[发明专利]一种提高铁镍基耐蚀合金油井管抗应力腐蚀性能的方法

说明书

一种提高铁镍基耐蚀合金油井管抗应力腐蚀性能的方法，包括步骤为：I.通过热挤压或热轧等热加工方式制备用于冷作硬化态铁镍基耐蚀合金油井管的坯料荒管；II.采用两道次或更多道次皮尔格冷轧方式制备冷作硬化态铁镍基耐蚀合金油井管；III.冷加工各道次之间进行固溶退火，消除管材的冷作硬化效应；IV.最终道次冷轧的变形率为56.5%或更大；V.最终道次冷轧的进给量为5毫米/次或更大，轧制频次为20次/分钟或更大；VI.最终道次冷轧后制备的油井管通过石棉被包盖或沙盖等方式缓冷至室温。本发明可以显著提高铁镍基耐蚀合金油井管在H₂S介质环境中的抗应力腐蚀开裂性能。

技术领域

本发明属于金属材料领域，具体涉及耐蚀合金加工领域。

背景技术

石油和天然气是重要的一次能源，在国民经济中扮演者重要角色。随着优质资源不断减少，世界范围内越来越多的含H₂S介质酸性油气资源需要开采。这些项目的井深最高可达6000米以上，井下温度接近200°C，H₂S和CO₂分压高，H₂S含量最高接近80%，同时还可能含有高浓度的Cl^-。随着井深增加，压力增大、温度升高，加上CO₂、H₂S、Cl^-等腐蚀性介质含量的增加，开采环境越来越苛刻，普通碳钢或不锈钢油井管由于不能承受介质的腐蚀而在极短的服役期内就发生腐蚀失效，需要选择有益合金元素含量更高的高耐蚀高强度合金材料。相对马氏体及双相不锈钢，铁镍基耐蚀合金有突出的耐蚀性能优势，可抵抗苛刻环境的腐蚀作用；相对镍基合金，铁镍基耐蚀合金中的贵重元素含量低且制备工艺要求相对宽松，具有显著的成本优势。目前世界范围内含硫油气工程的环境大都处于铁镍基耐蚀合金的适用范围，需求量很大。

然而，由于力学性能相对较低，单一奥氏体组织的铁镍基耐蚀合金油井管无法满足井下作业的环境要求。为此，一般需要对其进行冷加工，通过冷作硬化效应提高其强度级别，达到技术标准和设计规范要求。但是，酸性油气环境中的H₂S等腐蚀性介质与管材的高应力状态协同作用使之具有显著的应力腐蚀倾向，易导致应力腐蚀开裂失效，造成巨大的经济损失和安全隐患。这其中，油井管的高应力状态来源包括井深形成的重力效应、下井狗腿度形成的弯曲效应及管材冷作硬化形成的内应力效应等。其中前两者属于项目设计因素，而管材冷作硬化形成的内应力效应则属于材料自身因素。可以看出，对于冷作硬化型铁镍基合金而言，力学性能和耐应力腐蚀开裂性能是一对矛盾。

发明内容

为了克服现有铁镍基耐蚀合金油井管的上述不足，提高其耐应力腐蚀开裂性能，本申请提供一种提高铁镍基耐蚀合金油井管抗应力腐蚀性能的方法。

由于残余应力的存在，冷塑性变形的金属或合金易发生应力腐蚀开裂；由于储存能的存在，冷塑性变形的金属或合金体系自由能升高，在热力学上处于亚稳状态，具有向变形前的稳定状态转化的趋势。但在常温下，由于动力学条件限制，冷塑性变形的金属或合金的亚稳状态可维持相当长时间而不发生明显变化。如果温度升高，具有了合适的动力学条件，冷塑性变形的金属或合金就可以由亚稳状态向稳定态发生转变，并引起一系列的亚结构和性能变化。在特定温度下保温，可使冷作硬化态铁镍基耐蚀合金产生某些亚结构和物理性能的变化而不会使其光学显微组织发生改变，同时也不显著改变其宏观力学性能。金属和合金的电阻率与其中的点缺陷浓度密切相关，点缺陷造成的晶格畸变会使电子发生散射，从而提高电阻率。通过上述措施，冷作硬化态铁镍基耐蚀合金中由冷塑性变形导致的高浓度点缺陷大幅减少，可使电阻率显著下降。另外，由于空位浓度降低，合金密度也会有所提高。换言之，通过合金电阻率下降和密度的提高也可以验证其中点缺陷浓度的降低。点缺陷浓度降低意味着偏离平衡位置的高能量原子迁移到了能量较低的平衡位置，材料的残余应力得以消除或显著降低，冷塑性变形的金属或合金的抗应力腐蚀开裂倾向相应地得以消除或显著降低。