[发明专利]一种抗硫化氢应力腐蚀耐高压锻件及其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种大型防井喷器用抗硫化氢应力腐蚀耐高压锻件及其制造方法。

背景技术

井下作业过程中，在地层打开的情况下，如果不能采取有效的措施控制较高的底层压力，就有可能导致底层流体(油气水)无控制地涌入井筒并大量喷到地面，这就是井喷。井喷事故对井场附近人员的生命财产安全、对油气井周围的环境以及地下油气资源都有很大的危害。因此，要在油井/气井口安装一个防井喷器，在井喷发生时紧急启动封住井口，避免造成大的经济损失。

防井喷器除了要承受油井底层的巨大压力，还要承受油井中H₂S应力腐蚀。因此，防井喷器用锻件除了机械性能有要求外，还要求具备抗H₂S应力腐蚀的能力，在选材上，通常选用调质型合金结构钢，在现有的合金结构钢国标体系内，适用的防井喷器用钢为30CrMo，其化学成分为：0.26～0.34％C，0.17～0.37％Si，0.40～0.70％Mn，0.80～1.10％Cr，0.15～0.25％Mo，P≤0.035％，S≤0.035％，Cu≤0.30％。在生产工艺上，目前国内大型防井喷器采用的是铸造成型工艺技术，这种方式具有操作简便、流程简单、成本低廉等优点。

30CrMo铸件制造的防井喷器在大庆油田等底层压力较低(70MPa以下)、H₂S气体含量较低(原油含S量低于0.1％以下)的油井较为适合，但随着我国四川、重庆地区一批高硫化氢气体含量(原油含S量大于3％)、压力较高(105MPa以下)的油井的开采，采用这种制造方法生产的防井喷器存在一些不足之处：1)目前设计压力≥105MPa的防井喷器壳体厚度均大于350mm，采用30CrMo淬透性小，壳体心部保留铁素体和珠光体组织，抗拉强度410～490Mpa，使防井喷器整体性能下降。2)采用铸造成型工艺保留铸态组织，晶粒粗大，晶粒度3～4级，使材料力学性能下降，并且存在砂眼、疏松、夹渣等缺陷，需要进行补焊处理。

因此，国内外的相关钢厂研究所一直在寻找一种更好的材料及制造方法来替代30CrMo铸件。

如中国专利号CN200410025443.2公开了化学成分为：0.04％～0.08％C，0.20～0.50％Si，0.30～0.60％Mn，2.00～2.30％Cr，0.40～0.70％Al，0.30～0.45％Mo，P≤0.020％，S≤0.010％，Cu≤0.15％，Ni≤0.20％，Ti≤0.020％；其余为Fe。该发明材料经过NACE标准试验介质中浸泡试验显示出良好的抗湿H₂S应力腐蚀能力，但由于低碳和低合金强化元素含量影响力学性能，抗拉强度仅270MPa，远低于防井喷器的使用要求；此外，此发明采用轧制成材工艺，生产规格小，无法满足防井喷器需要。

也有一些超高强度用钢，如中国专利号为CN99109551.0的材料，其化学成分(重量％)为：0.25～0.35％C，4.0～5.0％Ni，1.7～2.5％Si，0.2～1.2％Mn，0.5～1.5％Cr，0.02～0.80％Mo，0.01～0.04％Nb，S≤0.01％，P≤0.01％，O≤50ppm，N≤50ppm，余为Fe。该发明材料不仅具有较高的抗拉强度(1820MPa)和断裂韧性，而且还具有较低的屈强比，以及良好的动态力学性能，该发明仅提供材料，未提及热加工制造方法，并且Ni含量远高于《石油化工压力容器材料选用标准》中要求的“在湿H₂S应力腐蚀环境下，钢材的含镍量不大于1％”的要求，易发生H₂S应力腐蚀开裂(SSC)。

发明内容

本发明的目的是提供一种高性能的大型防井喷器用抗硫化氢应力腐蚀耐高压锻件及其制造方法，在屈服强度、抗拉强度、晶粒度、非金属夹杂物等指标上满足105MPa设计压力需要(屈服强度≥580Mpa，屈强比≤0.8，延伸率δ≥18％，断面收缩率ψ≥35％，-59℃冲击功AKV(J)≥27J，晶粒度≥6级，A、B、C、D粗、细夹杂物等级均≤2.0级)的同时，具备耐腐蚀的特点。

为实现上述目的，本发明首先提供一种抗硫化氢应力腐蚀耐高压锻件，其成分重量百分比为：C 0.26～0.30、Mn 0.80～1.00、Cr 0.80～1.00、Si 0.20～0.35、Ni 0.50～0.95、Mo 0.20～0.30、P≤0.012、S≤0.010、Cu≤0.20、H≤2ppm、O≤50ppm、N≤85ppm，其余为Fe和不可避免杂质。

其中，

C 0.26～0.30wt％