CN104630624A - 一种高频焊j55套管用钢、套管及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高频焊J55套管用钢,其化学元素质量百分比含量为:C:0.13-0.18%Si:0.15-0.25%;Mn:0.60-1.00%;P≤0.015%;S≤0.005%;Nb:0.008-0.020%;Ca:0.0010-0.0045%;Al:0.010-0.040%;N≤0.008%;其余为Fe和不可避免杂质。本发明还提供了一种由上述高频焊J55套管用钢制成的焊接套管。本发明又提供了上述高频焊J55套管的制造方法,其包括步骤:冶炼;炉外精炼;经钙处理后浇铸成板坯;轧制板带;层流冷却;制成钢带并焊接成型得到钢管;对钢管的焊缝进行正火热处理。本发明的高频焊J55套管在管体和焊缝热影响区均没有马氏体。
Description
技术领域
本发明涉及一种钢种,尤其涉及一种套管用钢种及相关的套管和制造方法。
背景技术
根据API的标准,石油套管包括无缝钢管和焊接套管两种类型。相较于无缝钢管来说,焊接套管的最显著优点是壁厚尺寸精度高,并且具有高抗挤毁性,此外焊接套管还具有制造流程短、生产效率高、规格范围宽、节能环保性好、生产成本低,产品性价比高等诸多优势。因此,国际上通常以高频焊管来替代无缝钢管。目前,国内的油田也在逐步地采取这种做法。其中,J55钢级较之于其它钢级的套管,是规格最多、用量最多且使用最广泛的一个钢级。
高频焊(HFW)J55纵剖料套管的一般生产工艺流程为:炼钢-连铸-热轧-钢卷纵剖-钢带剪切对焊-铣边-成型-高频焊接-超声波探伤-中频焊缝热处理-空冷/水冷-定径-飞锯-水压/通径-超声波探伤-外观尺寸检查-磁粉探伤-管加工-喷涂/标记-入库。
高频焊是一种通过高频电流的集肤效应和临近效应把管坯边缘加热熔化后并施以挤压而锻合的焊接方法。与其它的焊接方法相比较,其最大的特点在于:无金属填充物(例如,焊丝)。为此,在焊接工艺稳定的情况下,焊接质量很大程度地取决于钢带质量。例如,一种现有的高频焊机组J55套管,其化学元素成分的质量比含量(wt.%)为:C:0.24-0.28,Si:0.15-0.30,Mn:1.00-1.20,P≤0.015,S≤0.005,Ca:0.0010-0.0045%;Al≤0.004,余量为Fe和其他不可避免的杂质。将该板坯热轧成钢带,钢带沿中心线纵剖而成,由于热轧钢带存在着成份偏析,并且二分之一部位处的偏析最严重,制管后中心偏析带位于焊缝处,因此在经焊缝正火热处理后,如图1所示,该套管在焊缝热影响区偏析带上有条状马氏体存在。然而,根据API的标准,并不允许焊接套管存在着未回火的马氏体,故对于上述这种套管还需要通过额外的整管热处理来消除马氏体,从而增加了生产成本。
公开号为CN1884787A,公开日为2006年12月27日,名称为“一种基于电炉薄板坯连铸连轧流程生产J55钢级石油套管用钢的方法”的中国专利文献涉及了一种J55钢级石油套管用钢。该石油套管用钢采用电炉冶炼、精炼、薄板坯连铸、铸坯凝固后直接进入辊底式加热或均热炉、高压水除鳞、热轧、层流冷却、卷取,套管用钢的化学元素的质量百分比含量为(wt.%)为:C:0.15~0.22%,Si:≤0.45%,Mn:0.70~1.60%,P:≤0.025%,S:≤0.020%,Nb:≤0.06%,Ti:≤0.035%,其余为Fe和其他不可避免的杂质。该套管用钢以碳、锰为主要强化元素,加入铌、钛作为微量元素。由于碳、锰含量较高,因此中心偏析较为严重,用它作为纵剖料,焊缝正火热处理后热影响区会产生马氏体。
公开号为CN1924061A,公开日为2007年3月7日,名称为“制造J55级焊接石油套管的低合金高强度钢”的中国专利文献公开了一种低合金高强度钢,其化学元素的质量百分含量为:C:0.16-0.21%,Si:0.10-0.35%,Mn:1.00-1.30%,P≤0.020%,S≤0.012%,V:0.020-0.070%,Als:0.008-0.060%,或C:0.07-0.12%,Si:0.10-0.35%,Mn:1.40-1.55%,P:≤0.020%,S:≤0.012%,Nb:0.015-0.030%,Als:0.008-0.060%,余量Fe和其他不可避免的杂质。此低合金高强度钢的C和Mn含量也相对较高,因此,采用其作为纵剖料,在经焊缝正火热处理后的焊缝热影响区仍会产生马氏体。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高频焊J55套管用钢,其具有较高的屈服强度和抗拉强度,较好的韧性,适合用来制造焊接套管。
为了实现上述目的,本发明提出了一种高频焊J55套管用钢,其化学元素质量百分比含量为:
C:0.13-0.18%;
Si:0.15-0.25%;
Mn:0.60-1.00%;
P≤0.015%;
S≤0.005%;
Nb:0.008-0.020%;
Ca:0.0010-0.0045%;
Al:0.010-0.040%;
N≤0.008%;
其余为Fe和不可避免杂质。
本发明所述的高频焊J55套管用钢中的各化学元素的设计原理为:
C:C可以显著提高钢的强度。然而,当C含量过高时,会提高碳当量,降低钢的焊接性能,并加剧碳的偏析,从而导致焊缝经正火热处理后在热影响区偏析带上出现马氏体,因此,本发明的高频焊J55套管用钢中的C含量控制得相对较低,其为0.13-0.18wt.%。
Si:Si可固溶于铁素体用以提高钢材的屈服强度,但这样就会同时损失材料的塑性和韧性。基于此,本发明所述的高频焊J55套管用钢中的Si的质量百分比含量为0.15-0.25wt.%。
Mn:Mn元素主要固溶于铁素体中以提高材料的强度。不过,太高含量的Mn会引起钢中组织的严重偏析,影响材料的焊接性能,并经焊缝正火热处理后在热影响区偏析带上出现马氏体,故而将本发明的高频焊J55套管用钢中的Mn含量为0.60-1.00wt.%。
Nb:在热轧时Nb可以推迟奥氏体再结晶而达到细化晶粒的作用,在随后焊接重结晶及再加热的过程中,Nb还可以阻碍奥氏体晶粒长大,析出的第二相质点Nb(C、N)产生的沉淀强化则有利于提高焊缝的强度性能,通常可以提高50-100Mpa左右。为此,本发明的技术方案中的Nb的含量为0.008-0.020wt.%。
Ca:Ca能够净化钢液,促使MnS球化,从而去除钢中的S杂质,以提高钢材的综合性能。然而,含量太高的Ca容易令钢中形成粗大的非金属夹杂物,因而本发明的高频焊J55套管用钢中的Ca元素需要控制为0.0010-0.0045wt.%。
Al:Al是脱氧固氮元素,其与N元素所形成的AlN可以起到细化奥氏体晶粒的作用,这样有利于提高材料的焊缝性能。为此,本发明所述的高频焊J55套管用钢中的Al的质量百分比含量为0.010-0.040wt.%。
S、P和N元素是本技术方案中的杂质元素,其含量应控制尽可能地低。
较之于现有的套管用钢,本发明中的C和Mn元素的含量相对较低,即本技术方案通过降碳、降锰来减轻钢带的中心偏析,从而使得焊接套管经在线正火热处理后焊缝热影响区内不存在马氏体微观组织。另外,本技术方案通过加入微量的Nb来补偿因降碳、降锰而引起的材料强度的损失,改善焊接套管加工的工艺性能并防止焊接套管的粘扣。
进一步地,本发明所述的高频焊J55套管用钢中的C、Mn、Nb和Si还满足:碳当量CE=(C+Mn/6+Nb/5+Si/24)≤0.40%,以进一步保证材料的焊接性。
进一步地,本发明所述的高频焊J55套管用钢的微观组织为铁素体+珠光体。
更进一步地,上述高频焊J55套管用钢中的铁素体+珠光体的基体上具有析出的第二相,第二相的质点为Nb(C、N)。
本发明的另一目的在于提供一种高频焊J55套管,该高频焊J55套管的管体和焊缝热影响区均不具有马氏体,从而减少了整管热处理步骤,降低了生产制造成本。另外,该高频焊J55套管具有较高的强度和良好的韧性。
本发明所述的高频焊J55套管由上文所提及的高频焊J55套管用钢制成,其焊缝热影响区的微观组织为铁素体+珠光体。
更进一步地,本发明所述的高频焊J55套管的焊缝热影响区的铁素体+珠光体基体上具有析出的第二相,第二相的质点为Nb(C、N)。
相应地,本发明还提供了上述高频焊J55套管的制造方法,其包括步骤:冶炼;炉外精炼;经钙处理后浇铸成板坯;轧制板带;层流冷却;制成钢带并焊接成型得到钢管;对钢管的焊缝进行正火热处理。
进一步地,在本发明所述的高频焊J55套管的制造方法中,在轧制板带步骤中,将钢坯先经过1150-1190℃的加热后在轧制成板带,终轧温度为800-845℃。
进一步地,在本发明所述的高频焊J55套管的制造方法中,在层流冷却步骤中,以8-20℃/s的速度冷却到550-600℃。
更进一步地,在本发明所述的高频焊J55套管的制造方法中,对钢管的焊缝进行正火热处理的步骤中,正火温度为960~980℃。
本发明所述的高频焊J55套管用钢具有较高的强度和较好的韧性。
本发明所述的高频焊J55套管的管体和焊缝热影响区中均不存在马氏体,套管同样具有较高的强度和较好的韧性,较之于未经过焊接的钢材,该套管的屈服强度、抗拉强度、伸长率以及冲击功的变化幅度小。
此外,本发明所述的高频焊J55套管的制造方法可以生产制成管体和焊缝热影响区均没有马氏体微观组织的焊接套管,其符合API国际标准,能够广泛用于油气田的钻探和开采。
附图说明
图1为现有的高频焊J55套管的焊缝焊接热影响区的金相图。
图2显示了本发明所述的高频焊J55套管在实施例A1中的焊缝焊接热影响区的金相图。
具体实施方式
下面将结合附图说明和具体的实施例对本发明所述的高频焊J55套管用钢、高频焊J55套管及其制造方法做进一步的解释和说明,然而,该解释和说明并不对本发明的技术方案构成不当限定。
按照下述步骤制造实施例A1-A6中的高频焊J55套管,实施例A1-A6的钢板中的各化学元素的质量百分比如含量如表1所示:
1)冶炼;
2)炉外精炼;
3)钙处理;
4)浇铸成板坯;
5)轧制板带:钢坯先经过1150~1190℃的加热后在轧制成板带,终轧温度为800~845℃;
6)层流冷却:以8~20℃/s的速度冷却到550~600℃卷取;
7)钢带卷取成钢卷;
8)制带:钢卷沿中心线纵剖为钢带;
9)焊接:将钢带焊接成型得到钢管;
10)热处理:对钢管的焊缝进行正火热处理,正火温度为960~980℃。
上述制造方法所涉及各步骤中的具体工艺参数详细参见表2。
表1列出了实施例A1-A6的高频焊J55套管中的各化学元素的质量百分比含量。
表1.(wt.%,余量为Fe和除了P和S以外的其他不可避免的杂质)
序号 | C | Si | Mn | P | S | N | Nb | Ca | Al | CE* |
A1 | 0.146 | 0.243 | 0.80 | 0.011 | 0.0050 | 0.0060 | 0.014 | 0.0020 | 0.033 | 0.292 |
A2 | 0.160 | 0.202 | 0.72 | 0.009 | 0.0044 | 0.0065 | 0.009 | 0.0018 | 0.026 | 0.290 |
A3 | 0.150 | 0.165 | 0.91 | 0.010 | 0.0048 | 0.0058 | 0.011 | 0.0025 | 0.038 | 0.310 |
A4 | 0.176 | 0.156 | 0.65 | 0.008 | 0.0035 | 0.0063 | 0.008 | 0.0015 | 0.012 | 0.292 |
A5 | 0.161 | 0.210 | 0.76 | 0.012 | 0.0038 | 0.0060 | 0.010 | 0.0031 | 0.025 | 0.298 |
A6 | 0.158 | 0.235 | 0.95 | 0.013 | 0.0047 | 0.0055 | 0.012 | 0.0025 | 0.030 | 0.328 |
*注:CE=C+Mn/6+Nb/5+Si/24。
表2列出了实施例A1-A6中的高频焊J55套管的制造方法的工艺参数。
表2.
钢板经过测试后所获得力学性能参数如表3所示,由钢带制成的套管(管体+焊缝)的力学性能参数如表4所示。
表3列出了实施例A1-A6中的钢板的各项力学性能参数。
表3.
序号 | 屈服强度Rt0.5(Mpa) | 抗拉强度Rm(Mpa) | 伸长率A(J) | 冲击功(J) |
A1 | 436 | 552 | 42 | 95 |
A2 | 438 | 565 | 42 | 77 |
A3 | 422 | 544 | 42 | 72 |
A4 | 456 | 578 | 42 | 85 |
A5 | 447 | 570 | 42 | 91 |
A6 | 425 | 550 | 42 | 86 |
表4列出了实施例A1-A6中的套管(管体+焊缝)的力学性能参数。
表4.
由表3和表4可以看出,本案实施例A1-A6中的钢板具有较高的强度,其屈服强度≥422Mpa,抗拉强度≥544Mpa,并且具有良好的韧性,其冲击功均值达到72J以上,伸长率A达到42%以上。同时,通过上述钢带焊接而成的焊接套管的管体和焊缝均具有较高的强度和较好的韧性,套管管体的屈服强度≥426Mpa,抗拉强度≥550Mpa,伸长率≥36%,冲击功≥78J,套管焊缝的屈服强度≥443Mpa,抗拉强度≥550Mpa,伸长率≥22%,冲击功≥55J,较之于未经过焊接的钢板,该焊接套管的屈服强度、抗拉强度、伸长率以及冲击功的变化不大,其均满足API标准对于焊接套管的管体和焊缝的力学性能的要求。
表5列出了本发明所述的高频焊J55套管的管体和焊缝的晶粒度和微观组织。图2则示出了本发明实施例A1中的高频焊J55套管焊缝焊接热影响区的微观组织。
表5.
如图2所示,并结合表5内容可知,本技术方案的焊接套管的管体的晶粒度均值为10.0级,在焊接套管的焊缝热影响区中的晶粒度均值为9.0级,并且不仅仅是管体的微观组织为铁素体+珠光体,即使是焊缝焊接热影响区的微观组织也均为铁素体+珠光体,而不含有马氏体。
需要注意的是,以上列举的仅为本发明的具体实施例,显然本发明不限于以上实施例,随之有着许多的类似变化。本领域的技术人员如果从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形,均应属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种高频焊J55套管用钢,其特征在于,其化学元素质量百分比含量为:
C:0.13-0.18%;
Si:0.15-0.25%;
Mn:0.60-1.00%;
P≤0.015%;
S≤0.005%;
Nb:0.008-0.020%;
Ca:0.0010-0.0045%;
Al:0.010-0.040%;
N≤0.008%;
其余为Fe和不可避免杂质。
2.如权利要求1所述的高频焊J55套管用钢,其特征在于,还满足:碳当量CE=(C+Mn/6+Nb/5+Si/24)≤0.40%。
3.如权利要求1所述的高频焊J55套管用钢,其特征在于,其微观组织为铁素体+珠光体。
4.如权利要求3所述的高频焊J55套管用钢,其特征在于,所述铁素体+珠光体的基体上具有析出的第二相,第二相的质点为Nb(C、N)。
5.一种采用如权利要求1-4中任意一项所述的高频焊J55套管用钢制得的高频焊J55套管,其焊缝热影响区的微观组织为铁素体+珠光体。
6.如权利要求5所述的高频焊J55套管,其特征在于,所述焊缝热影响区的铁素体+珠光体基体上具有析出的第二相,第二相的质点为Nb(C、N)。
7.一种如权利要求5所述的高频焊J55套管的制造方法,其特征在于,包括步骤:冶炼;炉外精炼;经钙处理后浇铸成板坯;轧制板带;层流冷却;制成钢带并焊接成型得到钢管;对钢管的焊缝进行正火热处理。
8.如权利要求7所述的高频焊J55套管的制造方法,其特征在于,在所述轧制板带步骤中,将钢坯先经过1150-1190℃的加热后在轧制成板带,终轧温度为800-845℃。
9.如权利要求7所述的高频焊J55套管的制造方法,其特征在于,在所述层流冷却步骤中,以8-20℃/s的速度冷却到550-600℃。
10.如权利要求7所述的高频焊J55套管的制造方法,其特征在于,在所述对钢管的焊缝进行正火热处理的步骤中,正火温度为960~980℃。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
C06 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
EXSB | Decision made by sipo to initiate substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication | ||
WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20150520 |