CN104419868A - 一种p110外加厚油井管及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种P110外加厚油井管及其制造方法，C0.22%-0.32%、Si0.15%-0.45%、Mn1.00%-1.50%、P≤0.03%、S≤0.03%，余量为Fe和不可避免的杂质。采用转炉冶炼-炉外精炼-方坯连铸-圆坯轧制-环形炉加热圆坯-菌式穿孔机穿管-连续轧管机轧管-管端墩粗外加厚-电感应调质热处理。采用低成本的C-Mn钢为圆坯原料，不添加贵金属，合金成本低；钢管加热时间短，效率高，节能降耗，缩短制造周期。
Description
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P110钢级外加厚油井管及其制造方法。
背景技术
在无缝管的品种中，油井是最大的专用管材，约占我国无缝管消费量的1/4（全球约占1/3），其生产技术水平基本上代表了无缝管的总体水平。随着全球石油的不断开采，钻井深度逐渐加深，对与之相匹配的油井管管材提出了更高的强度要求，早先，油田主要使用抗拉强度414MPa以下的H40油井管，到10几年前，油田普遍使用屈服强度552MPa以下的J55油井管，到现在屈服强度552MPa以上的N80油井管已被大量使用，并逐步取代J55、H40产品，P110油井管是比N80油井管强度级别高一个钢级层次的管材产品，目前已在一些较深的油井中应用。
目前，P110油井用无缝钢管一般需对热轧后钢管实施离线的热处理，来达到需要的强度要求，即屈服强度758～965MPa、抗拉强度862MPa以上，同时，还需满足延伸率、夏比冲击功的要求，但现有技术中普遍采用的离线的步进炉式调质热处理工艺，固然可以得到满意的力学性能结果，但其不足之处是需要较长的加热保温时间，增加能源消耗，生产周期较长，成本较高，在当下及未来长时期内的钢铁供大于求的大背景下，产品利润率较低，缺乏竞争优势。而且，现在及未来很长一段时期内，钢铁产能过剩的局面难有改观，降本增效、采用低成本新工艺成为钢铁企业争相探索的出路。而外加厚油井管也出现J55、N80钢级不能满足所有需求的现状，市场急需提供P110钢级的外加厚油井管产品。
由于P110油井管的强度级别较高，采用一般的热轧方式制管很难达到要求。因此，本发明专利探索出一种采用在线电感应加热的方式，实现快速加热与快速冷却相结合，该热处理方式可有效解决钢管端部墩粗加厚后正火工艺的缺点和不足，具备性能均匀一致性好、制造效率高、合金成本低的优点，制造出力学性能满足P110要求的无缝钢管，大大降低了钢管加热时间、缩短制造周期，达到降低制造成本的效果，在现在及未来很长一段时期内钢铁产能过剩局面难以改观的背景下，具有很强的现实意义。
通过检索国内外专利，查到与本发明内容相关的专利5件，公开号为CN200810032583.0的中国专利、公开号为CN201110421067.9的中国专利、公开号为CN200910018524.2的中国专利、公开号为CN200810152866.9的中国专利、公开号为CN200710025383.8的中国专利。上述CN200810032583.0、CN201110421067.9、CN200910018524.2三份专利的不足之处在于其发明产品存在焊缝，增加使用中失效的风险。CN200810152866.9专利的产品配方中含有贵金属Cr，增加了合金成本，经济性稍差，不足之处还在于没有给出钢管的制造工艺和热处理工艺。CN200710025383.8专利的产品配方中含有Mo、Cr等贵金属，增加合金成本，不具有经济性，产品热处理的加热时间长，耗能较高、制造周期较长也是其不足之处。本发明的一种油井用P110无缝钢管及其制造方法的主要特点是在低的合金成本和制造成本下达到了钢管力学性能满足P110油井管的要求，而且，坯材和钢管的制造工艺易于控制，制造效率较高，兼具低成本和高效率的优势，产品具有较强的市场竞争力。对比专利如下。
1）公开号为CN200810032583.0的中国专利，一种采用热轧板卷经过ERW焊接而成的P110钢管。该发明的不足有二：一是由于采用ERW焊接工艺生产，P、S含量要求严格控制，要求分别不高于0.01%、0.008%，远高于API标准对P110油井管P、S含量不高于0.03%的要求，增加了制造成本；二是使用风险的增加。在当今及未来恶劣而复杂的油井管使用环境中，钢管要承受拉、压、弯、扭的综合作用，尤其是用于深井使用的P110高钢级油井管更是要求钢管性能、质量的均匀性，焊接钢管的焊缝无疑是潜在的致命缺陷，一旦出现事故，对油井来说将是毁灭性灾难。
2）公开号为CN201110421067.9的中国专利，一种P110钢级的直缝焊接钢管，成分（wt%）：C0.25%-0.30%、Si0.20%-0.28%、Mn1.10%-1.50%、Cr0.15%-0.35%、P≤0.018%、S≤0.002%。该发明的不足有三：一是合金配方中含有贵金属Cr，增加合金成本；二是P、S含量要求严格，远高于API标准对P110油井管P、S含量不高于0.03%的要求，增加了制造成本；三是使用风险的增加，同上。
3）公开号为CN200910018524.2的中国专利，一种P110钢级的直缝焊接钢管，成分（wt%）：C0.10%-0.28%、Si0.12%-0.25%、Mn1.1%-1.6%、P0.03%-0.14%、S0.002%-0.03%、Cr0.2%-0.7%、Nb0.07%-0.17%、V0.05%-0.15%、Ti0.10%-0.22%。该发明的不足有三：一是合金配方中含有贵金属Cr、V、Nb、Ti，增加合金成本；二是P含量较高，影响焊接质量；三是使用风险的增加，同上。
4）公开号为CN200810152866.9的中国专利，一种P110钢级石油套管的圆坯，成分（wt%）：C0.28%-0.34%、Si0.20%-0.35%、Mn1.40%-1.80%、P≤0.025%、S≤0.025%、Cr0.25%-0.34%、Al0.01%-0.03%。该发明的不足有二：一是合金配方中含有贵金属Cr，增加合金成本；二是未能给出钢管的制造方法。
5）公开号为CN200710025383.8的中国专利，一种小口径高钢级油管的热处理方法，成分（wt%）：C0.15%-0.50%、Mn0.25%-1.90%、P＜0.03%、S＜0.03%、Cr0.4%-14%、Mo0.25%-1.10%、Ni＜0.99、Cu＜0.35、Si＜1.0。该发明的不足有二：一是合金配方中含有Cr、Mo、Ni等贵金属，增加合金成本；二是钢管的加热时间长，增加能耗。
发明内容
鉴于上述技术的不足，本发明所要解决的技术问题是提供一种P110外加厚油井管及其制造方法，以满足当下及未来市场对P110钢级外加厚油井管这一特殊需求，其主要特点是采用低成本的C-Mn钢为圆坯原料，不添加贵金属，合金成本低；钢管加热时间短，效率高，节能降耗，缩短制造周期。
一种P110外加厚油井管，化学成分按重量百分比计，C0.22%-0.32%、Si0.15%-0.45%、Mn1.00%-1.50%、P≤0.03%、S≤0.03%，余量为Fe和不可避免的杂质。
更优选的合金成分范围如下，C0.24%-0.28%、Si0.15%-0.30%、Mn1.20%-1.40%、P≤0.02%、S≤0.015%。，余量为Fe和不可避免的杂质。
各主要元素的作用及设计理由如下：
C：碳作为低合金钢的主要强化元素，一般为钢中必有元素，其有益作用是可明显提高钢的强度，其不利影响是随其含量的增加会损害钢的韧性和可焊接性，增大水淬裂纹敏感性。由于碳与其他强化元素相比，有最好的经济性，因此，本发明为充分利用碳的有益作用、尽量规避其有害影响，限定碳的含量范围为0.22%-0.32%，优选范围为0.24%-0.28%。
Si：硅在低合金钢中，既是良好的脱氧剂，又能固溶于铁素体起强化作用，提高钢的基础强度，但含量太高将会降低钢的塑性和韧性，并增加热处理钢的氧化烧损倾向，同时，硅也具有较好的经济性，故本发明的硅含量控制在0.15%-0.45%，优选范围为0.15%-0.30%。
Mn：锰在低合金钢中，一方面起到脱氧作用，另一方面还能起固溶强化作用，同时，锰还有扩大钢的A相区，增加过冷奥氏体稳定性，提高钢的淬透性。锰添加到碳钢中能有效细化钢的晶粒尺寸，一定含量范围内，既能提高钢的强度又可改善钢的韧性，锰可以弥补由于碳含量的降低而引起的强度损失，具有较好的经济性。但锰含量过高时会增加钢的偏析倾向，故本发明限定锰的含量范围1.00%-1.50%，优选范围为0.15%-0.30%。
P、S为钢中的杂质元素，含量越低越好，但过低的要求必将增加产品的制造成本，故本发明限定P≤0.03%、S≤0.03%，优选范围为P≤0.02%、S≤0.015%。
对以上设计的合金成分的钢材采用转炉冶炼-炉外精炼-方坯连铸-圆坯轧制-环形炉加热圆坯-菌式穿孔机穿管-连续轧管机轧管-管端墩粗外加厚-电感应调质热处理，钢管连续轧制后的温度控制在1000℃以上；墩粗加厚温度1100～1200℃，墩粗加厚管端后钢管进行一次γ—F+P相变；采用电感应方式实施调质处理，电感应加热至900～1000℃后直接水淬，钢管水淬后温度100℃以下，再电感应加热至500～600℃后直接空冷。
经过以上合金成分和制造工艺得到的P110高强度外加厚油井管，其屈服强度为790～960MPa，抗拉强度900～1090MPa，延伸率16～25%，0℃夏比冲击功Akv最低值＞30J。
本发明本着避免造成的连铸坯质量控制难度加大、降低钢管质量和成材率以及合金成本考量，不添加Cr、Mo、Ni等贵金属来制造P110外加厚油井管；采用连轧管工艺制造的钢管热送墩粗外加厚，制造工艺紧凑，生产成本低；采用电感应加热的调质工艺实施热处理，节能降耗，缩短制造周期，避免目前加厚油井管普遍采用的墩粗+正火工艺易产生强度软化区的问题；避免焊接钢管由于存在焊缝等焊接缺陷而导致的井下失效风险。
具体实施方式
下面结合对本发明作进一步说明，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，其工艺流程为转炉冶炼—炉外精炼—方坯连铸—圆坯轧制—环形炉加热—菌式穿孔机穿管—连轧管机轧管—定径成型—在线墩粗外加厚—在线电感应调质热处理。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 | Si | Mn | P | S | Fe |
| 例1 | 0.26 | 0.30 | 1.36 | 0.01 | 0.009 | 余量 |
| 例2 | 0.25 | 0.32 | 1.41 | 0.012 | 0.0084 | 余量 |
| 例3 | 0.27 | 0.23 | 1.38 | 0.096 | 0.0077 | 余量 |
| 例4 | 0.29 | 0.19 | 1.25 | 0.013 | 0.010 | 余量 |
| 例5 | 0.24 | 0.26 | 1.42 | 0.0091 | 0.0086 | 余量 |
| 例6 | 0.28 | 0.21 | 1.49 | 0.0079 | 0.0093 | 余量 |
表2实施例的关键工艺制度
表3实施例钢管的力学性能
Claims (3)
1.一种P110外加厚油井管，其特征在于化学成分按重量百分比计：C0.22%-0.32%、Si0.15%-0.45%、Mn1.00%-1.50%、P≤0.03%、S≤0.03%，余量为Fe和不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的P110外加厚油井管，其特征在于化学成分按重量百分比计：C0.24%-0.28%、Si0.15%-0.30%、Mn1.20%-1.40%、P≤0.02%、S≤0.015%，余量为Fe和不可避免的杂质。
3.一种根据权利要求1或2所述的P110外加厚油井管的制造方法，其特征在于采用转炉冶炼-炉外精炼-方坯连铸-圆坯轧制-环形炉加热圆坯-菌式穿孔机穿管-连续轧管机轧管-管端墩粗外加厚-电感应调质热处理，钢管连续轧制后的温度控制在1000℃以上；墩粗加厚温度1100～1200℃，墩粗加厚管端后钢管进行一次γ—F+P相变；采用电感应方式实施调质处理，电感应加热至900～1000℃后直接水淬，钢管水淬后温度100℃以下，再电感应加热至500～600℃后直接空冷。
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