性，又要提高Cr當(dāng)量和Ni當(dāng)量，努力改善純化膜的歷史。如圖1(略)所示，這時在Cr當(dāng)量、Ni當(dāng)量增加時與SUS329J3L、J4L(分別為22Cr、25Cr) 的雙相不銹鋼一樣，缺少淬火，回火工藝就不能實(shí)現(xiàn)無冷拉的目標(biāo)。因此，對圖1的UHP?一15CR來說，在新開發(fā)材料UHP?一17CR，把向右下的方向性就成為設(shè)計(jì)的主體，也就是為了提高鐵素體穩(wěn)定元素的Cr、Mo增量，在穩(wěn)定純化膜的同時，減少奧氏體穩(wěn)定元素Ni，使奧氏體組織不是主體組織。另外，對耐CO2腐蝕性及耐SCC性的降低，確立了用W和Cr補(bǔ)救的方案，即從以往的馬氏體單相組織，改變成馬氏體為主體，盡管如此，仍然把第2相的鐵素體和奧氏體組織為基礎(chǔ)，把合金元素量最佳化，成為0.03C一17Cr一4Ni一2Mo一1Cu一1W。
?? 該成分的設(shè)計(jì)比以往更有利于熱加工性。以往的成分設(shè)計(jì)，由于同時增加了Cr當(dāng)量和Ni當(dāng)量，所以在無縫軋制時，熱加工性存在惡化傾向。特別由于有微量鐵素體的混入，在鐵素體上會發(fā)生應(yīng)力集中，必須抑制其成為裂紋的發(fā)源地。但是，在開發(fā)UHP?一17CR時，改變了設(shè)計(jì)想法，把鐵素體調(diào)成含有15%~60%鐵素體組織，因此，在改善熱加工性同時，使起因于鐵素體微量混入的裂紋不再發(fā)生。3 開發(fā)鋼管的諸特性
3.1 成分和機(jī)械性質(zhì)
?? 基于在實(shí)驗(yàn)室的成分設(shè)計(jì)，實(shí)際冶煉了如表1所示成分的鋼，用曼內(nèi)斯曼工藝制造了無縫鋼管，不增加軋制負(fù)荷，也能抑制表面?zhèn)?，造管后，?/span>QT工藝制造材質(zhì)如表2所示。無冷拉得到了110ksi級、125ksi級材料，圖2(略) 表示其組織。可以確認(rèn)白色是鐵素體，黑色是馬氏體，但不能確認(rèn)是否有奧氏體組織。
?? 本材料原是在200℃以上的高溫環(huán)境使用，所以連同25%Cr的雙相不銹鋼(冷拉，125ksi級) 的結(jié)果，以高溫強(qiáng)度作圖如圖3 (略)所示，雙相不銹鋼在室溫???? 200℃環(huán)境使用時，強(qiáng)度降低，約為100 MPa，在200℃以上環(huán)境中使用，UHP?一17CR有利。UHP?一17CR雙相不銹鋼具有高的常溫強(qiáng)度是冷拉造成的。強(qiáng)度越高，應(yīng)變越釋放，可以說因?yàn)?/span>UHP?一17CR是馬氏體為主的組織，所以強(qiáng)度降低很少。
?? 夏氏沖擊試驗(yàn)值示于圖4(略) 。在一60℃其值超過270J，本開發(fā)材UHP?一17CR無論高溫強(qiáng)度如何都有優(yōu)異的低溫韌性。
3.2 耐蝕性及耐SCC性
?? 圖5 (略) 表示在20%N aC l水溶液中，用CO2分壓和溫度整理的CO2腐蝕圖，將以往的API一13Cr、Mod一13Cr、UHP?一15CR一起與本開發(fā)鋼UHP?一17CR鋼進(jìn)行了比較。另外，在油井管領(lǐng)域，將通常使用的≤0.127mm/年耐蝕性良好的作為判斷基準(zhǔn)，按這順序，提高耐CO2腐蝕性，在CO2分壓3 MPa作比較時，適用界限溫度為130℃、165℃、200℃、230℃，本開發(fā)鋼有優(yōu)異的高溫耐蝕性。
?? 圖6 是比較20%N aC l水溶液，CO2分壓0.1MPa，25℃時的孔蝕電位和耐孔蝕指數(shù)和Mod一13Cr，UHP?一15CR與本開發(fā)鋼UHP?一17CR的比較圖。按該順序，耐孔蝕指數(shù)增加，并且隨此孔蝕電位變成陽電位。
?? 對耐SCC性，?但隨逐年腐蝕環(huán)境越來越嚴(yán)酷，即在高溫、高CO2分壓、高氯化物離子濃度的環(huán)境下，是深海油田、氣田開發(fā)所期待的特性。在18%~20%N aC l高的環(huán)境下與UHP?一15CR的125ksi級比較和UHP?一17CR的125ksi級的結(jié)果示于圖7(略)。在H2S分壓0.01MPa下，其利用的范圍可到pH4.0范圍。
?? 耐CO2腐蝕性，含耐SCC性，可以滿足作為目標(biāo)高耐蝕基準(zhǔn)。作為馬氏體為主的不銹鋼油井管材，顯示優(yōu)異的特性。?Cr當(dāng)量和Ni當(dāng)量，所以在無縫軋制時，熱加工性存在惡化傾向。特別由于有微量鐵素體的混入，在鐵素體上會發(fā)生應(yīng)力集中，必須抑制其成為裂紋的發(fā)源地。但是，在開發(fā)UHP?一17CR時，改變了設(shè)計(jì)想法，把鐵素體調(diào)成含有15%~60%鐵素體組織，因此，在改善熱加工性同時，使起因于鐵素體微量混入的裂紋不再發(fā)生。作為值得信賴的合作伙伴和高品質(zhì)金屬合金的半成品供應(yīng)商，艾荔艾擁有完善的服務(wù)體系和專業(yè)的團(tuán)隊(duì)。在同客戶交易的過程中，我們力求根據(jù)不同的應(yīng)用需求將我們的產(chǎn)品做到精益求精。針對當(dāng)前和未來的市場需求，艾荔艾致力于為客戶提供最佳的金屬材料解決方案。
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