CN105925883B - 一种高强高韧n80q石油套管及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高强高韧N80Q石油套管及其制造方法，其化学成分的重量百分比为C：0.08～0.22％，Si：0.15～0.30％，Mn：0.8～1.5％，P：≤0.010％，S：≤0.005％，Cr：0.5～1.0％，Mo：0.10～0.30％，Al：0.005～0.01％，Nb：0.03～0.15％，Ti：0.02～0.1％，Ca：0.001～0.003％，B：0.001～0.005％，RE：0.0002～0.001％，余量为Fe和不可避免的杂质；本发明利用高温余热进行在线淬火，减少了热处理工艺，节约了能耗，降低了生产成本。

Description

一种高强高韧N80Q石油套管及其制造方法

技术领域：

本发明涉及一种石油套管，具体涉及一种高强高韧N80Q石油套管及其制造方法。

背景技术：

目前，油气资源的开采对套管强度的要求显著提高，但材料的韧性也逐步下降，并且材料对表面缺陷的敏感程度会进一步地增大。大量失效分析发现：组织韧性较差和冲击韧性过低等是造成石油套管断裂的主要因素之一。同时，研究也表明：钢的强度和韧性、塑性通常表现为互为消长的关系，而细化晶粒是唯一可提高强度和韧性的手段。

石油套管生产工艺主要有无缝轧制钢管和直缝电阻焊钢管两种。无缝套管因采用穿孔成型，管坯的轧制变形量较小，而直缝焊管采用热轧卷板作原料，该原料的原始厚铸坯经过控扎控冷工艺(TMCP)，在大的轧制变形量和控制冷却下，微观组织得到有效控制，晶粒细化效果远优于无缝管坯，因此管材强韧性也优于无缝管。同时，无缝管为了提高强度，一般加入较高的碳，但是带来的问题是韧性损失。N80钢级以上高强度直缝电阻焊套管在生产中，为了提高强度，一般需要采用离线调质处理，主要带来两方面问题：一是高温和较长时间保温容易使管坯组织粗化，使得原始卷板晶粒细小优势不能得到发挥；二是管坯在电阻炉或燃气炉进行900℃以上长时间高温加热，造成能源大量浪费，环境污染，制造成本增加等。

2013年6月12日公布的公布号为CN 103147009 A的中国发明专利，该专利公开了一种N80Q钢级石油套管及其制造方法，涉及一种经济型高强韧N80Q钢级套管及其制造方法，其钢成分设计中降低了Cr、Ti等元素含量，但未使用Mo、Nb等元素，热处理工艺仍然采用淬火+回火这种传统的热处理方式，其成本降低有限，限制了套管性能提升，因而该套管的强度偏API标准要求的下限，同时其韧性的增幅也有限。

2015年2月18日公布的公布号为CN 104357756 A的中国发明专利，该专利公开了一种抗硫化氢应力腐蚀直缝焊接石油套管及其制造方法，涉及一种在硫化氢环境下使用的高频电阻石油套管用钢，化学成分采用了Nb、V、Mo等微合金化，该专利在制造方法中虽采用热张力减径余热后在线管材控制冷却，但是管材晶粒度≥9，焊缝横向冲击功≥108J，说明在高温热轧过程中未充分发挥出热张减工艺下微合金元素细化作用，而且还有提升管材性能和降低成本的空间。

发明内容：

为了克服上述缺点，本发明目的在于提供一种高强高韧N80Q石油套管及其制造方法，本发明的石油套管的屈服强度为650～758MPa，抗拉强度为≥740MPa，延伸率≥25％，横向冲击功≥150J，纵向冲击功≥180J，组织晶粒尺寸≤5μm，产品强韧性匹配高、晶粒细小，简化了生产工序，提高了生产效率，降低了能耗和成本。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种高强高韧N80Q石油套管，其化学成分的重量百分配比为C：0.08～0.22％；Si：0.15～0.30％；Mn：0.8～1.5％；P：≤0.010％；S：≤0.005％；Cr：0.5～1.0％；Mo：0.10～0.30％；Al：0.005～0.01％；Nb：0.03～0.15％；Ti：0.02～0.1％；Ca：0.001～0.003％；B：0.001～0.005％；RE：0.0002～0.001％；余量为Fe和不可避免的杂质。

上述石油套管的屈服强度为650～758MPa，抗拉强度为≥740MPa，延伸率≥25％，横向冲击功≥150J，纵向冲击功≥180J。

上述石油套管的组织晶粒尺寸≤5μm。

本发明合金成分的选取说明：

C：碳是主要固溶强化元素，可与多种合金形成强化相，可提高钢的强度；但当含量提高时恶化卷板的焊接性能，应严格限制碳含量。因本发明采用热轧卷板要充分考虑焊接性能和焊缝质量，同时也要有利于后续热处理工艺。为实现本发明的目的将C含量控制在0.08％～0.22％。

Si：硅主要起脱氧作用，含量多时对韧性和抗腐蚀性能不利，故含量越低越好，将其限定在0.15～0.30％。

Mn：锰可显著提高钢的淬透性，提高钢的强度。但当含量多时容易形成带状组织，降低钢的韧性性能。为达到发明的目的，设计范围为0.8～1.5％。

P、S：硫、磷含量越低对钢的焊接性能、腐蚀和韧性越有利，因此，限定P：≤0.010，S：≤0.005，以保证钢的焊缝质量和韧性性能指标。

Cr：铬提高淬透性，改善钢的强韧性。但含量多时容易在未加保护气体HFW焊接中产生夹杂物、灰斑等缺陷，显著降低焊缝性能。因此控制铬含量在0.5％～1.0％之间。

Mo：钼提高钢的淬透性和回火稳定性，细化晶粒作用明显。还是强碳化物形成元素，弥散分布的合金碳化物对提高钢的强韧性有利。但含量高时，因价格昂贵而成本增加明显，并且容易在晶界形成粗大的碳化物，降低管材韧性。因此，本发明将其含量控制在0.10～0.30％之间。

Nb：铌能够形成C、N化合物，细化晶粒，提高钢的淬透性、强韧性；但价格高，添加过多增加成本，因而本发明控制其含量在0.03～0.15％。

Ti：提高钢的淬透性、强韧性；和C、O和N形成化合物，具有在高温热轧过程中阻止晶粒长大的作用。为达到发明的目的，Ti含量设计范围为0.02～0.1％。

Al：铝能够做为脱氧剂能提高钢的韧性和加工性。但含量过大，容易形成氧化物夹杂，降低韧性。因而将其含量控制在Al：0.001～0.003％。

Ca：钙可与硫形成硫化物，改善硫化物夹杂的形态，对提高钢的韧性非常有利。当含量≥0.003％时由于夹杂物增多，降低钢的洁净度，造成钢的韧性降低。为达到发明的目的，Ca含量设计范围为0.001～0.003％。

B：在Cr、Mo元素存在下，添加少量B可显著提高淬透性元素，提高在线淬火的工艺性。优选的B含量为0.001～0.005％。

稀土RE：加入稀土元素能改善非金属夹杂物形态、强化晶界等作用，改善焊缝质量，提高管材的腐蚀性能和韧性。为达到发明目的控制稀土RE含量为0.0002～0.001％。

制造上述高强高韧N80Q石油套管的方法，其制造步骤包括：

步骤1：冶炼、轧制

采用转炉炼钢，精炼，连铸成板坯，热轧制成卷板；

步骤2：制管

将卷板纵剪、铣边，FFX弯曲成型，HFW焊接成直缝焊管；焊后及时修整内外焊缝毛刺，毛刺余高均≤0..25mm，壁厚不均度≤4％，外径不圆度≤0.35％；

步骤3：热张力减径

采用中频感应炉加热，加热速度为30～50℃/s，将管坯加热至960～1050℃，之后进入热张力减径机轧辊机组减径，减径至所需规格管坯，同时控制张减速率，控制出口温度≥900℃；

步骤4：在线淬火

热张力减径后，控制管坯温度进入水箱前≥850℃，利用在线淬火装置对管坯进行内喷外淋；在线淬火装置采用环形喷淋环对管坯外壁进行喷淋，且喷射方向沿管坯外壁，与管坯旋转方向相反，喷水速度为200～1000立方米/小时；同时沿旋转高温管坯轴向内壁喷水，内壁喷水速度为2000～3000立方米/小时；内喷外淋时间为10～20s，最终使焊管冷却至室温；

步骤5：回火处理及矫直

在线淬火后对管坯进行回火处理，回火温度≥550℃，回火时间为60～90min；回火后对管坯进行热矫直，进矫直机的入口温度≥450℃，热矫直温度为450～600℃；

步骤6：探伤、管端车丝等后续加工

热矫直后，对管坯进行全管体无损探伤，探伤合格后进行管端车丝、接箍拧接、静水压试验、上保护环、喷标和涂漆，制成成品套管。

上述的步骤3中热张力减径采用多道次热轧的方式，热轧温度控制在900～980℃。

本发明的有益效果：

1、因添加Mo、Nb、Ti等细化晶粒尺寸和净化钢质的Ca、稀土RE等元素，卷板用钢的洁净度高和晶粒细小，组织晶粒尺寸≤5μm；结合中频感应加热、热张减工艺及热张减后快速在线淬火，使管坯热轧后细化管坯的奥氏体晶粒保存下来，获得90％以上的马氏体组织，提高了管坯的强度和韧性。

2、本发明直接利用热张减后余热进行淬火处理，采用环形喷淋环进行内喷外淋，减少热处理工序，避免了常规调质处理中高温常时保温造成奥氏体晶粒的粗大，降低了能耗和节约生产成本，提高了生产效率。

3、本发明的回火温度≥550℃，回火时间为60～90min，使球状、细小的碳化物或合金碳化物弥散分布在细小的马氏体和铁素体，减少碳化物在板条界或晶界的析出，从而提高套管管体和焊缝区域的强韧性。

4、本发明石油套管符合80ksi钢级油井管力学性能要求，屈服强度为650～758MPa，抗拉强度为≥740MPa，延伸率≥25％，横向冲击功≥150J，纵向冲击功≥180J。

具体实施方式：

结合实施实例对本发明进一步进行说明，其实施例见下表1和表2。表1为试验钢的熔炼化学成分，表2为不同化学成分下套管的力学性能及腐蚀性能。

由表1可以看出：本发明添加Nb、Ti、Mo等元素，使卷板在控制轧制和热张力减径工艺中更好将管材原奥氏体晶粒尺寸细化。

通过选择合适加热速率和加热温度的中频感应加热，以及合理轧制道次、轧制温度范围的热张力减径工艺，使Nb、Ti等微合金元素的晶粒细化作用发挥，使管坯的奥氏体晶粒进一步细化；热张力减径后管坯高温余热进行在线全管体淬火冷却可保留细化的奥氏体晶粒尺寸，获得90％以上的马氏体组织；在线淬火后进行回火，选择合适的回火温度和时间，使球状、细小的碳化物或合金碳化物弥散分布在细小的马氏体铁素体上，并减少碳化物在板条界或晶界的析出，从而提高套管管体和焊缝区域的强韧性。

由表2可以看出：采用本发明所述的化学成分和工艺，生产的高强高韧N80Q石油套管的强韧性能优异，完全能满足80ksi钢级石油套管的使用性能要求。

表1试验钢的熔炼化学成分

表2本发明套管的力学性能

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，做出的若干简单推演、替换或变换等都应当视为属于本发明所提交的权利要求书确定专利保护范围。

Claims (2)

1.一种高强高韧N80Q石油套管，其特征在于：所述石油套管化学成分的重量百分比为C：0.08～0.22％；Si：0.15～0.30％；Mn：0.8～1.5％；P：≤0.010％；S：≤0.005％；Cr：0.5～1.0％；Mo：0.10～0.30％；Al：0.005～0.01％；Nb：0.03～0.15％；Ti：0.02～0.1％；Ca：0.001～0.003％；B：0.001～0.005％；RE：0.0002～0.001％；余量为Fe和不可避免的杂质，所述石油套管的屈服强度为650～758MPa，抗拉强度为≥740MPa，延伸率≥25％，0℃横向冲击功≥150J，纵向冲击功≥180J，所述石油套管的组织晶粒尺寸≤5μm，组织晶粒90％为马氏体。

2.制造权利要求1所述的高强高韧N80Q石油套管的制造方法，其特征在于：所述制造方法的步骤包括：

步骤1：冶炼、轧制

采用转炉炼钢，精炼，连铸成板坯，热轧制成卷板；

步骤2：制管

将卷板纵剪、铣边，FFX弯曲成型，HFW焊接成直缝焊管；焊后及时修整内外焊缝毛刺，毛刺余高均≤0.25mm，壁厚不均度≤4％，外径不圆度≤0.35％；

步骤3：热张力减径

采用中频感应炉加热，加热速度为30～50℃/s，将管坯加热至960～1050℃，之后进入热张力减径机轧辊机组减径，减径至所需规格管坯，同时控制张减速率，控制出口温度≥900℃；所述热张力减径采用多道次热轧的方式，热轧温度控制在900～980℃；

步骤4：在线淬火

热张力减径后，控制管坯温度进入水箱前≥850℃，利用在线淬火装置对管坯进行内喷外淋；在线淬火装置采用环形喷淋环对管坯外壁进行喷淋，且喷射方向沿管坯外壁，与管坯旋转方向相反，喷水速度为200～1000立方米/小时；同时沿旋转高温管坯轴向内壁喷水，内壁喷水速度为2000～3000立方米/小时；内喷外淋时间为10～20s，最终使焊管冷却至室温；

步骤5：回火处理及矫直

在线淬火后对管坯进行回火处理，回火温度≥550℃，回火时间为60～90min；回火后对管坯进行热矫直，进矫直机的入口温度≥450℃，热矫直温度为450～600℃；

步骤6：探伤、管端车丝后续加工

热矫直后，对管坯进行全管体无损探伤，探伤合格后进行管端车丝、接箍拧接、静水压试验、上保护环、喷标和涂漆，制成成品套管。