[发明专利]屈服强度高和硫化物应力抗裂性能高的低合金钢

说明书

本发明涉及屈服强度高的低合金钢，其具有出色的硫化物应力抗裂性能(sulphide stress cracking behaviour)。具体地，本发明适用于含有硫化氢(H₂S)的烃类井(hydrocarbon well)的管状产品，其。

烃类井经历着越来越高的压力、越来越高的温度并且使用越来越强的腐蚀性介质，特别是荷载硫化氢时更是如此，探索和开发这样的越来越深的烃类井意味着需要使用同时具有高屈服强度和高硫化物应力抗裂性的低合金管的需求越来越强烈。

硫化氢或H₂S的存在造成了在高屈服强度低合金钢的开裂的危险，这已知为SSC(硫化物应力开裂(sulphide stress cracking))，会影响套管(casing)和配管(tubing)、立管(risers)或钻管(drillpipe)以及相关产品。硫化氢也是一种剂量为数十ppm就对人有致命性危险的气体。硫化物应力抗裂性因此对于石油公司是重要的，因为其对于设备和人身安全都很重要。

最近数十年已经成功地研发出低合金钢，其具有高H₂S抗性并且最小规定屈服强度(specified yield strengths)越来越高：551MPa(80ksi)，620MPa(90ksi)，655MPa(95ksi)，最近为758MPa(110ksi)。

今天的烃类井实现了数千米的深度以及处理为标准水平的屈服强度的线重(weight of the strings)因此非常高。此外，烃类贮池中的压力会非常高，达到数百bar的量级，H₂S的存在，甚至在相当低的10至100ppm的量级，也引起了0.001至0.1bar量级的分压，这在pH低时足够导致SSC现象发生，如果管材不合适的话。此外，在这种线材(string)中特别欢迎使用结合了最小规定屈服强度(861MPa(125ksi))和好的硫化物应力抗裂性的低合金钢。

对此，我们寻求研发同时具有最小规定屈服强度861MPa(125ksi)和好的SSC性能的低合金钢。

尽管已经熟知低合金钢的SSC抗性在屈服强度增加时会减少，但是现有技术建议(专利申请EP-A-1 862 561)一种化学组成以及相关的热处理，能够得到满足目前油田要求的合金钢。

专利申请EP-1 862 561提出一种屈服强度高(861MPa或更高)和SSC抗性出色的低合金钢，其中公开了有利地与400-600℃温度范围内的等温贝氏体转变热处理相关的化学组成。

为了获得高屈服强度的低合金钢，已经熟知可以在较低温度(低于700℃)在Cr-Mo合金钢上进行淬火和回火热处理。然而，根据专利申请EP-1862561，低温回火容易产生高位错密度，并在晶界沉积粗M₂₃C₆碳化物，导致糟糕的SSC性能。因此，专利申请EP-1892561建议如下改善SSC性能：增加回火温度减少位错密度，通过将联合(Cr+Mo)含量限制在1.5％至3％的范围从而限制晶界处的粗碳化物沉积。然而，由于此时会因为回火温度高而存在钢的屈服强度降低的风险，所以专利申请EP-1862561建议增加C含量(0.3％和0.6％之间)并添加足量的Mo和V(分别为0.5％或更高和在0.05％至0.3％之间)从而沉积细小的MC碳化物。

然而，此时存在以下风险，即这种C含量的增加会导致伴随所施用的常规加热处理(水淬火+回火)的淬火开裂，因此专利申请EP-1862561建议一种在400-600℃温度范围的等温贝氏体转变热处理，这能够防止对高含碳量的并还混有马氏体-贝氏体组织的钢进行水淬火期间的开裂，高含碳量以及混有马氏体-贝氏体组织被认为在更温和的淬火情况如油淬中对SSC有害的。

得到的贝氏体组织(根据EP-1862561等价于通过常规淬火+回火热处理得到的马氏体组织)具有高的屈服强度(861MPa或更高，或125ksi)以及出色的SSC性能(使用NACE TM0177方法A和D(美国国际腐蚀工程师协会(National Association of Corrosion Engineers))测试)。

然而，工业上使用这种等温贝氏体转变要求对处理动力学进行非常严密的控制，从而不会引发其他转变(马氏体或珠光体转变)。此外，根据管的厚度，用于淬火的水量不同，这表示需要实施管对管监控冷却速率以获得单相的贝氏体组织。

本发明的目的是制备一种低合金钢组合物：

·其可以经热处理而产生861MPa(125ksi)或更高的屈服强度；