17%Cr無縫不銹油井用管UHP?-17CR

1　緒言

隨世界能源需求增加和石油、天燃?xì)獾拈_發(fā)增加，與以往相比，正向著更多嚴(yán)酷的腐蝕環(huán)境進(jìn)行挑戰(zhàn)，期待無縫油井管材可以適應(yīng)這樣的使用環(huán)境。

具體的說，能耐CO2腐蝕強(qiáng)材料含H2S的環(huán)境下耐SCC的高強(qiáng)度材料，已經(jīng)常用13%Cr馬氏體系鋼（API-13Cr）已不能適應(yīng)深井環(huán)境也增加。眼看著改良型不銹鋼（Mod-13Cr）也不能用。因此，又開發(fā)，并開始應(yīng)用15%Cr馬氏體不銹鋼管（UHP-15CR）。

但隨逐年腐蝕環(huán)境越來越嚴(yán)酷，即在高溫、高CO2分壓、高氯化物離子濃度的環(huán)境下，這些材料越來越不能充分適用。所以，多提出22%Cr以上的雙相不銹鋼、Ni基合金方案，這些材料用常用的無縫軋制技術(shù)曼內(nèi)斯曼穿孔法制作，困難多。另外，由于不含馬氏體，要想有110 ksi、125 ksi級強(qiáng)度，不能退火回火，則必須冷拉增加強(qiáng)度，這樣，材料的使用就受限制。

作為這樣的解決對策，開發(fā)比UHP-15CR能在更嚴(yán)酷環(huán)境使用的無縫油井鋼管，研討了能提高耐蝕性，不用冷拉的110 ksi、125 ksi級高強(qiáng)度化。隨著17%Cr為主要成分材料開發(fā)，成功實現(xiàn)了兼顧兩者的材料，下面介紹之。

2　開發(fā)的概念

需要采用比UHP-15CR更苛刻耐蝕環(huán)境下可以利用的鋼材，在具有該特性的同時，為了不采用冷拉工藝，能實現(xiàn)高強(qiáng)度化，制造了組織以馬氏體為主體的鋼材，具體開發(fā)目錄為下∶

(1)YS∶110 ksi級≥758 MPa；

(2)制造方法∶無冷拉能達(dá)YS；

(3)組織∶馬氏體組織為主體組織；

(4)在CO2腐蝕的使用臨界溫度＞200 ℃；

(5)耐SCC性∶pH4～4.5（H2S分壓0.01 MPa）無SCC。

本開發(fā)課題在UHP-15CR成分最佳化基礎(chǔ)上，實質(zhì)上并未采用以往在延長線的成分

設(shè)計的方法。以前采用的提高耐蝕性的手段是既要確保制造性，又要提高Cr當(dāng)量和Ni當(dāng)量，努力改善純化膜的歷史。這時在Cr當(dāng)量、Ni當(dāng)量增加時與SUS329J3L、J4L的雙相不銹鋼-樣，缺少淬火，回火工藝就不能實現(xiàn)無冷拉的目標(biāo)。因此，對UHP-15CR來說，在新開發(fā)材料UHP-17CR，把向右下的方向性就成為設(shè)計的主體，也就是為了提高鐵素體穩(wěn)定元素的Cr、Mo增量，在穩(wěn)定純化膜的同時，減少奧氏體穩(wěn)定元素Ni，使奧氏體組織不是主體組織。另外，對耐CO2腐蝕性及耐SCC性的降低，確立了用W和Cr補(bǔ)救的方案，即從以往的馬氏體單相組織，改變成馬氏體為主體，盡管如此，仍然把第2相的鐵素體和奧氏體組織為基礎(chǔ)，把合金元素量最佳化，成為0.03C-17Cr-4Ni-2Mo-1Cu-1W。

該成分的設(shè)計比以往更有利于熱加工性。以往的成分設(shè)計，由于同時增加了Cr當(dāng)量和Ni當(dāng)量，所以在無縫軋制時，熱加工性存在惡化傾向。特別由于有微量鐵素體的混入，在鐵素體上會發(fā)生應(yīng)力集中，必須抑制其成為裂紋的發(fā)源地。但是，在開發(fā)UHP-17CR時，改變了設(shè)計想法，把鐵素體調(diào)成含有15%～60%鐵素體組織，因此，在改善熱加工性同時，使起因于鐵素體微量混入的裂紋不再發(fā)生。

3　開發(fā)鋼管的諸特性

3.1　成分和機(jī)械性質(zhì)

基于在實驗室的成分設(shè)計，用曼內(nèi)斯曼工藝制造了無縫鋼管，不增加軋制負(fù)荷，也能抑制表面?zhèn)?，造管后，用QT工藝制造材質(zhì)。無冷拉得到了110 ksi、125 ksi級材料，可以確認(rèn)白色是鐵素體，黑色是馬氏體，但不能確認(rèn)是否有奧氏體組織。

本材料原是在200 ℃以上的高溫環(huán)境使用，所以連同25%Cr的雙相不銹鋼的結(jié)果，雙相不銹鋼在室溫200 ℃環(huán)境使用時，強(qiáng)度降低，約為100MPa，在200 ℃以上環(huán)境中使用，UHP-17CR有利。UHP-17CR雙相不銹鋼具有高的常溫強(qiáng)度是冷拉造成的。強(qiáng)度越高，應(yīng)變越釋放，可以說因為UHP-17CR是馬氏體為主的組織，所以強(qiáng)度降低很少。

在-60 ℃其值超過270 J，本開發(fā)材UHP-17CR無論高溫強(qiáng)度如何都有優(yōu)異的低溫韌性。

17%Cr無縫不銹油井用管UHP?-17CR

在20%NaCl水溶液中，用CO2分壓和溫度整理的CO2腐蝕圖，將以往的API-13Cr、Mod-13Cr、UHP-15CR-起與本開發(fā)鋼UHP-17CR鋼進(jìn)行了比較。另外，在油井管領(lǐng)域，將通常使用的≤0.127 mm/a 耐蝕性良好的作為判斷基準(zhǔn)，按這順序，提高耐CO2腐蝕性，在CO2分壓3 MPa作比較時，適用界限溫度為130、165、200、230 ℃，本開發(fā)鋼有優(yōu)異的高溫耐蝕性。

從比較20%NaCl水溶液，CO2分壓0.1 MPa，25 ℃時的孔蝕電位和耐孔蝕指數(shù)和Mod-13Cr，UHP-15CR與本開發(fā)鋼UHP-17CR的比較圖。按該順序，耐孔蝕指數(shù)增加，并且隨此孔蝕電位變成陽電位。

對耐SCC性，但隨逐年腐蝕環(huán)境越來越嚴(yán)酷，即在高溫、高CO2分壓、高氯化物離子濃度的環(huán)境下，是深海油田、氣田開發(fā)所期待的特性。在H2S分壓0.01 MPa下，其利用的范圍可到pH4.0范圍。

耐CO2腐蝕性，含耐SCC性，可以滿足作為目標(biāo)高耐蝕基準(zhǔn)。作為馬氏體為主的不銹鋼油井管材，顯示優(yōu)異的特性。Cr當(dāng)量和Ni當(dāng)量，所以在無縫軋制時，熱加工性存在惡化傾向。特別由于有微量鐵素體的混入，在鐵素體上會發(fā)生應(yīng)力集中，必須抑制其成為裂紋的發(fā)源地。但是，在開發(fā)UHP-17CR時，改變了設(shè)計想法，把鐵素體調(diào)成含有15%～60%鐵素體組織，因此，在改善熱加工性同時，使起因于鐵素體微量混入的裂紋不再發(fā)生。