[发明专利]一种含氮奥氏体合金

说明书

技术领域

本发明涉及一种奥氏体合金，特别是涉及一种含氮奥氏体合金，其具有高强度和抗腐蚀性能，特别适合用于制造酸性深井用抗应力腐蚀开裂的油套管。

背景技术

随着能源需求的不断增加，可开采油气资源的不断减少，油气资源的开采不得不转向深井、超深井以及强腐蚀性井。这类油气井的特点就是高温、高压、高CO₂、H₂S分压以及高矿化度。为了满足这类油气井的开采开发需求，越来越多的超高合金油套管产品被开发出来，特别是铁-镍基合金以及镍基合金油套管。

美国专利US4400211、US4168188、US4840768及中国专利申请CN200580022104.1、CN200580022164.3等公开了几种对于深井用油套管适合的铁-镍基或者镍基合金。这些合金可以用于高温、高压、高CO₂、H₂S分压以及高矿化度油气井用油套管的生产，但其中Ni含量基本在30％以上，合金成本较高，造成油田开采成本过高。

通过在钢铁合金中添加氮，可以扩大合金的奥氏体区，如申请号为02132853.6的中国专利申请公开了一种超纯高氮奥氏体不锈钢及其制造方法，其成分为Cr：17～19％，Mn：12～16％，Mo：2～3％，Cu：0.5～1.5％，Ni：≤0.2％，N：0.4～0.6％，C：＜0.05％，Si：≤0.5％，S：≤0.009％，P：≤0.009％；又如申请号为98117555.4的中国专利申请公开了一种镍含量极低的奥氏体不锈钢，其成分为C：＜0.15，Si：0.1％＜Si＜1％，Mn：5％＜Mn＜9％，Ni：0.1％＜Ni＜2％，Cr：13％＜Cr＜19％，Cu：1％Cu＜4％，N：0.1％＜N＜0.4％，B：5×10^-4％＜B＜50×10^-4％，P：＜0.05％，S：＜0.01％，但这些专利文献中含氮的奥氏体合金通常是用作一般医疗器械或民用产品之中，这些加氮奥氏体不锈钢无法满足酸性油气田的耐腐蚀性要求。

因此，需要提供一种能够在酸性油气井的环境下使用，而且高强度、耐蚀性能良好的油套管，既满足上述性能要求，其合金成本又不会太高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于制造油套管产品的含氮奥氏体合金，该合金能满足高含硫化氢、二氧化碳及氯离子等酸性深井对高强度和耐腐蚀的油套管需求。

本发明涉及一种适用于高含硫化氢、二氧化碳及氯离子等酸性深井用的强度在95～125钢级，特别是110钢级的油套管用含氮奥氏体合金的化学成分。合金的化学成分设计如下：

C≤0.03％，P≤0.015％，S≤0.01％，Si≤0.5％，Mn：0.5～4.0％，Ni：25～27％，Cr：24～26％，Mo：3～4％，N：0.1～0.3％，Cu：0.1～1.5％，Al：0.1～0.3％，其余为Fe及不可避免的杂质。

本发明Fe基奥氏体合金的化学成分的选择理由如下：

C：尽管C具有扩大合金奥氏体区的作用，但C含量过高时，易形成以M23C6为主的碳化物在晶界析出，降低晶界铬含量，因此合金耐腐蚀性能明显下降，且合金的塑性和韧性降低。因此，设计C含量在0.03％以下，优选在0.02％以下。

P、S：均为伴生的杂质元素。P、S对合金的热加工性能、纯净度产生有害影响，为保证本合金的耐蚀性能，高纯钢的要求是必须的。因而，设计P的含量在0.015％以下，S的含量在0.01％以下。

Si：是有效的脱氧剂，但是过多的Si促进σ相和碳化物的形成，从而破坏合金的机械性能和耐腐蚀性。因此，设计Si的含量在0.5％以下。

Mn：也是有效的脱氧剂，而且具有脱S的作用。但是过多的Mn也会促进σ相和碳化物的形成，从而破坏合金的机械性能和耐腐蚀性。另外Mn含量超过4％以上，会降低合金的锻造性能，因此，设计Mn的含量在0.5～4.0％。

Ni：具有极好的奥氏体基体稳定化元素，在Ni稳定的奥氏体基体中可以溶解大量的Cr、Mo等具有耐腐蚀作用的元素，且Ni本身具有极佳的耐腐蚀作用，为了达到这种效果，Ni的含量要在25％以上。但是Ni的价格昂贵，因此合金中Ni的含量过高会导致合金成本大幅度上升。因而，控制Ni的含量在25～27％。

Cr：具有很好的抗局部腐蚀和均匀腐蚀能力，但是Cr的含量要在20％以上才能达到上述效果。但是Cr的含量过高，合金就有析出σ相的危险，且降低合金的热加工性能，因此，设计Cr的含量为24～26％。