[发明专利]一种抗硫化氢腐蚀用中低强度油套管及其制造方法

说明书

技术领域

本发明属于油井管及其生产方法，特别涉及一种屈服强度在379MPa～552MPa(55ksi～80ksi)的抗硫化氢腐蚀用中低强度油套管及其制造方法。

背景技术

碳钢或低合金钢暴露于含H₂S的环境介质中，因腐蚀而产生的氢侵入钢中，会引起氢致开裂(HIC)，在钢的表面可看到氢鼓泡(HB)，而在应力作用下还会发生硫化物应力腐蚀开裂(SSCC)，含硫油气田开发面临的主要问题就是H₂S腐蚀问题。在我国，含硫油气田主要分布在四川、华北和新疆，其中，尤其以川东地区最严重，由于氢致开裂和硫化物应力腐蚀开裂会引起油套管(油管和套管)早期失效甚至导致灾难性事故发生，因此开发生产抗H₂S的油套管自然成为研究的重要课题。

钢在H₂S介质中的腐蚀破坏现象40多年前就已被发现，各国学者为此进行了大量的研究工作。已普遍认为H₂S不仅对钢材具有很强的腐蚀性，而且H₂S本身还是一种很强的渗氢介质，H₂S腐蚀破裂是由氢引起的。含H₂S酸性油气田油套管腐蚀破坏类型主要有三种形式：均匀腐蚀或(和)点蚀、硫化物应力开裂(SSC)、氢诱发裂纹(HIC)和氢鼓泡(HB)。

导致钢基体开裂的过程至今也无一致的认识。但普遍认为，钢中氢的含量一般是很小的，有试验表明通常只有百万分之几。因此，萌生裂纹的部位必须是有足够富集氢的能量。实际工程上使用的油套管钢中都存在着缺陷，这些缺陷与氢的结合能强，可将氢捕捉陷住，使之难以扩散，便成为氢的富集区，通常把这些缺陷称为陷井。分子态的H₂S大量生成原子氢向这些陷阱积聚，富集在陷井的氢一旦结合成氢分子，积累的氢气压力很高，造成应力集中，于是促使钢脆化，局部区域发生塑性变形，并萌生裂纹最后导致开裂，此类断裂属于硫化物应力腐蚀开裂(SSCC)。SSCC属于低应力破裂，发生SSCC时的应力值通常远低于钢材的抗拉强度，其具有脆性机制特征的断口形貌。穿晶和沿晶破坏均可观察到，一般高强度钢多为沿晶破裂。

影响油套管抗硫化氢腐蚀材料因素主要有：材料的硬度、材料的显微组织和材料的化学成分。

油套管的硬度(强度)是油套管硫化氢应力腐蚀(SSC)现场失效的重要变量，是控制油套管发生硫化物应力腐蚀的重要指标。油套管硬度越高，开裂所需的时间越短，说明SSC敏感性越高。通过大量的试验发现强度对抗硫化氢应力腐蚀的影响，当屈服强度Rt≤700MPa时随Rt增加，抗硫化氢应力腐蚀门槛值σC增加，但是，当Rt>700MPa时抗硫化氢应力腐蚀门槛值σC急剧下降。实际表现为：当材料的屈服强度低于应力腐蚀门槛值时，不发生应力腐蚀；屈服强度高于应力腐蚀门槛值时，材料会在远低于材料屈服强度的条件下发生应力腐蚀开裂。因此，在NACE MRO175标准中，规定的所有抗SSC材料均有硬度要求。例如，要保证碳钢和低合金钢不发生SSC，就必须控制其硬度小于或等于HRC22。油套管的显微组织直接影响着钢材的抗SSC性能。对碳钢和低合金钢，当其强度相似时，不同显微组织对SSC敏感性由小到大的排列顺序为：铁素体中均匀分布的球状碳化物、完全淬火+回火组织、正火+回火组织、正火组织、贝氏体及马氏体组织。淬火后高温回火获得的均匀分布的细小球状碳化物组织是抗SSC最理想的组织，而贝氏体及马氏体组织对SSC最敏感，其他介于这两者间的组织，对SSC敏感性将随钢材的强度而变化。钢的化学成分对其抗SSC的影响一般认为在碳钢和低合金钢中，镍、锰、硫、磷为有害元素。

氢致开裂(HIC)是金属材料在含硫化氢介质的作用下，由电化学腐蚀过程中析出的氢进入金属材料内部产生阶梯型裂纹，这些裂纹的生长发育最终使金属材料开裂。大量的实践证明，当材料中存在带状组织时HIC敏感性增高。为避免带状组织产生就要要控制锰、磷含量。

发明内容

本发明的目的是提供一种抗硫化氢腐蚀用中低强度油套管及其制造方法。采用本发明的生产方法生产的油套管能够保证379Mpa～552Mpa屈服强度范围内在热轧态同时具有优良的抗硫化氢应力腐蚀和抗氢致开裂性能。