L80-13Cr 油井管的研制及耐腐蝕性能研究

宋江波，米永峰，姜海龍，姚曉樂，劉玉榮，郭智韜，張學(xué)穎

（內(nèi)蒙古包鋼鋼聯(lián)股份有限公司，內(nèi)蒙古 包頭 014010）

CO2腐蝕是油氣田的主要腐蝕類型之一，也是我國石油工業(yè)發(fā)展過程中一個(gè)非常突出的問題。在CO2濕潤的環(huán)境下，鋼的腐蝕速率非常大，添加Cr元素可改進(jìn)鋼的耐腐蝕性能，隨著Cr 含量的增加腐蝕速率降低。13Cr 高強(qiáng)度馬氏體不銹鋼管作為油井管已廣泛用于這種惡劣環(huán)境。L80-13Cr 鋼管與碳素鋼管相比，腐蝕速率大幅度降低，可不使用防腐劑。L80-13Cr 鋼管由于可以抗CO2腐蝕并能減少污染，其需求量正在迅速增加［1-2］。

L80-13Cr 是一種相當(dāng)于21Cr13 的馬氏體不銹鋼，一般使用在潮濕、含一定濃度的CO2及溫度小于150 ℃的環(huán)境中［3-4］。近幾年，隨著高腐蝕油井的不斷增加，不銹鋼無縫鋼管的需求量日益增加。從生產(chǎn)成本方面考慮，L80-13Cr 馬氏體不銹鋼油井管在腐蝕環(huán)境下，比在碳素鋼油井管上涂阻化劑進(jìn)行防腐的費(fèi)用低得多，因此L80-13Cr 馬氏體不銹鋼油井管有很好的發(fā)展前景。內(nèi)蒙古包鋼鋼聯(lián)股份有限公司鋼管公司（簡稱包鋼鋼管）經(jīng)過研究試制，成功生產(chǎn)出耐腐蝕性能良好的L80-13Cr 油井管。

1 化學(xué)成分及技術(shù)條件要求

L80-13Cr 鋼級套管的化學(xué)成分和性能要滿足API Spec 5CT—2018《套管和油管規(guī)范》要求，化學(xué)成分和力學(xué)性能要求見表1~2。API Spec 5CT—2018 標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定伸長率和沖擊功的值均與鋼管的規(guī)格和壁厚尺寸有關(guān)。

表1 L80-13Cr 鋼級套管化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）要求 %

表2 L80-13Cr 鋼級套管力學(xué)性能要求

2 軋制工藝研究

有研究顯示13Cr 合金鋼的變形抗力達(dá)到60 MPa，是軋制碳素鋼的1.5 倍［5］。因?yàn)橥ǔＷ冃慰沽κ请S著溫度的提高而降低的，所以都希望把管坯的加熱溫度提得更高些，以確保軋制過程的穩(wěn)定性。根據(jù)Fe-C-Cr 三元合金相圖，13Cr 合金鋼在1 280 ℃以上時(shí)，析出δ 鐵素體，產(chǎn)生晶界熔化引起變形抗力明顯降低，在軋制過程中容易產(chǎn)生內(nèi)表面缺陷，這種在高溫下形成的δ 鐵素體組織將嚴(yán)重影響馬氏體不銹鋼的沖擊性能和塑性。一旦基體中形成這種組織，后續(xù)無法通過熱處理的方式消除，使得材料報(bào)廢。而加熱溫度過低，又容易造成咬入困難或尾端軋卡的情況［6-9］。

2.1 軋制溫度設(shè)定

采用高溫塑性試驗(yàn)檢測材料在變形溫度范圍的變形能力，確定軋制溫度范圍。試驗(yàn)在MMS-200熱力模擬試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，每隔25 ℃取一個(gè)預(yù)定的變形溫度，在該溫度下保持2 min 進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，拉斷后空冷，鋼的高溫?zé)崴苄杂脭嗝媸湛s率評定。高溫拉伸試驗(yàn)結(jié)果如圖1 所示。

圖1 高溫拉伸試驗(yàn)結(jié)果

由試驗(yàn)結(jié)果看，13Cr 合金鋼的斷面收縮率均在60%以上，說明L80-13Cr 高溫變形性能較好，尤其在975～1 225 ℃溫度塑性較高，當(dāng)溫度超過1 275 ℃塑性降低較多，因此軋制溫度不宜過高?？紤]到圓坯穿孔后由于變形會(huì)造成坯料溫度升高，設(shè)定圓坯開軋溫度1 220 ℃。

包鋼鋼管采用環(huán)形加熱爐對管坯進(jìn)行加熱，坯料在爐內(nèi)三面加熱，熱效率高。由于鋼種為高合金鋼，低溫預(yù)熱區(qū)溫度不宜高，應(yīng)降低加熱速度，延長加熱時(shí)間避免產(chǎn)生裂紋，對流區(qū)爐溫降至750 ℃以下，預(yù)熱一區(qū)降至780 ℃以下，與碳鋼坯相比，低溫段采用較低的升溫速度，適當(dāng)增加保溫時(shí)間，保證管坯加熱均勻。

2.2 軋制工藝研究

據(jù)統(tǒng)計(jì)，軋制13Cr 合金無縫管時(shí)，鋼管的內(nèi)外表面缺陷較軋制碳素鋼時(shí)高出10 倍左右，這主要是因?yàn)楹辖痄摬灰鬃冃?，?nèi)外表面很容易產(chǎn)生缺陷。生產(chǎn)中，軋制工具壽命明顯縮短，而且軋制工具導(dǎo)盤和頂頭容易黏鋼、磨損，造成一部分內(nèi)外表面缺陷的產(chǎn)生，缺陷率很高，因此軋制時(shí)導(dǎo)盤需磨光后涂抹涂料、頂頭磨光后涂抹高溫玻璃粉，以減少缺陷的產(chǎn)生。

為降低軋制力，生產(chǎn)時(shí)增大穿孔機(jī)、連軋管機(jī)主機(jī)安全系數(shù)，降低穿孔機(jī)軋機(jī)轉(zhuǎn)速，減小咬入角，嚴(yán)格控制穿孔及軋制節(jié)奏，穿孔機(jī)咬入管坯溫度控制在1 100~1 120 ℃，軋制節(jié)奏控制在60 s 為宜，視軋制情況適當(dāng)放慢輥速，經(jīng)常檢查穿孔工具表面狀態(tài)是否正常，不符合要求時(shí)及時(shí)更換。工藝優(yōu)化后，軋制產(chǎn)生的內(nèi)外表面缺陷明顯降低［10-12］。

2.3 熱處理工藝研究

13Cr 是一種具有二次硬化效應(yīng)的高合金鋼，必須采用高溫回火來獲得高強(qiáng)度、高耐磨性。13Cr鋼的奧氏體化開始轉(zhuǎn)變溫度Ac1是820 ℃，轉(zhuǎn)變終了溫度Ac3是950 ℃。具體調(diào)質(zhì)工藝為：950～1 000℃淬火，650～750 ℃回火［13-15］。熱處理后力學(xué)性能檢驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 熱處理后力學(xué)性能檢驗(yàn)結(jié)果

從檢驗(yàn)結(jié)果看出，鋼種通過熱處理性能完全滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。熱處理后金相組織如圖2 所示。從金相檢驗(yàn)結(jié)果看回火組織為均勻的回火索氏體組織，從而得到良好的綜合機(jī)械性能，有較高的強(qiáng)度、良好的塑性和韌性。

圖2 熱處理后金相組織

2.4 材料特性研究

L80-13Cr 油井管主要用于溫度在150 ℃以下的環(huán)境，因此對50～200 ℃的高溫拉伸性能進(jìn)行了檢驗(yàn)，高溫拉伸性能檢驗(yàn)結(jié)果如圖3 所示。隨著溫度升高，材料屈服強(qiáng)度變化不大，在543~564 MPa；抗拉強(qiáng)度有小幅度的降低；200 ℃時(shí)屈服強(qiáng)度相對于室溫下降了5%，抗拉強(qiáng)度下降了13%。

圖3 高溫拉伸性能檢驗(yàn)結(jié)果

對材料的低溫沖擊韌性進(jìn)行了檢驗(yàn)，具體結(jié)果如圖4 所示，從低溫沖擊檢驗(yàn)結(jié)果看出此鋼種隨著溫度由0 ℃降低到-20 ℃時(shí)沖擊值變化不大，到-40 ℃時(shí)沖擊值降到0 ℃的一半左右，說明材料的低溫韌性良好。

圖4 低溫沖擊檢驗(yàn)結(jié)果

3 耐CO2 腐蝕研究

3.1 試驗(yàn)方案

L80-13Cr 油井管應(yīng)用于含CO2腐蝕介質(zhì)的油田工況。為了對L80-13Cr 油井管進(jìn)行抗CO2腐蝕性能檢測及評價(jià)，依據(jù)國內(nèi)塔里木油田井下實(shí)際腐蝕工況條件制定腐蝕試驗(yàn)方案。

3.2 腐蝕失重試驗(yàn)

在不同溫度、分壓、流速和相同Cl-濃度條件下對L80-13Cr、N80Q（鋼種為34Mn6）進(jìn)行評價(jià)，檢驗(yàn)兩個(gè)鋼種在相同環(huán)境下的腐蝕情況，具體試驗(yàn)條件見表4。每次試驗(yàn)結(jié)束后，測量計(jì)算材料的平均腐蝕速率和點(diǎn)蝕速率，模擬工況浸泡腐蝕試驗(yàn)后樣品照片如圖5 所示。

表4 L80-13Cr 腐蝕失重試驗(yàn)條件

圖5 模擬工況浸泡腐蝕試驗(yàn)后樣品照片

3.3 檢驗(yàn)結(jié)果

L80-13Cr 和N80Q 兩種材料在5 種不同工況下的均勻腐蝕速率檢驗(yàn)結(jié)果見表5，變化規(guī)律如圖6 所示。由圖6 可見，N80Q 材料在液相中腐蝕速率較高，氣相中腐蝕速率較低；L80-13Cr 材料在氣相和液相中的腐蝕速率均較低。腐蝕速率整體趨勢：N80Q 液相∧N80Q 氣相∧L80-13Cr 液相∧L80-13Cr 氣相。60 ℃時(shí)，當(dāng)CO2分壓從1.0 MPa 升高到1.5 MPa，兩種材料的腐蝕速率變化較??；100℃時(shí)，隨著CO2分壓升高，兩種材料腐蝕速率均呈增大趨勢。當(dāng)溫度從60 ℃升高到100 ℃，液相中，N80Q 材料腐蝕速率顯著下降，L80-13Cr 材料腐蝕速率也有所降低；氣相中，兩種材料腐蝕速率均有輕微增加。

表5 各試驗(yàn)條件下模擬工況腐蝕檢驗(yàn)結(jié)果

圖6 5 種不同工況下材料的腐蝕速率變化規(guī)律

依據(jù)NACE RP 0775—2005《油田生產(chǎn)中腐蝕掛片的準(zhǔn)備和安裝以及試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析》標(biāo)準(zhǔn)對腐蝕程度的分類可知，在5 種試驗(yàn)條件下，L80-13Cr 均發(fā)生輕微腐蝕；N80Q 在液相中發(fā)生極嚴(yán)重腐蝕，在氣相中發(fā)生中度腐蝕。

4 結(jié) 論

（1） 從室溫到200 ℃，L80-13Cr 油井管隨著溫度升高強(qiáng)度變化不大，200 ℃時(shí)屈服強(qiáng)度相對于室溫下降了5%，抗拉強(qiáng)度下降了13%；隨著溫度由0 ℃降低到-20 ℃時(shí)沖擊值變化不大，可以滿足一般工況使用要求。

（2） L80-13Cr 油井管在950～1 225 ℃溫度塑性較高，當(dāng)溫度超過1 275 ℃塑性降低較大，因此軋制溫度不宜過高。根據(jù)熱模擬試驗(yàn)結(jié)果，降低開軋溫度，且控制在1 240 ℃以下，軋制后無縫管表面質(zhì)量良好。

（3） 包鋼鋼管生產(chǎn)的L80-13Cr 油井管的熱處理性能指標(biāo)完全滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，且韌性較高。

（4） 依據(jù)國內(nèi)塔里木油田井下實(shí)際腐蝕工況條件進(jìn)行耐CO2腐蝕試驗(yàn)，L80-13Cr 材料在5 種試驗(yàn)條件下均發(fā)生輕微腐蝕，具有較好耐蝕性。