L80抗硫化氫腐蝕石油套管25CrMo鋼的開發(fā)

戈文英

（山東鋼鐵股份有限公司萊蕪分公司特鋼事業(yè)部，山東萊蕪271104）

L80抗硫化氫腐蝕石油套管25CrMo鋼的開發(fā)

戈文英

（山東鋼鐵股份有限公司萊蕪分公司特鋼事業(yè)部，山東萊蕪271104）

采用EAF-LF-VD-CC工藝純凈鋼生產(chǎn)技術(shù)，在Cr-Mo鋼的成分基礎(chǔ)上添加Ni、Ti元素，設(shè)計開發(fā)了一種抗硫化氫腐蝕石油套管用25CrMo鋼。統(tǒng)計分析結(jié)果表明：25CrMo鋼的實物質(zhì)量良好，具有純∧凈度高、有害元素含量少、晶粒細(xì)小、組織均勻、表面質(zhì)量優(yōu)良等優(yōu)點；其抗硫化氫腐蝕性能優(yōu)異，適用于PH2S100 kPa的腐蝕環(huán)境；制得L80抗硫化氫腐蝕石油套管的力學(xué)性能滿足客戶要求。

L80石油套管；25CrMo鋼；冶煉工藝；抗硫化氫腐蝕；開發(fā)

在油氣田開采過程中，鋼鐵材料的腐蝕一直是嚴(yán)重問題［1-3］。據(jù)統(tǒng)計，世界大約有1/3的油氣田中含有硫化氫氣體；而普通套管在用于含硫化氫的油氣資源開采時，套管在使用應(yīng)力和硫化氫氣體的作用下，會發(fā)生硫化氫應(yīng)力腐蝕（SSC），造成套管柱或整口井報廢，甚至?xí)斐删畤姡y以滿足復(fù)雜油氣田開采要求［4］。因此，開采含硫化氫的油氣資源時必須使用抗硫化氫腐蝕套管［5-8］，而其質(zhì)量對油氣田的產(chǎn)能、安全、壽命影響較大［9-10］。

采用某公司開發(fā)的25CrMo鋼生產(chǎn)的L80石油套管適用于濕硫化氫環(huán)境，檢驗結(jié)果表明其具有優(yōu)異的抗硫化氫腐蝕性能?，F(xiàn)對該25CrMo鋼的開發(fā)情況進行介紹。

1　化學(xué)成分設(shè)計和主要技術(shù)要求

1.1化學(xué)成分設(shè)計

石油套管用鋼的設(shè)計要考慮化學(xué)成分、力學(xué)性能、冶金質(zhì)量等。在H2S介質(zhì)中的濕氣作用下，鋼材表面會發(fā)生以下化學(xué)反應(yīng)：

H2S+Fe→FeS+H2↑

所以，會出現(xiàn)氫向鋼中擴散滲透現(xiàn)象，使鋼增氫而產(chǎn)生氫脆。因此，在含有H2S氣體的油氣田工作的鋼要求具有抗H2S破壞的能力［8］。

抗硫化氫應(yīng)力腐蝕性能涉及的冶金因素包括化學(xué)成分、組織結(jié)構(gòu)和熱處理等［11-13］?；瘜W(xué)成分能顯著改變鋼的抗應(yīng)力腐蝕破裂性能，對于調(diào)質(zhì)型的抗H2S介質(zhì)腐蝕用鋼來說，w（C）一般控制在0.20%～0.30%；在傳統(tǒng)Cr-Mo型調(diào)質(zhì)鋼化學(xué)成分的基礎(chǔ)上添加V、Nb、Ti、Ni等元素可獲得良好的高抗H2S腐蝕材料，所以某公司在開發(fā)25CrMo鋼時設(shè)計了其化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）及內(nèi)控目標(biāo)，具體要求見表1。冶金工藝上采用純凈鋼技術(shù)控制S、P及As、Sn、Pb、Sb等有害元素含量，其含量要求見表2，以提高鋼的抗H2S腐蝕性能；通過Ca處理降低夾雜物的危害［14-16］。

表1　25CrMo鋼的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）及要求%

表2　25CrMo鋼中微量有害元素含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）協(xié)議要求%

1.2主要技術(shù)要求

管坯在制管過程中經(jīng)熱態(tài)穿孔、軋制等多道工序變形，經(jīng)受各種復(fù)雜的應(yīng)力，管坯表面和內(nèi)部的缺陷會延伸、擴展、暴露，而且鋼管出廠前要進行超聲波和渦流聯(lián)合探傷檢驗。因此，管坯必須具有良好的表面和內(nèi)在質(zhì)量。

25CrMo鋼的化學(xué)成分應(yīng)符合表1規(guī)定；鋼中w（O）≤1.8×10-5，w（N）≤9.0×10-5，w（H）≤2.0×10-6；按GB/T 10561—2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測定》標(biāo)準(zhǔn)A法檢驗非金屬夾雜物，合格級別應(yīng)符合表3的規(guī)定；按GB/T 6394—2002《金屬平均晶粒度測定法》檢驗鋼的奧氏體晶粒度，應(yīng)≥5.0級。

表3　25CrMo鋼中非金屬夾雜物等級協(xié)議要求級

2　工藝設(shè)計和過程控制

2.1工藝流程

配料（熱裝鐵水）→EAF電爐冶煉→LF爐精煉＋VD真空脫氣處理→連鑄（電磁攪拌）→入坑緩冷→軋制成材→入坑緩冷。

2.2工藝控制要點

2.2.1原材料要求

采用精料方針，確保鐵水百分比50%～60%，選用優(yōu)質(zhì)廢鋼和含S、P較低的生鐵。要求原輔材料全部烘烤，從而有效地減少鋼中氣體含量。

2.2.2冶煉工藝

電爐冶煉，加入爐料后，先采用中低氧吹氧造渣，冶煉前期杜絕高氧，控制爐渣的流動性，保證合適的脫磷條件，并充分利用熔化期溫度較低的有利條件，提高初渣的氧化性，提高爐渣脫磷的能力，溫度大于1 450℃時，保證爐門口自動流渣，及時放掉磷含量高的初渣。全過程造泡沫渣操作，保證良好的氧化沸騰，促進鋼中夾雜物和氣體的上浮，脫碳量大于0.30%；合理控制脫碳及升溫速度，控制碳氧反應(yīng)攪拌熔池，確保碳氧反應(yīng)增加鋼渣界面的脫磷效果，以利于進一步脫磷；嚴(yán)格控制終點［C］≥0.10%，［P］≤0.008%；準(zhǔn)確控制出鋼溫度在1 620～1 640℃，避免出現(xiàn)高溫回磷現(xiàn)象，出鋼時留鋼、留渣操作，嚴(yán)禁下氧化渣，為精煉創(chuàng)造好的鋼水條件。

LF爐精煉完成脫氧、脫硫、去除夾雜物、成分和溫度調(diào)整等多項精煉任務(wù)。電爐出鋼時做好鋼包預(yù)脫氧，降低溶解氧的質(zhì)量分?jǐn)?shù)至2×10-5以下，確保精煉位深脫硫條件；鋼包到位后，在包中碳允許的條件下盡量使用增碳劑調(diào)渣，禁止加入大量碳化硅調(diào)渣降低爐渣堿度；保持爐渣合適流動性，白渣保持時間大于15 min；精煉爐確保一次樣w（Al）≥0.03%，降低溶解氧含量，增強脫硫效果；LF爐精煉嚴(yán)格控制w（S）∧0.005%；鋼中喂入Ca線進行夾雜物變性處理，對降低大顆粒夾雜物會產(chǎn)生積極影響。

鋼水進行真空脫氣，控制好精煉渣的流動性和真空溫度，真空度小于67 Pa下保持12 min，VD真空脫氣處理過程中合理控制氬氣；破除真空后軟吹氬時間不小于15 min，提高鋼水純凈度。

2.2.3連鑄工藝

連鑄采用全程保護澆注，大包保護采用長水口，中間包采用浸入式水口、使用覆蓋劑、選用性能優(yōu)良的專用結(jié)晶器保護渣，防止鋼水二次氧化；采用低過熱度澆注，中包鋼水過熱度控制在20～30℃，防止柱狀晶過快生長，以增加鑄坯中的等軸晶，減輕中心疏松和偏析；在結(jié)晶器和凝固末端采用電磁攪拌；進拉矯機溫度在860～900℃。

2.2.4軋制工藝

軋制時須保證鋼坯加熱均勻，均熱段溫度控制在1 200～1 250℃，允許溫差≤30℃，根據(jù)坯型調(diào)整加熱時間。軋后鋼材溫度大于700℃時入坑緩冷，保證出緩冷坑時溫度小于200℃，以消除熱應(yīng)力和組織應(yīng)力，改善鋼材內(nèi)部質(zhì)量。

3　產(chǎn)品實物質(zhì)量

3.1化學(xué)成分及鋼中氣體含量

檢測100爐25CrMo鋼的化學(xué)成分及其微量有害元素含量。25CrMo鋼的化學(xué)成分檢驗結(jié)果見表4，微量有害元素檢驗結(jié)果見表5。分析可以看出：25CrMo鋼的化學(xué)成分控制在內(nèi)控標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，波動范圍較窄，有害元素含量低；鋼中w（O）≤1.5× 10-5，w（N）≤8.4×10-5，w（H）≤1.5×10-6，鋼質(zhì)純凈度高。

表4　25CrMo鋼的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）檢驗結(jié)果%

表5　25CrMo鋼中微量有害元素（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）檢驗結(jié)果%

3.2低倍組織

檢驗100爐25CrMo鋼的低倍組織，發(fā)現(xiàn)：25CrMo鋼中一般疏松0～0.5級，中心疏松0.5～1.5級，偏析0～0.5級；鋼材的橫截面酸浸低倍組織試片上未發(fā)現(xiàn)肉眼可見的縮孔、裂紋、氣泡、夾雜、折疊、白點及有害夾雜物。25CrMo鋼的低倍組織符合協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)要求。

3.3非金屬夾雜物

檢驗100爐25CrMo鋼的非金屬夾雜物，其結(jié)果見表6。分析發(fā)現(xiàn)：25CrMo鋼中無大顆粒夾雜物，未發(fā)現(xiàn)C類夾雜物，鋼中非金屬夾雜物等級符合協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)要求。

表6　25CrMo鋼的非金屬夾雜物檢驗結(jié)果級

3.4晶粒度

通常，提高材料的力學(xué)性能主要靠沉淀強化和細(xì)晶強化，為控制25CrMo鋼的綜合性能，需控制鋼材晶粒度大小。25CrMo鋼的晶粒度檢驗結(jié)果均為8級，滿足協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)要求。

3.5成品鋼管質(zhì)量

L80抗硫化氫石油套管的力學(xué)性能檢驗結(jié)果見表7，成品鋼管強度和塑性指標(biāo)滿足API Spec 5CT—2011《套管和油管規(guī)范》標(biāo)準(zhǔn)要求，鋼管探傷合格率達到99.97%；抗SSC性能依據(jù)NACE TM 0177—2005《H2S環(huán)境中金屬抗硫化物應(yīng)力開裂和應(yīng)力腐蝕開裂的室內(nèi)試驗》評價，試樣在名義最小屈服強度552 MPa的76%應(yīng)力條件下，經(jīng)H2S飽和溶液（A溶液）浸泡720 h，宏觀觀察發(fā)現(xiàn)試樣均未發(fā)生斷裂，試樣標(biāo)距部分用10倍放大鏡檢查均未發(fā)現(xiàn)微觀裂紋?？梢哉J(rèn)為，試制的25CrMo鋼的抗硫化氫腐蝕性能優(yōu)異，達到設(shè)計要求。

表7　L80抗硫化氫石油套管的力學(xué)性能檢驗結(jié)果

4　結(jié)語

（1）采用EAF-LF-VD-CC工藝的純凈鋼生產(chǎn)技術(shù)，在傳統(tǒng)Cr-Mo鋼的基礎(chǔ)上，通過添加Ni、Ti元素，設(shè)計開發(fā)了一種抗硫化氫腐蝕石油套管用25CrMo鋼。該25CrMo鋼的實物質(zhì)量良好，具有純凈度高、有害元素低、晶粒細(xì)小、組織均勻、表面質(zhì)量優(yōu)良等優(yōu)點，產(chǎn)品質(zhì)量完全符∧合標(biāo)準(zhǔn)要求；抗硫化氫腐蝕性能優(yōu)異，適用于PH2S100 kPa腐蝕環(huán)境。

（2）研制的25CrMo鋼用于軋制L80抗硫化氫腐蝕石油套管，加工的石油管力學(xué)性能和探傷質(zhì)量穩(wěn)定，可滿足用戶要求。

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Development of 25CrMo Steel for Making L80 Anti-H2S Corrosion Oil Casing

GE Wenying
（Specialty Steel Division，Laiwu Company，Shandong Iron and Steel Company，Ltd.，Laiwu 271104，China）

The 25CrMo steel for making the L80 anti-H2S corrosion oil casing is designed and developed by means of the EAF-LF-VD-CC clean steel-making technology，and adding Ni and Ti to the chemical composition of the Cr-Mo steel.Relevant statistical analysis shows that the 25CrMo steel has excellent physical quality，featuring high cleanness，low harmful element contents，fine grain and homogeneous microstructure and good surface quality，etc.The said steel als∧o possesses outstanding H2S-corrosion resistance，being suitable for service under operation environment with PH2S100 kPa.The L80 anti-H2S corrosion oil casing as made of the said steel is in possession of mechanical properties up to the customer specified requirements.

L80 oil casing；25CrMo steel；melting process；anti-H2S corrosion；development

TG335.5搖搖

B搖

1001-2311（2016）02-0050-04

戈文英（1972-），男，碩士，高級工程師，從事特殊鋼新產(chǎn)品及工藝研發(fā)工作。

2015-11-05；修定日期：2016-01-11）