張玉海

（天津鋼鐵集團有限公司煉鋼廠,天津300301）

1 引言

套管、油管及鉆柱構(gòu)件（鉆桿、鉆鋌、方鉆桿等）統(tǒng)稱油井管。其中套管下入井中建成井眼，用以防止地層流體流動及地層擠毀井眼。套管的壽命直接決定了油井的壽命，油井的壽命又決定了油田的壽命。所以，油井管的安全可靠性、使用壽命和經(jīng)濟性對石油工業(yè)關(guān)系極其重大。

我國國內(nèi)的許多油田諸如四川、長慶、華北、新疆等的油氣層中都含有H2S。特別是四川油田，是世界上腐蝕最嚴(yán)重的油氣田之一，因此對套管的抗H2S腐蝕性能提出了更高的要求。而隨著鉆井深度的增加以及國家對地質(zhì)條件復(fù)雜和開采難度大的油田的開發(fā)，建井用套管所承受的外擠載荷和軸向載荷越來越高。同時有研究表明，套管被擠毀是油井報廢的最重要原因之一，因此國內(nèi)外市場對高強度高抗擠毀套管需求量也日益增加。即使是對于API標(biāo)準(zhǔn)中的產(chǎn)品，客戶對成品鋼管的抗硫性能和抗擠毀性能要求也較標(biāo)準(zhǔn)提高了許多。同時，為了更進一步拓寬天鋼的圓坯品種范圍，天津鋼鐵集團有限公司（以下簡稱天鋼）開發(fā)了80 ksi鋼級抗硫抗擠毀石油套管鋼27CrMo圓坯，實現(xiàn)了批量供貨，客戶反映良好。

2 前期的技術(shù)準(zhǔn)備工作

2.1 鋼在濕硫化氫腐蝕環(huán)境下的腐蝕開裂

濕硫化氫腐蝕環(huán)境，即H2S+H2O型的腐蝕環(huán)境，是指水或含水物流在露點以下與H2S共存時，在壓力容器與管道中產(chǎn)生的腐蝕環(huán)境。鋼材在濕硫化氫中的腐蝕為電化學(xué)腐蝕，主要腐蝕形式為：全面腐蝕和硫化物應(yīng)力腐蝕開裂。目前一般認(rèn)為濕硫化氫引起的開裂有氫鼓泡（HB）、氫致開裂（HIC）、硫化物應(yīng)力腐蝕開裂（SSCC）、應(yīng)力導(dǎo)向氫致開裂（SOHIC）等四種形式[1]。而硫化物應(yīng)力腐蝕開裂（SSCC）和氫致開裂（HIC）則是管道的主要失效形式。

2.2 套管的抗擠毀性能

通過API標(biāo)準(zhǔn)中給定的套管抗擠毀強度計算公式可以看出，影響套管抗擠毀強度的主要因素有材料的屈服強度、管體的殘余應(yīng)力、幾何公稱尺寸及其偏差。套管材料的屈服強度越高，則套管的抗擠毀強度越高；套管的不圓度越小，抗擠毀強度越高；壁厚不均度越小，抗擠毀強度也越高。而管體的殘余應(yīng)力越小，則管體的抗擠毀強度越高。API Bull 5C2標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定80ksi鋼級套管抗擠毀強度43 MPa。

2.3 鋼的化學(xué)成分及鑄坯質(zhì)量要求

通過對不同合金元素對鋼的性能影響分析，我們對最終成分進行了優(yōu)化，具體要求見表1。

表1 27 C r Mo鋼化學(xué)成分要求 /wt%

同時，為了保證鋼管的綜合性能，對鋼中5害元素和氣體含量提出了相應(yīng)要求，見表2。

表2 27 C r Mo鋼氣體及5害元素含量要求/wt%

對鑄坯橫截面酸浸低倍組織進行了如下規(guī)定：中心裂紋≤1.5級；中間裂紋≤1.5級；縮孔≤1.5級；中心疏松≤1.5級；皮下裂紋和皮下氣泡分別≤1.0級，不允許存在翻皮、白點等缺陷。同時對鑄坯的橢圓度、平直度、表面質(zhì)量等也作了相應(yīng)的規(guī)定。

3 生產(chǎn)試制情況

3.1 工藝路線的選擇

根據(jù)27CrMo鋼的特點并結(jié)合天鋼工藝裝備的實際情況，生產(chǎn)工藝路線設(shè)計如下：

鐵水預(yù)處理→頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐→LF鋼包精煉→VD真空脫氣→圓坯連鑄→翻轉(zhuǎn)冷床→鑄坯緩冷→鑄坯檢驗→入庫

3.2 關(guān)鍵控制點

在27CrMo圓坯生產(chǎn)過程中，我們的工序控制重點如下：鋼中的磷硫含量、鋼中的全氧含量、5害元素及氣體含量。

3.2.1 鋼中P的控制

煉鋼脫磷的熱力學(xué)條件是低溫、高堿度、高氧化性，這些條件除了轉(zhuǎn)爐冶煉工序外，在轉(zhuǎn)爐以后的各工序基本不具備脫磷條件，因此在轉(zhuǎn)爐環(huán)節(jié)必須做好脫磷工作。工藝要求轉(zhuǎn)爐終點[P]≤0.010%。

3.2.1.1 轉(zhuǎn)爐冶煉前期磷含量的控制

（1）嚴(yán)格控制入爐原料的質(zhì)量，降低入爐原料的磷總量。要求入爐鐵水[P]≤0.10%，同時嚴(yán)格控制廢鋼質(zhì)量，采用公司自產(chǎn)的優(yōu)質(zhì)廢鋼，不用外采的社會廢鋼。

（2）充分利用轉(zhuǎn)爐冶煉前期熔池溫度較低的優(yōu)勢，合理控制供氧強度，提高底吹惰性氣體的攪拌強度，做到早化渣、化好渣，盡快形成具有一定堿度和較高FeO含量的流動性良好的初期渣，實現(xiàn)前期的強化脫磷。工藝要求前期爐渣堿度控制在2.0左右，TFe含量21%～24%，溫度在 1370～1420℃，倒前期渣時間在吹煉300 s左右。

3.2.1.2 冶煉中后期的脫P

實現(xiàn)前期的強化脫磷后，倒出大部分的前期渣，然后重新造渣，繼續(xù)冶煉。中期終點控制脫碳速度，防止?fàn)t渣的返干和熔池升溫過快，進一步實現(xiàn)鋼液的脫磷。后期則防止熔池溫度過高，保證終渣的脫磷效果，同時防止鋼水的過氧化。綜合考慮，工藝要求轉(zhuǎn)爐終渣堿度3.0左右，終點溫度1650～1680℃。

3.2.1.3 轉(zhuǎn)爐出鋼擋渣操作

出鋼過程采用擋渣塞和擋渣錐聯(lián)合擋渣技術(shù)，嚴(yán)格控制鋼包內(nèi)下渣厚度，有效減少鋼液的回磷。

3.2.2 鋼中硫的控制

3.2.2.1 鐵水預(yù)處理脫硫

為了降低入爐鐵水的S含量，采用單噴顆粒Mg工藝對入爐鐵水進行脫硫處理，保證入爐鐵水中S≤0.010%。脫硫結(jié)束扒除脫硫渣，要求扒渣量＞70%。

3.2.2.2 轉(zhuǎn)爐后爐渣改質(zhì)

出鋼中后期向鋼包內(nèi)加入爐渣改質(zhì)劑，進行鋼包頂渣改質(zhì)，部分實現(xiàn)爐渣的預(yù)還原，為LF精煉操作創(chuàng)造有利條件。

3.2.2.3 LF工序深脫硫

脫硫的熱力學(xué)條件是高堿度、高溫和低氧化性，因此LF精煉過程采用高堿度白渣精煉工藝，要求終渣堿度≥3.0，渣中FeO+MnO≤1.0%。同時進行全程底吹氬氣攪拌。工藝要求成品鋼中S≤0.008%。

3.2.2.4 MnS的變性處理

長條狀MnS夾雜是鋼的HIC的發(fā)生地，因此對于抗硫鋼需進行Ca處理。通過Ca處理，把鋼中長條狀的MnS夾雜變成球形的CaS夾雜或含CaS的復(fù)合夾雜，來消除MnS夾雜對于鋼的抗HIC和SSCC性能的不利影響。

3.2.3 鋼中總氧和氣體含量的控制

3.2.3.1 鋼中總氧的控制

通常采用鋼中總氧T[O]含量來衡量鋼中[O]含量的高低，T[O]=[O]溶+[O]夾雜。鋼中 T[O]含量越低，則鋼就越“干凈”，鋼的綜合性能越好。

（1）轉(zhuǎn)爐工序

在轉(zhuǎn)爐工序，主要是控制終點鋼水中溶解氧[O]溶，轉(zhuǎn)爐的操作及控制水平與終點鋼水[O]溶含量的高低有直接關(guān)系。特別是終點碳含量、終點溫度以及出鋼過程的擋渣效果、脫氧合金化等。有研究表明[2]，隨著轉(zhuǎn)爐終點碳含量的增加，鋼水中溶解氧含量下降。當(dāng)轉(zhuǎn)爐終點C≤0.05%時，鋼中溶解氧含量高于500×10-6，且隨著鋼中碳含量的降低，鋼中的溶解氧含量急劇增加，鋼水處于過氧化狀態(tài)。而當(dāng)轉(zhuǎn)爐終點C≥0.10%以后，則鋼中溶解氧含量低于300×10-6，且溶解氧隨碳含量的增加而減少的幅度也比較小。因此結(jié)合鋼種的碳含量，工藝要求27CrMo鋼轉(zhuǎn)爐終點C≥0.08%，嚴(yán)禁終點過吹。

爐后采用鋼芯鋁脫氧，保證鋼水進LF時鋼中[O]溶＜10×10-6。

（2）精煉工序

LF精煉工序控氧的重點是夾雜物中氧[O]夾雜的去除。LF精煉工序采用擴散脫氧工藝，降低爐渣的氧位，減少爐渣向鋼液的傳氧。同時調(diào)整爐渣的成分，采用高堿度白渣工藝，利用爐渣吸附鋼液中的脫氧產(chǎn)物，并把它們固定在爐渣中，從而降低鋼中的全氧含量。在精煉工序全程進行底吹氬氣攪拌，進一步促進鋼液中夾雜物的去除。

（3）連鑄工序

連鑄鋼包→中間包→結(jié)晶器，施行全程保護澆注，防止鋼水的二次氧化。采用堿性中包覆蓋劑和堿性結(jié)晶器保護渣，促進對脫氧產(chǎn)物的吸附。通過結(jié)晶器電磁攪拌，促進鋼中夾雜物的上浮去除。

3.2.3.2 鋼中氣體的控制

首先加強鋼包的周轉(zhuǎn)管理和烘烤，做到紅包出鋼。保證爐后合金和入爐粉料的干燥。在LF精煉過程中做好埋弧操作，減少鋼液的吸氣。最后對鋼水進行VD真空脫氣處理，保證[H]＜2×10-6。鑄坯下冷床后，施行堆垛緩冷。

3.2.4 五害殘余元素的控制

對于 Pb、Sn、As、Sb 和 Bi等殘余元素，由于它們的特性，在煉鋼過程中屬于完全殘留元素，無法去除，只能從入爐原料環(huán)節(jié)加以控制，減少它們的入爐總量。在注意鐵水中有害殘余元素含量的同時，入爐廢鋼則全部使用自產(chǎn)的優(yōu)質(zhì)廢鋼，不用外采的社會廢鋼。

4 27 C r Mo連鑄圓坯生產(chǎn)情況

經(jīng)過批量試制，圓坯實物質(zhì)量達到設(shè)計要求，化學(xué)成分控制比較理想，低倍組織良好，夾雜物及氣體含量較低。

4.1 成品成分及有害元素控制情況

鋼水的熔煉成分、5害元素及氣體控制情況見表 3、表 4。

表3 27 C r Mo成品成分控制情況 /wt%

表4 27 C r Mo鋼實物中五害元素及氣體含量/wt/%

表3、表4數(shù)據(jù)表明，鋼包精煉過程中鋼的化學(xué)成分波動范圍控制較好。P、S含量較低，分別為0.010%和0.004%，達到較高水平；鋼中五害元素含量低，平均為0.0072%；鋼中的H含量和TO含量分別達到0.00016%和0.00186%，鋼的潔凈度較高，為保證鋼綜合性能的穩(wěn)定和提高鋼的抗SSCC性能奠定了基礎(chǔ)。

4.2 鑄坯實物質(zhì)量

鑄坯的實物檢驗情況見表5。除有0.5級中心偏析缺陷外，其它缺陷均未出現(xiàn)，鑄坯實物質(zhì)量良好。

表5 27 C r Mo連鑄圓坯低倍組織檢驗情況

5 無縫鋼管實物質(zhì)量

天鋼生產(chǎn)的27CrMo圓坯相繼發(fā)往某無縫鋼管生產(chǎn)廠家，生產(chǎn)80 ksi鋼級抗硫抗擠毀套管及接箍件，其實物分別經(jīng)相關(guān)單位和該廠自己質(zhì)量部門進行了檢測。

5.1 無縫鋼管實物抗SSCC性能檢測

成品無縫鋼管樣品由鋼管生產(chǎn)廠家送合肥某特種設(shè)備檢驗站進行抗SSC性能檢驗，檢驗情況如下。

5.1.1 試驗方法及條件

SSCC試驗根據(jù)NACE TM 0177-2005標(biāo)準(zhǔn)進行。試驗中采用工作段直徑為6.35 mm的拉伸試樣進行H2S水溶液應(yīng)力腐蝕試驗。周期720 h，應(yīng)力加載85%YSmin（YSmin=552 MPa）。

試驗溫度為室溫，試驗壓力為常壓。試驗溶液為A溶液，即H2S飽和的5%NaCl+0.5%CH3COOH蒸餾水混合溶液，pH=2.8。通入H2S氣體之前，用氮氣去氧。試驗期間溶液的pH不超過4.0。

5.1.2 SSCC試驗結(jié)果及分析

鋼管樣品由合肥某特種設(shè)備檢驗站進行了SSCC性能檢驗，檢驗結(jié)果及試樣情況見表6、表7。

表6 套管試件（原樣號T D01）的S S C C結(jié)果

表7 接箍試件（原樣號T D02）的S S C C結(jié)果

從表6、表7的數(shù)據(jù)可以看出，利用天鋼的27CrMo圓坯生產(chǎn)的80 ksi鋼級石油套管和接箍件抗SSC性能完全滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

5.2 鋼管的抗擠毀性能檢驗

鋼管實物外形尺寸控制情況及抗擠毀試驗情況見表8。

5.3 鋼管實物力學(xué)性能常規(guī)檢驗及金相檢驗

鋼管實物力學(xué)性能常規(guī)檢驗及金相檢驗結(jié)果見表9。

表8 鋼管實物外形尺寸及壓潰試驗情況

從以上實物質(zhì)量檢驗情況可以看出，利用天鋼供應(yīng)的27CrMo圓坯生產(chǎn)的80 ksi鋼級抗硫抗擠毀油井管和接箍件，在抗SSC檢驗中，送檢試樣全部合格，鋼管實物的抗SSC性能良好。抗擠毀強度則超出API標(biāo)準(zhǔn)值的30%～47%。同時鋼管的力學(xué)性能檢驗結(jié)果完全符合標(biāo)準(zhǔn)的要求，且指標(biāo)穩(wěn)定。

6 結(jié)論

天鋼開發(fā)的以“鐵水預(yù)處理→頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐→LF鋼包精煉→VD真空脫氣→圓坯連鑄→翻轉(zhuǎn)冷床→鑄坯緩冷→鑄坯檢驗→入庫”工藝生產(chǎn)80 ksi鋼級抗硫抗擠毀石油套管鋼圓坯的工藝路線是可行的。使用天鋼的27CrMo圓坯生產(chǎn)的80 ksi鋼級抗硫抗擠毀石油套管及接箍實物，經(jīng)相關(guān)部門檢測，鋼管的抗SSC和抗擠毀性能良好，完全滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求。天鋼生產(chǎn)的80 ksi鋼級抗硫抗擠毀石油套管鋼27CrMo圓坯化學(xué)成分穩(wěn)定，五害殘余元素含量低，鑄坯質(zhì)量良好。

[1]柳曾典，濕硫化氫環(huán)境用低合金高強鋼[J].石油化工設(shè)備技術(shù)，1998，19（5）：57.

[2]姚同路． 天鋼轉(zhuǎn)爐流程生產(chǎn)石油套管鋼精煉工藝控制技術(shù)研究[D]．北京：北京鋼鐵研究總院，2009：29-30，67-69.