CN105603313A - 一种低屈强比石油套管用钢及制造方法和套管的生产方法 - Google Patents
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Abstract
一种低屈强比石油套管用钢及制造方法和套管的生产方法,该钢的化学成分质量百分比为:C:0.38~0.48%,Si:0.1~0.4%,Mn:1.0~1.4%,P≤0.015%,S≤0.005%,Al:0.002~0.04%,Ti:0.005~0.05%,余量为Fe和不可避免的杂质,且同时满足如下关系:0.58%≤C+Mn/6≤0.68%。本发明采用低温轧制和卷取控冷工艺,抑制魏氏组织的形成,降低屈强比的同时提高了韧性,生产的石油套管的屈服强度为379~552MPa,抗拉强度≥655MPa,屈强比<0.7,冲击功≥50J。
Description
技术领域
本发明属于石油套管技术领域,具体涉及一种低屈强比石油套管用钢及其制造方法和套管的生产方法,更具体涉及一种复合API标准的K55钢级低屈强比高频电阻焊(HFW)石油套管用钢及其制造方法和套管的生产方法。
背景技术
一般情况下,石油及天然气开采用套管是根据API标准组织生产与供货的。API标准规定,K55钢级石油套管有无缝管和焊管两种类型,相对于无缝管而言,焊管具有生产效率高、尺寸精度好、规格范围宽、成本低等显著特点,因此,焊管是生产厂家与油田用户的首选品种,一直受到市场的青睐。但是对于K55钢级低屈强比高频电阻焊(HFW)套管,由于生产难度高,目前仅有国外少数厂家可以生产。
K55钢级石油套管是一种高附加值产品。该套管屈服强度须在379~552MPa之间,抗拉强度须大于655MPa,其特点是材料的屈强比低,屈服强度和抗拉强度(均取中线值)的比值约为0.7。目前该级别套管一般的生产流程为:炼钢-连铸-热轧成板卷-板卷头尾剪切对焊-板带成型-在线焊接-焊缝热处理或整管热处理-管加工-出厂检验等。从生产流程上看,由于制管时板带成型而引入的加工硬化的作用,与板卷相比,管体屈服强度会有所提高,抗拉强度会因材料损伤而略有降低。实践表明,成型后管体屈服强度较板卷升高约50~100MPa,抗拉强度可以下降约10~30MPa,这样,理想的板卷屈服强度应该控制在400MPa左右,而抗拉强度应该控制在680MPa以上,要求热轧板的屈强比小于0.65,对于较低碳当量的低合金钢很难达到这一要求。
API5CT标准中对K55的成分要求比较简单,只有S和P的要求(S≤0.03,P≤0.03)。英国钢铁公司(BSC)的Corby钢管厂采用2种成分生产K55套管。成分1为(以质量百分数计):C:0.17-0.22%,Si:0.25-0.35%,Mn:1.3-1.5%,P≤0.025%,S≤0.015%,V:0.1-0.13%,Nb:0.01-0.024%、Al:0.025-0.065%。成分2为(以质量百分数计):C:0.33-0.37%,Si:0.10-0.35%,Mn:1.35-1.55%,P≤0.025%,S≤0.015%,Al:0.025-0.065%。成分1因碳含量较低,故加入了V、Nb等元素来弥补强度的不足,其制造特点是焊管制管后需再次加热经张力减径制成K55套管,加工工艺复杂,成本较高,屈强比较高。成分2制管后需再次加热到880℃正火处理制成K55套管,工艺成本高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种低屈强比石油套管用钢及其制造方法和套管的生产方法,该石油套管用钢的屈服强度为379~552MPa,抗拉强度≥655MPa,屈强比<0.65,冲击功≥50J,生产出性能稳定的低屈强比K55套管,该套管的屈服比<0.7。
为达到上述目的,本发明的技术方案是:
本发明通过成分设计降低材料的屈强比,具体是提高C和Mn含量,以提高珠光体比例以及减小珠光体片层间距,提高抗拉强度,同时适当配以Ti、Nb微合金化,依靠Ti、Nb微合金元素在高温下形成的碳氮化物,作为先共析铁素体的形核质点,促进晶界铁素体析出,增加组织中的软相,保证较低的屈服强度。同时在制造工艺上,采用低温轧制和卷取控冷工艺,抑制魏氏组织的形成,降低屈强比的同时提高韧性。为保证高碳当量热轧板的板卷对焊质量,本发明优化焊接工艺参数,实现了高碳当量材料成型过程中不断裂,保证了安全生产。
具体的,本发明一种低屈强比石油套管用钢,其化学成分质量百分比为:C:0.38~0.48%,Si:0.1~0.4%,Mn:1.0~1.4%,P≤0.015%,S≤0.005%,Al:0.002~0.04%,Ti:0.005~0.05%,余量为Fe和不可避免的杂质,且上述成分含量必须同时满足如下关系:0.58%≤C+Mn/6≤0.68%。
进一步,所述低屈强比石油套管用钢还含有:0<Nb≤0.02%,以质量百分比计。
所述低屈强比石油套管用钢的微观组织为铁素体+珠光体。
所述低屈强比石油套管用钢的屈服强度为379~552MPa,抗拉强度≥655MPa,屈强比<0.65,冲击功≥50J。
本发明钢化学成分中各合金元素作用机理如下:
C:C为碳化物形成元素,可以提高钢的强度,当C含量低于0.38%时,导致K55钢中珠光体组织含量降低,从而降低强度;当C含量高于0.48%时,钢的韧性会显著降低,会显著恶化材料的焊接性。因此,本发明控制C含量为0.38~0.48%。
Mn:Mn为奥氏体形成元素,可以提高钢的淬透性,当Mn含量小于1%时,材料中铁素体含量过多,降低了材料强度;当Mn含量大于1.4%时,将显著增加钢中的组织偏析,影响热轧组织的均匀性和冲击性能。因此,本发明控制Mn含量为1.0~1.4%。
本发明在材料设计上着眼于降低材料的屈强比,需要控制C和Mn含量,碳当量计算公式为=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15,一方面C和Mn可以影响铁素体和珠光体的相比例,当C+Mn/6<0.58%时,铁素体含量增加,珠光体含量降低,导致材料屈服强度偏低,屈强比提高,从而强度指标不能满足K55的要求;当C+Mn/6>0.68%时,碳当量过高,韧性降低,横焊缝在成型过程中易发生断裂,从而导致生产安全事故。因此,需要控制0.58%≤C+Mn/6≤0.68%。
Si:Si固溶于铁素体以提高钢的屈服强度,不宜过高,宜采用Si含量为0.1~0.4%。
Al:Al是传统脱氧固氮元素,可细化晶粒,考虑其可降低材料屈强比,Al含量不宜过高。因此,本发明控制Al含量为0.002~0.04%。
Ti:Ti是强碳氮化物形成元素,显著细化奥氏体晶粒,促进先共析铁素体析出,可弥补因C降低而引起的强度下降,降低屈强比。但若Ti含量太高,易形成粗大的TiN,降低材料性能。因此,本发明控制Ti含量为0.005~0.05%。
Nb:Nb是强碳氮化物形成元素,同时也可起到细晶和析出强化作用,促进先共析铁素体析出,宜采用Nb含量≤0.02%。
P≤0.015%、S≤0.005%:P和S是钢中的有害杂质元素,含量过高会恶化钢的韧性,因此应尽量降低钢中的P、S含量。
本发明所述的低屈强比石油套管用钢的制造方法,其包括如下步骤:
1)冶炼、铸造
按照上述化学成分进行转炉炼钢,钢水经炉外精炼后,连铸成坯;
2)热轧
连铸坯经1200~1250℃加热后热轧成板带,终轧温度800~860℃;
3)冷却+卷取
热轧后板带以5~20℃/s的冷却速度冷却至550~650℃,再卷取成板卷。
进一步,所述低屈强比石油套管用钢的微观组织为铁素体+珠光体。
本发明所述低屈强比石油套管用钢的屈服强度为379~552MPa,抗拉强度≥655MPa,屈强比<0.65,冲击功≥50J。
本发明还提供一种低屈强比石油套管的生产方法,其包括如下步骤:
1)冶炼、铸造
按照上述化学成分进行转炉炼钢,钢水经炉外精炼后,连铸成坯;
2)热轧
连铸坯经1200~1250℃加热后热轧成板带,终轧温度800~860℃;
3)冷却+卷取
热轧后板带以5~20℃/s的冷却速度冷却至550~650℃,再卷取成板卷;
4)板卷对焊
送丝速度为7~13m/min,焊接速度为45~65cm/min,焊丝伸出量为15~25mm;
5)高频电阻焊接
焊接温度为1200~1400℃,焊接功率850±30kW,焊接速度16±3m/min;
6)热处理
焊缝在线正火热处理,正火温度为900~980℃。
进一步,所述低屈强比石油套管的微观组织为铁素体+珠光体。
所述低屈强比石油套管的屈服强度为379~552MPa,抗拉强度≥655MPa,屈强比<0.7,冲击功≥50J。
本发明为保证抗拉强度达到K55钢级的要求,添加较高的C和Mn元素,但是现有技术中高C高Mn材料在热轧后水冷过程中易产生如图1中所示的魏氏组织,明显降低材料的韧性,提高屈强比。
为解决这一技术问题,本发明将热轧过程中终轧温度降低为800~860℃(常规油井管产品终轧温度为880~920℃),该较低的终轧温度可以细化铁素体和珠光体晶粒,减少水冷过程中的过冷度,促进铁素体和珠光体组织的析出和长大,抑制了魏氏组织的形成,从而降低屈强比,提高韧性。
同时,为保证屈服强度达到K55要求,本发明将热轧板卷的卷取温度控制为550~650℃的范围内。在焊接工艺上,为防止高碳当量材料(Ceq=0.58以上)的焊缝在成型过程中发生开裂,优化了板卷对焊工艺,且采用上述工艺后进行批量大生产未发生开裂问题。
本发明套管生产中,在高频感应焊接后采用正火热处理工艺,根据本发明提出的成分设计确定了正火温度为900~980℃,通过焊缝正火热处理工艺消除了焊缝组织应力,能够细化焊缝晶粒,提高组织均匀性,改善焊缝的强度和冲击韧性。
本发明的有益效果:
1)本发明所设计的钢材料合金成本低,具有重大的经济效益。
2)本发明提供的石油套管横焊缝焊接工艺,能够适用于高碳当量材质的焊接,具有良好的冷弯性能,在成型过程中不发生断裂。
3)本发明所述低屈强比石油套管用钢具有较低屈强比,具体为屈强比达到0.65以下,屈服强度为379~552MPa,抗拉强度≥655MPa,冲击功≥50J;制造出的石油套管的屈强比达到0.7以下,屈服强度为379~552MPa,抗拉强度≥655MPa,冲击功≥50J。
附图说明
图1为现有技术中高碳高锰材料中的魏氏组织金相照片。
图2为本发明低屈强比石油套管的典型金相组织照片。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明做进一步说明。
表1为本发明实施例及比较例套管的成分,表2为本发明实施例及比较例的制造工艺参数,表3为本发明实施例及比较例钢的性能,表4为本发明实施例及比较例套管的性能。
本发明实施例的制造工艺如下,具体工艺参数参见表2:
本发明实施例化学成分见表1,经转炉炼钢炉外精炼后,制成连铸坯。连铸坯经1200~1250℃加热后热轧成厚12mm的板带,终轧温度800~860℃,轧后板带以5~20℃/s的冷却速度经层流冷却到550~650℃卷取成板卷,板卷的力学性能参见表3。板卷间横焊缝焊接工艺为:送丝速度为7~13m/min,焊接速度为45~65cm/min,焊丝伸出量为15~25mm。板卷经过成型工序后进行高频电阻焊接,焊接温度为1200~1400℃,焊缝在线正火热处理,正火温度为900~980℃。采用以上工艺制成的K55钢级套管的力学性能参见表4。
由表3可知,实施例1-7制造得到钢卷均满足屈服强度在379~552MPa之间,抗拉强度≥655MPa的要求,屈强比低于0.65,冲击功≥50J。
由表4可知,实施例1-7生产得到的套管均满足屈服强度在379~552MPa之间,抗拉强度≥655MPa的要求,屈强比低于0.7,典型金相组织如图2所示,由图2可知,该套管组织为铁素体+珠光体组织,没有出现对性能不利的魏氏组织。因此,采用本发明所设计的化学成分和热处理制度,可以稳定生产出满足K55性能要求的低屈强比HFW套管。
比较例1的C含量稍低,C+Mn/6小于0.58%,材料的抗拉强度达不到要求。而比较例2的C含量则过高,C+Mn/6大于0.68%,致使材料的韧性降低,而且碳当量过高,横焊缝焊缝冷弯试验时发生断裂。比较例3的Mn含量稍低,C+Mn/6小于0.58%,材料的抗拉强度达不到要求,屈强比较高。比较例4的Mn含量则过高,C+Mn/6大于0.68%,没有Ti和Nb,使得使材料的珠光体组织含量加高,导致强度偏高,冲击韧性也偏低。比较例5的终轧温度偏高,导致组织中出现大量魏氏组织,提高了屈强比并降低了韧性,同时焊接工艺未在本发明要求范围内,焊缝在成型过程中发生开裂。
Claims (10)
1.一种低屈强比石油套管用钢,其化学成分质量百分比为:C:0.38~0.48%,Si:0.1~0.4%,Mn:1.0~1.4%,P≤0.015%,S≤0.005%,Al:0.002~0.04%,Ti:0.005~0.05%,余量为Fe和不可避免的杂质,且上述成分含量必须同时满足如下关系:0.58%≤C+Mn/6≤0.68%。
2.根据权利要求1所述的低屈强比石油套管用钢,其特征在于,所述低屈强比石油套管用钢还含有:0<Nb≤0.02%,以质量百分比计。
3.根据权利要求1或2所述的低屈强比石油套管用钢,其特征在于,所述低屈强比石油套管用钢的微观组织是铁素体+珠光体。
4.根据权利要求1-3任一项所述的低屈强比石油套管用钢,其特征在于,所述低屈强比石油套管用钢的屈服强度为379~552MPa,抗拉强度≥655MPa,屈强比<0.65,冲击功≥50J。
5.如权利要求1-4任一项所述的低屈强比石油套管用钢的制造方法,其包括如下步骤:
1)冶炼、铸造
按照权利要求1或2所述化学成分进行转炉炼钢,钢水经炉外精炼后,连铸成坯;
2)热轧
连铸坯经1200~1250℃加热后热轧成板带,控制终轧温度为800~860℃;
3)冷却+卷取
热轧后板带以5~20℃/s的冷却速度冷却至550~650℃,再卷取成板卷。
6.根据权利要求5所述的低屈强比石油套管用钢的制造方法,其特征在于,所述低屈强比石油套管用钢的微观组织是铁素体+珠光体。
7.根据权利要求5或6所述的低屈强比石油套管用钢的制造方法,其特征在于,所述低屈强比石油套管用钢的屈服强度为379~552MPa,抗拉强度≥655MPa,屈强比<0.65,冲击功≥50J。
8.一种低屈强比石油套管的生产方法,其包括如下步骤:
1)冶炼、铸造
按照权利要求1或2所述的化学成分进行转炉炼钢,钢水经炉外精炼后,连铸成坯;
2)热轧
连铸坯经1200~1250℃加热后热轧成板带,控制终轧温度为800~860℃;
3)冷却+卷取
热轧后板带以5~20℃/s的冷却速度冷却至550~650℃,再卷取成板卷;
4)板卷对焊
送丝速度为7~13m/min,焊接速度为45~65cm/min,焊丝伸出量为15~25mm;
5)高频电阻焊接
焊接温度为1200~1400℃,焊接功率820~880kW,焊接速度13~19m/min;
6)热处理
焊缝正火热处理,正火温度为900~980℃。
9.根据权利要求8所述的低屈强比石油套管的生产方法,其特征在于,所述低屈强比石油套管的微观组织是铁素体+珠光体。
10.根据权利要求8或9所述的低屈强比石油套管的生产方法,其特征在于,所述低屈强比石油套管的屈服强度为379~552MPa,抗拉强度≥655MPa,屈强比<0.7,冲击功≥50J。
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