[发明专利]具有高屈服强度和高耐硫化物应力开裂性的低合金钢

说明书

技术领域

本发明涉及具有高屈服强度（limite d’élasticité）的低合金钢，其具有优异的耐硫化物应力开裂性。本发明尤其适用于包含硫化氢（H₂S）的烃井用的管状产品。

背景技术

随着在越来越高的压力下，在越来越高的温度下并且在越来越腐蚀性的介质（尤其是当其载有硫化氢时）中进行越来越深的烃井的勘探和开发，对于使用同时具有高屈服强度和高的耐硫化物所导致的应力开裂性的低合金钢管的需求在不断地增加。

这是因为，硫化氢H₂S的存在是造成具有高屈服强度的低合金钢的危险开裂形式的原因，所述开裂已知被称作硫化物应力开裂或SSC（Sulfide Stress Cracking），它可能既影响套管（casing）又影响油管（tubing），用于海底提升管的管子（riser）或者钻杆（drill pipe）以及相关的产品。硫化氢还是一种在剂量为数十份/百万（ppm）时对人致命的气体，并且强制性的是，它不能由于管道的开裂或破裂而溢出。耐SSC性因而对于石油公司来说是非常重要的，因为它对设备和人员的安全发挥着作用。

近数十年来因而已经看到了对于具有变得越来越高的最小规定屈服强度的耐H₂S性的低合金钢的持续开发：551MPa（80ksi），620MPa（90ksi），655MPa（95ksi），以及更近一些地，758MPa（110ksi）甚至862MPa（125ksi）。

目前，烃井的深度常常达到数千米并且满足标准屈服强度水平的套管柱的重量因而非常大。此外，烃储层的压力可能非常高，大约数百巴，并且H₂S的存在，即使是在大约10-100ppm的相对低水平下，会导致大约0.001-0.1巴的分压，这在低pH值时将足以引起（如果管的材料不适合的话）SSC现象。因而，兼具862MPa（125ksi）或者更好地965MPa（140ksi）的最小规定屈服强度和良好的耐SSC性的低合金钢的使用在这些套管柱中是特别受欢迎的。

这就是为什么要寻求获得以下这样的低合金钢的原因，所述低合金钢同时具有862MPa（125ksi）并且优选965MPa（140ksi）的最小规定屈服强度和良好的耐SSC性，而这是难以满足的，因为众所周知，低合金钢的耐SSC性在其屈服强度增加时会降低。

专利申请EP1862561通过公开有利地与在400-600°C的温度范围内的等温贝氏体转变热处理结合的化学组成，从而提出了一种具有高屈服强度（大于或等于862MPa）和优异的耐SSC性的低合金钢。

为了获得具有高屈服强度的低合金钢，众所周知的是在相对低的温度下（低于700°C）对Cr-Mo合金钢进行淬火和回火热处理。但是，根据专利申请EP1862561，在低温度下的回火有助于高的位错密度和在晶界处的粗M23C6碳化物的析出，导致差的耐SSC性。专利申请EP1892561因而提出为了改善耐SSC性而提高回火温度以用于降低位错密度并且通过将（Cr+Mo）的合计含量限制到1.5%－3%范围内的值而限制在晶界处的粗碳化物的析出。但是，由于由此会存在所述钢的屈服强度将由于高回火温度而下降的风险，因此专利申请EP1862561提出了提高与Mo和V的足够添加（分别为大于或等于0.5%以及0.05%-0.3%）相结合的C含量（0.3%-0.6%），以实现细MC碳化物的析出。

但是，由于C含量的这种提高在利用所应用的传统热处理（水淬+回火）时存在引起淬裂的风险，因此专利申请EP1862561提出在400-600°C的温度范围内的等温贝氏体转变热处理，这可避免一方面是在具有高碳含量的钢的水淬过程中的淬裂，以及另一方面的混合马氏体-贝氏体结构，而这种结构被认为在更温和的淬火如油淬的情况下对SSC是有害的。

所获得的贝氏体结构（根据专利申请EP1862561相当于通过传统淬火+回火热处理获得的马氏体结构）则具有高屈服强度（大于或等于862MPa或125ksi），并且结合了按照标准NACE TM0177，方法A和D（National Association of Corrosion Engineers（国家腐蚀工程师协会））测试的优异的耐SSC性。

但是，这种等温贝氏体转变的工业实施要求非常严格的处理动力控制，以使得不引起其它转变（马氏体或珠光体）。此外，用于淬火的水的量随着管的厚度而变化，这意味着管冷却速率必须要被监测以获得单相贝氏体结构。

发明内容

本发明所寻求的是实现以下这样的低合金钢组合物：