L80抗硫化氢腐蚀石油套管25CrMo钢的开发

戈文英

（山东钢铁股份有限公司莱芜分公司特钢事业部，山东莱芜271104）

L80抗硫化氢腐蚀石油套管25CrMo钢的开发

戈文英

（山东钢铁股份有限公司莱芜分公司特钢事业部，山东莱芜271104）

采用EAF-LF-VD-CC工艺纯净钢生产技术，在Cr-Mo钢的成分基础上添加Ni、Ti元素，设计开发了一种抗硫化氢腐蚀石油套管用25CrMo钢。统计分析结果表明：25CrMo钢的实物质量良好，具有纯∧净度高、有害元素含量少、晶粒细小、组织均匀、表面质量优良等优点；其抗硫化氢腐蚀性能优异，适用于PH2S100 kPa的腐蚀环境；制得L80抗硫化氢腐蚀石油套管的力学性能满足客户要求。

L80石油套管；25CrMo钢；冶炼工艺；抗硫化氢腐蚀；开发

在油气田开采过程中，钢铁材料的腐蚀一直是严重问题［1-3］。据统计，世界大约有1/3的油气田中含有硫化氢气体；而普通套管在用于含硫化氢的油气资源开采时，套管在使用应力和硫化氢气体的作用下，会发生硫化氢应力腐蚀（SSC），造成套管柱或整口井报废，甚至会造成井喷，难以满足复杂油气田开采要求［4］。因此，开采含硫化氢的油气资源时必须使用抗硫化氢腐蚀套管［5-8］，而其质量对油气田的产能、安全、寿命影响较大［9-10］。

采用某公司开发的25CrMo钢生产的L80石油套管适用于湿硫化氢环境，检验结果表明其具有优异的抗硫化氢腐蚀性能。现对该25CrMo钢的开发情况进行介绍。

1　化学成分设计和主要技术要求

1.1化学成分设计

石油套管用钢的设计要考虑化学成分、力学性能、冶金质量等。在H2S介质中的湿气作用下，钢材表面会发生以下化学反应：

H2S+Fe→FeS+H2↑

所以，会出现氢向钢中扩散渗透现象，使钢增氢而产生氢脆。因此，在含有H2S气体的油气田工作的钢要求具有抗H2S破坏的能力［8］。

抗硫化氢应力腐蚀性能涉及的冶金因素包括化学成分、组织结构和热处理等［11-13］。化学成分能显著改变钢的抗应力腐蚀破裂性能，对于调质型的抗H2S介质腐蚀用钢来说，w（C）一般控制在0.20%～0.30%；在传统Cr-Mo型调质钢化学成分的基础上添加V、Nb、Ti、Ni等元素可获得良好的高抗H2S腐蚀材料，所以某公司在开发25CrMo钢时设计了其化学成分（质量分数）及内控目标，具体要求见表1。冶金工艺上采用纯净钢技术控制S、P及As、Sn、Pb、Sb等有害元素含量，其含量要求见表2，以提高钢的抗H2S腐蚀性能；通过Ca处理降低夹杂物的危害［14-16］。

表1　25CrMo钢的化学成分（质量分数）及要求%

表2　25CrMo钢中微量有害元素含量（质量分数）协议要求%

1.2主要技术要求

管坯在制管过程中经热态穿孔、轧制等多道工序变形，经受各种复杂的应力，管坯表面和内部的缺陷会延伸、扩展、暴露，而且钢管出厂前要进行超声波和涡流联合探伤检验。因此，管坯必须具有良好的表面和内在质量。

25CrMo钢的化学成分应符合表1规定；钢中w（O）≤1.8×10-5，w（N）≤9.0×10-5，w（H）≤2.0×10-6；按GB/T 10561—2005《钢中非金属夹杂物含量的测定》标准A法检验非金属夹杂物，合格级别应符合表3的规定；按GB/T 6394—2002《金属平均晶粒度测定法》检验钢的奥氏体晶粒度，应≥5.0级。

表3　25CrMo钢中非金属夹杂物等级协议要求级

2　工艺设计和过程控制

2.1工艺流程

配料（热装铁水）→EAF电炉冶炼→LF炉精炼＋VD真空脱气处理→连铸（电磁搅拌）→入坑缓冷→轧制成材→入坑缓冷。

2.2工艺控制要点

2.2.1原材料要求

采用精料方针，确保铁水百分比50%～60%，选用优质废钢和含S、P较低的生铁。要求原辅材料全部烘烤，从而有效地减少钢中气体含量。

2.2.2冶炼工艺

电炉冶炼，加入炉料后，先采用中低氧吹氧造渣，冶炼前期杜绝高氧，控制炉渣的流动性，保证合适的脱磷条件，并充分利用熔化期温度较低的有利条件，提高初渣的氧化性，提高炉渣脱磷的能力，温度大于1 450℃时，保证炉门口自动流渣，及时放掉磷含量高的初渣。全过程造泡沫渣操作，保证良好的氧化沸腾，促进钢中夹杂物和气体的上浮，脱碳量大于0.30%；合理控制脱碳及升温速度，控制碳氧反应搅拌熔池，确保碳氧反应增加钢渣界面的脱磷效果，以利于进一步脱磷；严格控制终点［C］≥0.10%，［P］≤0.008%；准确控制出钢温度在1 620～1 640℃，避免出现高温回磷现象，出钢时留钢、留渣操作，严禁下氧化渣，为精炼创造好的钢水条件。

LF炉精炼完成脱氧、脱硫、去除夹杂物、成分和温度调整等多项精炼任务。电炉出钢时做好钢包预脱氧，降低溶解氧的质量分数至2×10-5以下，确保精炼位深脱硫条件；钢包到位后，在包中碳允许的条件下尽量使用增碳剂调渣，禁止加入大量碳化硅调渣降低炉渣碱度；保持炉渣合适流动性，白渣保持时间大于15 min；精炼炉确保一次样w（Al）≥0.03%，降低溶解氧含量，增强脱硫效果；LF炉精炼严格控制w（S）∧0.005%；钢中喂入Ca线进行夹杂物变性处理，对降低大颗粒夹杂物会产生积极影响。

钢水进行真空脱气，控制好精炼渣的流动性和真空温度，真空度小于67 Pa下保持12 min，VD真空脱气处理过程中合理控制氩气；破除真空后软吹氩时间不小于15 min，提高钢水纯净度。

2.2.3连铸工艺

连铸采用全程保护浇注，大包保护采用长水口，中间包采用浸入式水口、使用覆盖剂、选用性能优良的专用结晶器保护渣，防止钢水二次氧化；采用低过热度浇注，中包钢水过热度控制在20～30℃，防止柱状晶过快生长，以增加铸坯中的等轴晶，减轻中心疏松和偏析；在结晶器和凝固末端采用电磁搅拌；进拉矫机温度在860～900℃。

2.2.4轧制工艺

轧制时须保证钢坯加热均匀，均热段温度控制在1 200～1 250℃，允许温差≤30℃，根据坯型调整加热时间。轧后钢材温度大于700℃时入坑缓冷，保证出缓冷坑时温度小于200℃，以消除热应力和组织应力，改善钢材内部质量。

3　产品实物质量

3.1化学成分及钢中气体含量

检测100炉25CrMo钢的化学成分及其微量有害元素含量。25CrMo钢的化学成分检验结果见表4，微量有害元素检验结果见表5。分析可以看出：25CrMo钢的化学成分控制在内控标准范围内，波动范围较窄，有害元素含量低；钢中w（O）≤1.5× 10-5，w（N）≤8.4×10-5，w（H）≤1.5×10-6，钢质纯净度高。

表4　25CrMo钢的化学成分（质量分数）检验结果%

表5　25CrMo钢中微量有害元素（质量分数）检验结果%

3.2低倍组织

检验100炉25CrMo钢的低倍组织，发现：25CrMo钢中一般疏松0～0.5级，中心疏松0.5～1.5级，偏析0～0.5级；钢材的横截面酸浸低倍组织试片上未发现肉眼可见的缩孔、裂纹、气泡、夹杂、折叠、白点及有害夹杂物。25CrMo钢的低倍组织符合协议标准要求。

3.3非金属夹杂物

检验100炉25CrMo钢的非金属夹杂物，其结果见表6。分析发现：25CrMo钢中无大颗粒夹杂物，未发现C类夹杂物，钢中非金属夹杂物等级符合协议标准要求。

表6　25CrMo钢的非金属夹杂物检验结果级

3.4晶粒度

通常，提高材料的力学性能主要靠沉淀强化和细晶强化，为控制25CrMo钢的综合性能，需控制钢材晶粒度大小。25CrMo钢的晶粒度检验结果均为8级，满足协议标准要求。

3.5成品钢管质量

L80抗硫化氢石油套管的力学性能检验结果见表7，成品钢管强度和塑性指标满足API Spec 5CT—2011《套管和油管规范》标准要求，钢管探伤合格率达到99.97%；抗SSC性能依据NACE TM 0177—2005《H2S环境中金属抗硫化物应力开裂和应力腐蚀开裂的室内试验》评价，试样在名义最小屈服强度552 MPa的76%应力条件下，经H2S饱和溶液（A溶液）浸泡720 h，宏观观察发现试样均未发生断裂，试样标距部分用10倍放大镜检查均未发现微观裂纹。可以认为，试制的25CrMo钢的抗硫化氢腐蚀性能优异，达到设计要求。

表7　L80抗硫化氢石油套管的力学性能检验结果

4　结语

（1）采用EAF-LF-VD-CC工艺的纯净钢生产技术，在传统Cr-Mo钢的基础上，通过添加Ni、Ti元素，设计开发了一种抗硫化氢腐蚀石油套管用25CrMo钢。该25CrMo钢的实物质量良好，具有纯净度高、有害元素低、晶粒细小、组织均匀、表面质量优良等优点，产品质量完全符∧合标准要求；抗硫化氢腐蚀性能优异，适用于PH2S100 kPa腐蚀环境。

（2）研制的25CrMo钢用于轧制L80抗硫化氢腐蚀石油套管，加工的石油管力学性能和探伤质量稳定，可满足用户要求。

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Development of 25CrMo Steel for Making L80 Anti-H2S Corrosion Oil Casing

GE Wenying
（Specialty Steel Division，Laiwu Company，Shandong Iron and Steel Company，Ltd.，Laiwu 271104，China）

The 25CrMo steel for making the L80 anti-H2S corrosion oil casing is designed and developed by means of the EAF-LF-VD-CC clean steel-making technology，and adding Ni and Ti to the chemical composition of the Cr-Mo steel.Relevant statistical analysis shows that the 25CrMo steel has excellent physical quality，featuring high cleanness，low harmful element contents，fine grain and homogeneous microstructure and good surface quality，etc.The said steel als∧o possesses outstanding H2S-corrosion resistance，being suitable for service under operation environment with PH2S100 kPa.The L80 anti-H2S corrosion oil casing as made of the said steel is in possession of mechanical properties up to the customer specified requirements.

L80 oil casing；25CrMo steel；melting process；anti-H2S corrosion；development

TG335.5摇摇

B摇

1001-2311（2016）02-0050-04

戈文英（1972-），男，硕士，高级工程师，从事特殊钢新产品及工艺研发工作。

2015-11-05；修定日期：2016-01-11）