CN104451431A

CN104451431A - 一种高性能隔水管板材及生产方法

Info

Publication number: CN104451431A
Application number: CN201410666155.9A
Authority: CN
Inventors: 贾书君; 刘清友; 汪兵
Original assignee: Central Iron and Steel Research Institute
Current assignee: Central Iron and Steel Research Institute
Priority date: 2014-11-19
Filing date: 2014-11-19
Publication date: 2015-03-25

Abstract

一种高性能隔水管板材及生产方法，属于石油管材领域。该管板材成分为：C：0.05～0.10wt％、Si：0.10～0.30wt％、Mn：0.4～1.0wt％、Nb：0.02～0.05wt％、Mo：0.10～0.30wt％，Ni：0.5～2.0wt％，Cr：0.5～1.0wt％，Ti：0.01～0.015wt％、Cu：1.0～2.0wt％、P≤0.010wt％、S：≤0.001wt％、N≤0.004wt％、O₂≤0.0015wt％，其余为Fe及不可避免杂质。工艺包括：铸坯加热温度1160～1220℃，加热时间为2～6小时，两阶段控轧，终轧温度780～860℃，冷速≥5℃/s，终冷温度：450～550℃，淬火温度700～850℃，回火温度为600～660℃，保温时间0.5～2小时，钢板出炉后空冷。优点在于，具有高强高韧的同时，兼具优异的抗疲劳性能和良好的纵向塑性变形能力，可用于制造深海恶劣环境下使用钻井隔水管。

Description

一种高性能隔水管板材及生产方法

技术领域

本发明属于石油管材技术领域，特别是涉及一种高性能隔水管板材及生产方法，尤其是一种既具有优异抗疲劳性能又兼具良好纵向塑性变形能力的高强高韧隔水管板材及其生产方法，可用于制造对性能要求极其严格的深海钻井用隔水管生产领域。

背景技术

海洋油气占全球石油天然气总量的70％。随着陆上石油天然气的枯竭，油气资源开采向海洋尤其是深海地区延伸。我国是海洋大国，已探明的海洋石油资源约240亿吨，天然气资源14万亿立方米。海洋因其巨大的能源宝库在国际政治和经济中扮演着越来越重要的角色，已经成为获取油气资源的主战场。我国海洋油气开采程度相对较低，尤其是深海油气开发技术和装备远落后于世界先进国家，缺少必要的深海油气资源钻探、开采和生产装备。因此，加快海洋油气开采装备建设，特别是加快深海用油气开采用钢的开发是保证国家能源安全，实现能源战略转移的最关键因素之一。

海洋隔水管是海洋钻井工程中的必要设备，主要应用于钻井、采油、注水和油井维修等多个作业领域。钻井隔水管通常是一个大口径钢管，其主要功能是隔离海水，保护钻杆，为钻井船或钻井平台与海底井口之间钻井液循环提供回路，并为钻具送入海底井口进行导向。钻井液通过钻杆柱,流入井底，然后再经过隔水管柱内壁与钻杆柱之间的环隙，返回到海面工作平台上的泥浆池中。它是海洋深水油气勘探开发的重要装备单元。

海洋钻井隔水管因其在海洋恶劣环境下工作，是一种具有高风险、高难度、高技术、高附加值的石油钻井装备。由于受深水洋流，暗涌作用产生涡流，导致钢管纵向产生一定程度的变形和涡激震动，因此要求钢管在具有抗变形性能的同时，还要具有优异的抗疲劳性能，对钢管的冶金质量要求极高；同时对钢板的厚度精度、板型，以及钢管椭圆度也有着更严格的要求。我国起步较晚，在海洋钻井隔水管技术方面仍处于空白，也不具有深水隔水管的检测评价方法和测试手段。目前，海洋钻井隔水管***整体设计与分析技术仅被国外少数几个公司所掌握。他们对我国在产品标准、生产技术、检验方法等方面严格封锁，进口价格畸高，单管价格高达100万元以上，我国深水作业从管件到操作完全依赖国外公司。

因此，对隔水管的关键生产和制造技术进行详细而深入的探索，形成具有我国自主知识产权的隔水管合金化体系、工业生产技术和高品质、海洋隔水管产品，填补国内外高性能隔水管的空白，这对提高我国海洋油气开采效率、降低能源生产成本和海洋生态保护具有十分重要的意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高性能隔水管板材及生产方法，该高性能隔水管板材在满足高强高韧的同时，具有良好的纵向抗变形能力和优异的抗疲劳性能。钢板的抗拉强度：600～1000MPa，屈服强度：500～800MPa，钢板纵向屈强比≤0.85；-80℃的低温冲击韧性大于200J。可用于制造对性能要求极其严格的深海隔水管生产领域。

本发明的高性能隔水管板材的化学成分质量百分比为：C:0.05～0.10wt％、Si:0.10～0.30wt％、Mn：0.4～1.0wt％、Nb：0.02～0.05wt％、Mo:0.10～0.30wt％,Ni:0.5～2.0wt％,Cr:0.5～1.0wt％,Ti:0.01～0.015wt％、Cu:1.0～2.0wt％、P：≤0.010wt％、S：≤0.001wt％、N≤0.004wt％、O₂≤0.0015wt％，其余为Fe及不可避免杂质。

本发明的高性能隔水管板材的制备方法包括：冶炼、连铸、加热、控制轧制、控制冷却、热处理。在工艺中控制的技术参数如下：

热轧过程：铸坯的加热温度为1160～1220℃，加热时间为2～6小时；所述控制轧制工艺采用两阶段轧制，包括再结晶区轧制和未再结晶区轧制，终轧温度控制在780～860℃，所述轧后控制冷却采用加速冷却，冷却速度≥5℃/s，终冷温度：450～550℃，最后空冷至室温；

热处理过程包括：首先淬火，将钢板加热到为700～850℃，部分奥氏体化，保温时间0.5～2小时，淬火到室温；然后回火，加热温度为600～660℃，保温0.5～2小时，钢板出炉后空冷。

本发明的性能隔水管板材显微组织特征为铁素体+回火贝氏体的基体上弥散分布着细小的ε-Cu析出物。

本发明的高性能隔水管板材的成分构成中各化学成分的作用具体为：

Mn:Mn在钢中既能以固溶状态存在，也可以进入渗碳体中取代一部分Fe原子，起到固溶强化作用，还能形成硫化物。Mn元素在奥氏体中聚集，可提高奥氏体稳定性。但是Mn含量较高的钢中易出现带状组织，带状组织能明显降低钢板的抗疲劳性能，所以在本发明的高性能隔水管中，Mn含量最佳范围：0.4～1.0wt％。

Cu：在本发明中Cu是最主要的合金元素。Cu的作用是提高材料淬透性，保证临界区淬火时得到马氏体或贝氏体组织，另外一个更重要的作用是Cu在热处理时效过程中析出弥散细小的ε-Cu第二相，来提高材料的强度。

Ni：Ni作为奥氏体形成元素，可增强连续冷却过程中奥氏体的稳定性。更重要的是，钢中的Ni还能大幅度提高材料的韧性。另外，在含Cu量较高的钢中，为改善铸坯表面质量，通常要加入Ni，并且Ni含量至少为Cu含量的1/2，Cu和Ni同时添加还可以提高材料的耐腐蚀性能。

S、P、O、N：这四种元素在该发明的高性能隔水管板材中都属于有害元素，其在材料基体中形成的氧化物、硫化物等各种夹杂都会恶化钢板的抗疲劳性能。所以本发明中这几种元素需严格控制：P：≤0.010wt％、S：≤0.001wt％、N≤0.004wt％、O₂≤0.0015wt％。

本发明所述的一种高性能深海隔水管板材的生产方法包括冶炼、连铸、加热、控制轧制、控制冷却、热处理工艺，其主要特征在于：所述铸坯的加热温度为1160～1220℃，根据钢板厚度规格的不同，加热时间为2～6小时；所述控制轧制工艺采用两阶段轧制：在再结晶轧制阶段，为得到细化的再结晶奥氏体晶粒，粗轧末机架温度控制在1050℃以下，变形量控制在25％以上；在未再结晶区轧制阶段，采用低温大压下控制技术，终轧温度控制在780～860℃；所述轧后冷却过程中，为得到细化的贝氏体铁素体组织，采用层流冷却的方法加速冷却，冷却速度≥5℃/s，终冷温度：450～550℃，最后空冷至室温。

本发明所述热处理工艺为：首先进行临界区淬火，使热轧钢板组织中的贝氏体和MA岛全部奥氏体化，只剩下相对软相铁素体组织，根据目标铁素体量的不同，加热温度选取在700～850℃范围，为了保证合金元素的充分扩散，保温时间为0.5～2小时，淬火到室温后获得铁素体+马氏体或者板条贝氏体组织；在回火过程中，选择高温回火工艺，目的是使成分中的Cu能够以细小ε-Cu第二相的形式弥散析出，提高基体强度，所以加热温度选取在600～660℃，保温0.5～2小时，钢板出炉后空冷。

本发明可以根据具体的性能要求，适当调整化学成分和工艺参数范围，获得最理想的“强度-塑性-韧性-疲劳”性能配比，满足不同的使用性能要求。

本发明所述的一种高性能隔水管材其力学性能指标如下：钢板抗拉强度：600～1000MPa，屈服强度：500～800MPa，钢板纵向屈强比≤0.85；-80℃的低温冲击韧性大于200J，同时兼具优异的抗疲劳性能和耐腐蚀性能。

本发明的优点在于：

(1)钢板洁净度极高、显微组织均匀，避免了因夹杂物和带状组织对疲劳性能的损失。

(2)钢板中相对软相的铁素体和硬相贝氏体及弥散析出的第二相均匀混合组织赋予了钢板优异的塑性变形能力，确保深海隔水管在铺设和服役过程中洋流冲刷等复杂环境对纵向变形性能的要求。

(3)本发明钢板中C含量较低，加之较高的Ni含量和均匀细化的回火组织保证了钢板具有较高的冲击韧性。

(4)钢板中Cu、Cr、Ni含量较高，组织均匀，使钢板还具有优异的耐腐蚀性能。

附图说明

图1为淬火温度对钢板显微组织的影响(780℃淬火)。

图2为淬火温度对钢板显微组织的影响(820℃淬火)。

图3为25.4mm厚钢板厚度截面四分之一位置析出物明暗场照片及标定(630℃回火)。

具体实施方式

下面列举具体实施例对本发明进行说明，有必要在此指出的是以下具体实施步骤只用于对本发明作进一步说明，不代表对本发明保护范围的限制，其他人根据本发明做出的一些非本质的修改和调整仍属于本发明的保护范围。

实施例1

组成原料按照质量百分数计为：

C:0.07wt％、Si:0.30wt％、Mn：0.8wt％、Nb：0.03wt％、Mo:0.20wt％,Ni:1.0wt％,Cr:0.8wt％,Ti:0.012wt％、Cu:1.5wt％、P：0.0084wt％、S：0.0008wt％、N：0.0036wt％、O₂：0.0010wt％，余量为Fe及不可避免的杂质,经转炉冶炼、连铸成300mm铸坯。

将铸坯加热到1180℃，保温3.0小时，然后进行第一阶段—再结晶区轧制，开轧温度为1100℃，粗轧最后道次温度为1000℃，粗轧最后道次变形量25％；第二阶段—未再结晶区轧制，开轧温度为950℃，终轧温度为850℃，轧后板厚为25.4mm。轧后以10℃/s冷速冷却到480℃，然后空冷到室温。

在热轧钢板中取三块实验料，放入加热炉中分别加热到780℃、800℃、820℃，保温120min后水冷至室温，在630℃加热保温100min，出炉空冷。将热处理后的钢板依据国标进行力学性能检。

经检测，钢板显微组织特点为铁素体+回火贝氏体基体上弥散分布着大量的细小的ε-Cu析出第二相。两个典型淬火温度下的SEM照片如图1、图2所示。钢板各项力学性能如表1所示。

表1实施例1钢板的力学性能

实施例2

一种高性能深海隔水管板材组成原料按照质量百分数计为：C:0.07wt％、Si:0.30wt％、Mn：0.8wt％、Nb：0.03wt％、Mo:0.20wt％,Ni:1.0wt％,Cr:0.8wt％,Ti:0.012wt％、Cu:1.5wt％、P：0.0084wt％、S：0.0008wt％、N：0.0036wt％、O₂：0.0010wt％，余量为Fe及不可避免的杂质,经转炉冶炼、连铸成300mm铸坯。

在热轧钢板中取三块实验料，放入加热炉中加热到800℃，保温120min后水冷至室温，再分别加热到600℃、630℃和650℃，保温120min，出炉空冷。将热处理后的钢板依据国标进行力学性能检。

经检测，钢板显微组织特点仍为铁素体和回火贝氏体基体上弥散分布着大量的细小的ε-Cu析出第二相，如图3所示。

图3显示了630℃回火时钢板中析出的第二相ε-Cu的形貌及其标定。

表2实施例2钢板的力学性能

实施例3

在热轧钢板中取三块实验料，放入加热炉中加热到800℃，保温120min后水冷至室温，再加热到630℃，三块钢板分别保温30min、80min、120min，出炉空冷。将热处理后的钢板依据国标进行力学性能检。

经检测，钢板显微组织特点仍为铁素体和回火贝氏体基体上弥散分布着大量的细小的ε-Cu析出第二相，只不过随着回火保温时间的不同，第二相的析出量明显不同。

表3实施例3钢板的力学性能

Claims

1.一种高性能隔水管板材，其特征在于，该隔水管板材的化学成分为：C:0.05～0.10wt％、Si:0.10～0.30wt％、Mn：0.4～1.0wt％、Nb：0.02～0.05wt％、Mo:0.10～0.30wt％,Ni:0.5～2.0wt％,Cr:0.5～1.0wt％,Ti:0.01～0.015wt％、Cu:1.0～2.0wt％、P：≤0.010wt％、S：≤0.001wt％、N≤0.004wt％、O₂≤0.0015wt％，其余为Fe及不可避免杂质。

2.一种权利要求1所述高性能隔水管板材的生产方法，包括冶炼、连铸、加热、控制轧制、控制冷却、热处理工艺，其特征在于：工艺中控制的技术参数为：

加热温度为1160～1220℃，加热时间为2～6小时；控制轧制工艺采用两阶段轧制，包括再结晶区轧制和未再结晶区轧制，终轧温度控制在780～860℃，轧后控制冷却采用加速冷却，冷却速度≥5℃/s，终冷温度：450～550℃，最后空冷至室温；

热处理工艺为：首先淬火，将钢板加热到为700～850℃，部分奥氏体化，保温时间0.5～2小时，淬火到室温；然后回火，加热温度为600～660℃，保温0.5～2小时，钢板出炉后空冷。