抗SSC性能优良的90ksi钢级油井管及其制造方法技术领域
本发明属于低合金钢制造技术领域，主要涉及一种90ksi强度级别的耐硫化
氢应力腐蚀性能优异的油井管及其制造方法。
背景技术
油井管的硫化氢腐蚀是困扰油田的一大问题，尤其硫化氢应力腐蚀问题是近
些年来国内、外许多油田面临的一大课题。尤其是近年来石油的大量开采迫使许
多国内外富含硫化氢的恶劣环境下的油田开始生产，如国内的长庆、四川油田，
国外的加拿大等油田，对油井管耐硫化氢应力腐蚀性能提出了更高的要求，其中
关键是要求油井管在不改变钢级的前提下，耐硫化氢应力腐蚀性能得以提升，这
是因为特定区域的油井使用的油井管的强度级别基本固定，提高钢级将带来使用
成本大幅提高以及应力腐蚀敏感性加剧等一系列风险和问题。从油井管材料的角
度看，普通API耐酸性油井管在这样的高浓度硫化氢井下环境中，容易产生硫
化物应力腐蚀裂纹(SSC)，以至油井管损坏，油井报废。其中以90ksi钢级的油
井管需求量增长最快，需要该钢级产品具有更高的耐硫化氢应力腐蚀性能以保障
使用的安全性，即采用NACE TM0177-2006方法的加载应力值由80％YSMIN提
高至95％YSMIN的情况下能通过720小时的耐硫化氢应力腐蚀试验。由于普通
的API 5CT C90耐酸性油井管已不能满足这些特殊油田的使用要求，因此，迫切
需要开发成本适宜且屈服强度高于621MPa(90ksi)并能通过95％YSMIN加载
应力抗SSC检验的耐硫化氢应力腐蚀油井管。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供的一种抗SSC性能优良的90ksi钢级油井管
及其制造方法。该产品在95％YSMIN的加载应力下能通过720小时的耐硫化氢应
力腐蚀试验，产品制造工艺采用转炉冶炼大生产，普及应用范围更广，硬度低、
抗冲击性能优异，满足当下及未来市场对该钢级耐硫化氢应力腐蚀油井管高耐
SSC性的特殊需求。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：
经大量的试验研究发现，油井管耐硫化氢应力腐蚀性能的高低与材料的电化
学活性关系密切，而材料的电化学活性又受某些化学元素的影响，其中C与某
些合金元素的交互作用对材料基体的电化学活性影响很大，从而影响材料的耐硫
化氢应力腐蚀性能，因此，对于高抗硫化氢应力腐蚀性能的90ksi油井管钢，C
的取值范围应根据合金元素的类别、添加量等因素而确定。本发明通过诸多合金
设计方案的比较，确定了低Mo复合添加V、Ti、稀土等微量元素，不含Ni、
W的新型90ksi耐硫化氢应力腐蚀油井管钢的成分设计，在保证产品的性能的前
提下具有较高的经济性。与公开号为CN1361306A的中国专利相比，本发明产
品具有更优异的耐硫化氢应力腐蚀性能，产品的应力门槛值提高62MPa，可满
足油田对90ksi钢级油井管的耐硫化氢应力腐蚀提出的新要求；与公开号为
CN1948538A的中国专利相比，由于本发明采用了集约化设计，重视合金元素间
综合作用的发挥，而不是单依靠多添加Mo、Ni等贵金属，故制造成本优势明显，
产品具有较强的市场竞争力，而且用转炉冶炼，易于实现大规模的产业化应用。
采用中C低Mn加Ti、Cr、RE、Nb、Cu、Mo、V合金化的合金设计，产品
的合金成本适中，易于实现工业化批量生产；采用热轧工艺制造的圆坯及钢管，
通过控制轧管温度及变形量，使钢的组织、晶粒和碳化物得到均匀化；成型后的
钢管进行热处理提升性能，钢管加热到950～970℃的温度范围，保温10～20min，
迅速进行冷速大于60℃/s的快速冷却，冷却至100℃以下，接着将钢管进行加热
至680～690℃保温60～120min，之后空冷至室温。
一种抗SSC性能优良的90ksi钢级油井管，其特征在于：成份按质量百分比
为：C 0.18％-0.22％、Mn 0.30％-0.45％、P≤0.015％、S≤0.003％、Mo 0.18％-0.2％、
Cr1.6％-1.8％、V0.04％-0.06％、Ti0.07％-0.09％、Cu0.05％-0.17％，还包括RE添
加量为100～300g/t钢，余量为Fe和不可避免的杂质，其中限定N＜0.005％、O
＜0.002％、H＜0.0001％，A、B、C、D各类粗系夹杂物分别低于1.0级。
各主要元素的作用及设计理由如下：
C：提高钢的淬透性，并与金属元素形成碳化物，以获得足够的强度，含量
太低需增加合金元素的量以弥补其强度贡献的减小，含量太高则不利于硬度的控
制，损伤耐硫化氢应力腐蚀性能，为达到本发明的目的，限定C含量范围为
0.18％-0.22％。
Mn：作用一方面起脱氧作用，另一方面起固溶强化作用，并提高钢的淬透
性，还有利于控轧控冷时晶粒尺寸的细化。但锰含量过高时会增加钢的偏析倾向，
且形成MnS夹杂物的倾向增加，对钢的耐硫化氢应力腐蚀性能不利，综合考虑，
发明限定Mn的含量范围0.30％-0.45％。
Cr：作用一方面在油井管表面形成致密的氧化物膜，阻止H的渗入，可提
高钢管的抗SSC性能，另一方面，提高淬透性，提高钢的强度。为达到本发明
的目的，需限定Cr的含量范围1.6％-1.8％。
V：形成C、N化物，具有细化晶粒、提高强度和韧性的作用，可以提高钢
的回火抗力，提高抗SSC性能，另外，V与Mo、Cr、C共同作用影响着钢的硬
度的取值。为达到本发明的目的，限定V的范围为0.04％～0.06％。
Mo：提高淬透性，提高钢的回火耐力，抑制回火脆性，细化晶粒和耐点蚀
作用明显，耐硫化氢应力腐蚀作用显著，但由于其资源有限，价格昂贵，本着集
约化设计的原则，限定Mo的范围为0.18％～0.20％。
Ti：作用主要是形成化合物限制加热及热加工过程中的晶粒长大，获得细小
的晶粒组织，改善耐硫化氢应力腐蚀性能和强度，而且，可形成不可逆H陷阱，
防止H在钢中聚集，对耐硫化氢应力腐蚀性能大为有利。但含量太高，增加冶
炼浇铸的难度，不利于工业化实施，且增加成本。为实现本发明的目的，限定
Ti的含量范围0.07％-0.09％。
Cu：作用一方面在油井管表面形成保护膜，阻止H的渗入，对钢管的抗SSC
性能有利，另一方面提高钢的淬透性，但含量过高会降低钢的热塑性，本发明限
定Cu的含量范围0.05％-0.17％。
RE：作用一方面改善MnS等夹杂物的形态，一方面抑制P、S等有害元素
在晶界的偏聚，净化钢的基体。因此，可提高钢的抗SSC性能，但加入过多则
产生负面影响，本发明限定RE的添加量为100～300g/t钢，且优先选用Ce。
P、S、O、N、H为钢中的杂质元素，含量越低耐硫化氢应力腐蚀性能越好，
但过低的要求必将增加产品的制造成本，故本发明限定P≤0.015％、S≤0.003％、
N＜0.005％、O＜0.002％、H＜0.0001％。
一种抗SSC性能优良的90ksi钢级油井管的制造方法，采用转炉冶炼+方坯
连铸+轧制成圆坯，圆坯通过热轧工艺制成无缝钢管，其特征在于：1)圆坯轧
制时采用铸坯冷装炉方式，一方面可避免表面裂纹的产生，改善坯料表面质量；
另一方面增加一次相变，细化组织，对耐SSC性能有利；加热温度1200～1240
℃，一方面溶解微合金碳化物，使之再析出得以细化，另一方面限制晶粒尺寸的
过度长大；终轧温度在900℃以上，使组织应力降低，为热处理做好组织准备；
2)轧制后对钢管热处理：950～970℃保温10～20min水冷至100℃以下
+680～690℃保温60～120min空冷。
其屈服强度为640～690MPa，抗拉强度715～770MPa，按NACE TM0177-2006
试验加载95％YSMIN的SSC检验720小时不开裂。
本发明有益效果：
1)不添加W、Ni，Mo含量较低，复合添加V、Ti、稀土、Cu等元素实施
集约的合金化设计，制造90ksi钢级高抗硫化氢应力腐蚀油井管，合金成本适中。
2)采用转炉冶炼+方坯连铸+圆坯轧制+制管+热处理的工艺路线，期间控制
终轧温度在900℃以上，大胆采用950～970℃这一较高的热处理奥氏体化温度范
围，为本产品获得优异的综合性能提供必要的组织保证。
3)产品的耐硫化氢应力腐蚀性能优异，抗SSC应力门槛值达到95％YSMIN
以上。
4)产品的硬度、抗冲击等力学性能优异，HRC：＜24HRC，0℃全尺寸冲
击功＞180J。
具体实施方式
下面通过一些实施例对本发明进一步说明。
下面举例说明本发明的实施，这些实施例仅是对本发明最佳实施方式的描
述，并不对本发明的范围有任何限制。表1为实施例钢的化学成分，其工艺流程
为冶炼连铸—圆坯制造—无缝制管—控制冷却—热处理。实施例的具体工艺制度
见表2，表3为实施例钢的力学性能。
表1实施例的化学成分(wt％)
类别
C
Mn
P
S
Cr
Mo
V
Cu
Ti
例1
0.19
0.32
0.010
0.0017
1.6
0.18
0.06
0.05
0.081
例2
0.19
0.39
0.009
0.0016
1.8
0.20
0.054
0.17
0.09
例3
0.21
0.42
0.010
0.0021
1.7
0.19
0.049
0.08
0.076
例4
0.18
0.45
0.013
0.0015
1.7
0.18
0.057
0.12
0.083
例5
0.22
0.37
0.012
0.002
1.8
0.19
0.042
0.15
0.072
例6
0.20
0.41
0.011
0.0027
1.6
0.20
0.055
0.11
0.085
注：1、RE添加量为100～300g/t钢；2、余量为Fe。
表2实施例的关键工艺制度
表3实施例钢管的抗SSC和强度、硬度