CN109136786A - 非调质n80钢级石油套管及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及冶金技术领域，具体公开一种非调质N80钢级石油套管及其制备方法。所述非调质N80钢级石油套管的成分重量百分比为：C 0.28～0.32％，Si 0.25～0.40％，Mn 1.55～1.70％，P≤0.015％、S≤0.008％，Nb 0.011～0.020％，V 0.05～0.08％，Ti 0.007～0.013％，Al 0.010～0.040％，N 0.013～0.017％，Cr<0.10％，Ni≤0.10％，Cu≤0.10％，As≤0.020％，Sn≤0.020％，Pb≤0.01％，Sb≤0.01％，Bi≤0.01％，且Sn+As+Pb+Sb+Bi≤0.035％，余量为Fe。本发明通过成分调整和工艺优化，满足了N80钢级石油套管的抗拉强度、屈服强度、延伸率、冲击功的设计要求，且性能稳定，与调质工艺相比，达到了同样的质量要求，缩短了生产流程，节约了能源，制造成本低，提高了生产效率。

Description

非调质N80钢级石油套管及其制备方法
技术领域
本发明涉及冶金技术领域，尤其涉及一种非调质N80钢级石油套管及其制备方法。
背景技术
N80钢管一般为石油套管，N80石油套管是石油开采的重要器材，其主要器材还包括钻杆、岩心管和油管、钻铤及小口径钻井用钢管等。近年来，随着我国石油工业迅速发展，石油套管的市场需求逐年增多，目前我国的N80钢级石油套管需求量约为150万吨。N80钢级石油套管主要用作油气井2000～4000m深的套管柱，因此，对其综合强度、韧性和低温冲击功有严格的要求。非调质生产N80钢级管材的性能的指标主要有3个：一是强度，屈服强度要求在552～758MPa之间，抗拉强度≥689MPa；二断后延伸率要求≥16％；三是冲击功，1/2尺寸的0℃冲击功≥15J(或3/4尺寸冲击功≥22J，全尺寸冲击功≥27J)。
目前，N80钢级的石油套管有两种生产方法：一种是采用调质工艺生产N80Q；另一种是采用非调质工艺生产N80-1钢级石油套管。因调质工艺生产N80钢级石油套管时，合金成本低且性能稳定性好，因此，行业内普遍采用调质工艺来生产N80Q钢级石油套管。但是，传统调质工艺比非调质工艺多了成形后的调质工序，生产效率较低，能耗也较高，不符合绿色环保经济的要求。因此，目前国内对非调质N80-1钢级石油套管的开发正在不断扩大。但是，目前非调质工艺生产的N80-1石油套管的性能稳定性较差，但是断后延伸率和低温冲击性较差，不能满足N80钢级石油套管高强度和冲击韧性相匹配的要求。
发明内容
针对现有非调质N80-1钢级石油套管不能满足高强度和冲击韧性相匹配要求的问题，本发明提供一种非调质N80钢级石油套管及其制备方法。
为解决上述技术问题，本发明实施例提供的技术方案是：
一种非调质N80钢级石油套管，其成分重量百分比为：C 0.28～0.32％，Si 0.25～0.40％，Mn 1.55～1.70％，P≤0.015％、S≤0.008％，Nb 0.011～0.020％，V 0.05～0.08％，Ti 0.007～0.013％，Al 0.010～0.040％，N 0.013～0.017％，Cr&lt;0.10％，Ni≤0.10％，Cu≤0.10％，As≤0.020％，Sn≤0.020％，Pb≤0.01％，Sb≤0.01％，Bi≤0.01％，且Sn+As+Pb+Sb+Bi≤0.035％，余量为Fe。
本发明的成分设计中，严格控制C、Si、Mn、Nb、V、N、Ti等元素的含量，通过控制C含量为0.28～0.32％，可以提高铁素体的比例，铁素体的体积分数达到48～55％，有效提高了N80钢级石油套管的低温冲击性；通过加入Mn、Si元素，并将其含量控制在较高的范围，可弥补因碳含量较低造成的N80钢级石油套管强度的降低的缺陷；加入具有较强细化晶粒和析出强化作用的Ti、Nb、V、N元素，提高N80钢级石油套管的强度和低温冲击功；加入N元素，提高V的析出强化作用，使在较低V含量的条件下，仍具有较强的析出强化的作用；加入Al元素作为合金元素和脱氧元素，可进一步提高N80钢级石油套管的强度和低温冲击性。上述各成分以特定比例相互配和，能较好的满足在生产非调质N80钢级石油套管中对高强度和冲击韧性相匹配的要求。
各元素的作用及配比依据如下：
C是钢中最重要的组成元素，也是决定碳钢凝固后金相组织和性能的主要元素。在非调质条件下，碳含量较低，可提高金相组织中铁素体的含量，从而提高管材的低温冲击性，但是碳是有效提高管材强度的元素，碳含量较高，可有效提高管材的抗拉强度和屈服强度，为了兼顾管材的强度和低温冲击性，本发明中将C含量设计为0.28～0.32％。
Si是能固溶于铁素体中起到固溶强化的作用的元素，Si还能提高钢中铁素体的比例，但Si含量过高，会使钢材的屈强比提高，但是同时会促进点状碳化物的析出，对钢材的冲击功不利，综合考虑Si的固溶强化和对管材韧性的影响，将Si的含量设计为0.25～0.40％。
Mn能有效提高钢种的强度和韧性，但是Mn含量过高会造成加剧Mn在钢中的偏析，形成严重的带状组织，对横向或管材厚度方向的冲击功不利，因此将Mn的含量设计为1.55～1.70％。本发明中将Si的含量设计为0.25～0.40％，Mn的含量设计为1.55～1.70％，既补偿了由于碳含量较低造成的钢材强度的降低，又提高了钢材的低温冲击性。
P是容易引起钢冷脆的化学元素和S是容易引起钢热脆的化学元素，会降低钢的塑性和耐延迟断裂性能，因此，将P的含量控制在0.015％以下，将S的含量控制在0.008％以下，且越低越好。
Nb、V、Ti具有较强析出强化和细化晶粒作用，析出强化作用提高了管材的强度，而细化晶粒不仅提高了管材的强度，同时还提高了钢材的冲击功。在非调质条件下，仅将C、Si、Mn控制在上述合理的范围内，还不能使钢材的强度达到N80钢级的要求，因此本发明选择加入Nb、V、Ti合金元素提高刚才的强度和冲击功。但是Nb、V合金的价格昂贵，为了降低成本，减少Nb、V合金的用量，本发明加入了适量的N元素提高V的析出强化效果。
在过饱和N含量的条件下，本发明中的Ti元素会以高度弥散的TiN的形式优先析出，不仅可以起到细化铸坯的晶粒度的作用，析出的细小的TiN颗粒还能作为Nb(N，C)和V(N，C)析出的核心，从而促进Nb(N，C)和V(N，C)析出，在相同Nb、V含量的条件下，提高了Nb(N，C)和V(N，C)的析出量，因此，在较低的Nb、V含量的条件下，仍然能起到细晶强化和析出强化的双重作用，同时有利于提高管材的强度和冲击功，有效降低了生产成本。综合考虑，本发明将Nb含量控制为0.011～0.020％，V含量控制为0.05～0.08％，Ti含量控制为0.007～0.013％，N含量控制为0.013～0.017％。
Al在钢中易于形成细小的AlN颗粒阻碍奥氏体晶粒粗大化，但过高的Al将导致钢中出现大量的AlN，而减少VN的含量，所以本发明中将Al含量控制为0.010～0.040％。
Cr，Ni，Cu，As，Sn，Pb，Sb，Bi为原料中的残余元素，含量越低越好，控制其元素含量分别为Cr&lt;0.10％，Ni≤0.10％，Cu≤0.10％，As≤0.020％，Sn≤0.020％，Pb≤0.01％，Sb≤0.01％，Bi≤0.01％，可使这几种元素不影响钢材的性能。
将钢中有害元素Sn+As+Pb+Sb+Bi的控制在≤0.035％，可避免石油套管在使用过程中发生脆裂。
优选的，所述非调质N80钢级石油套管的微观组织为铁素体和珠光体。
优选的，所述铁素体的体积百分数为48～55％。
通过将C元素控制在较低的含量范围内，可以提高铁素体的含量，
优选的，所述N80钢级石油套管的规格为Φ139.7mm×7.72mm。
本发明还提供了上述非调质N80钢级石油套管的制备方法，包括如下步骤：
步骤一、以废钢为原料，经电弧炉熔炼、LF精炼、连铸处理后，得连铸圆坯；
步骤二、将所述连铸圆坯经环形炉加热处理以后，进行穿孔，得到毛管；
步骤三、将所述毛管进行轧制，得到荒管；
步骤四、将所述荒管经微张力减径，冷却处理后，矫直，得N80钢级石油管。
优选的，步骤一中，所述连铸圆坯的规格为Φ180mm。
优选的连铸圆坯的规格有利于后续的穿孔和轧制工序的进行，保证较高的轧制延伸率和减径量。
优选的，步骤二中，按照连铸圆坯输送方向将所述环形加热炉依次分为预热段、加热段和均热段，各段分别进行温度控制；
所述预热段的温度控制为650～750℃；
所述加热段按照连铸圆坯输送方向分为3个温区，并分别进行温度控制，所述加热段的第一个加热区的温度控制为1100～1160℃，所述加热段的第二个加热区的温度控制为1230～1260℃，所述加热段的第三个加热区的温度控制为1230～1270℃；
所述均热段的温度控制为1230～1270℃。
优选的环形加热炉的温度控制，可以避免升温过快，使连铸圆坯产生裂纹，同时碳元素在高温下发生均匀扩散，使钢坯中的Nb(C、N)、V(C、N)充分溶解于奥氏体中，呈弥散分布，改善了连铸圆坯的内部组织，便于后续进行穿孔和轧制。
优选的，步骤三中，轧制温度为1030～1130℃，轧制延伸率≥7。
优选的轧制温度及轧制延伸率，可以抑制奥氏体晶粒长大及晶体缺陷增多，从而使奥氏体有效晶界面积增加，铁素体形核点增多及相变后铁素体量增加，晶粒更加细小均匀，充分细化奥氏体晶粒，同时使铁素体晶粒充分细化，从而提高石油套管韧性。
优选的，步骤四中，微张力减径处理中，荒管进张减机的温度为830～880℃，定径时减径量≥25％。
优选的减径温度和大的减径量有利于晶粒的破碎细化，获得均匀细小的晶粒，从而提高钢材的强度和韧性。
优选的，步骤四中，冷却处理中，钢管温度为830～700℃时，采用快速冷却的方式，冷却速度为3～5℃/s，当钢管温度降至700～500℃时，采用缓慢冷却的方式，冷却速度为0.5～1℃/s，钢管温度降至500℃以下，采用空冷的方式冷却至室温。
当钢管的温度为830～700℃时，采用快速冷却的方式，控制冷却速度为3～5℃/s，可避免晶粒长大过快而使塑性降低问题的出现，同时，当冷却速度3℃/s时，能使钢中的C、N及V微合金元素过饱和度增大，有利于细小的第二相粒子的快速析出，提高铁素体的含量；当钢管温度降至700～500℃时，采用缓慢冷却的方式，控制冷却速度为0.5～1℃/s，有利于第二相粒子的充分析出，提高第二相粒子的数量，提高V(C、N)和Nb(C、N)的强化效果。
本发明提供的非调质N80钢级石油套管的制备方法，通过调整钢坯加热温度，使合金元素充分奥氏体化，同时避免晶粒过度长大；通过控制轧制温度，使奥氏体晶粒完成充分再结晶细化，提高材料的韧性；通过合理控制轧制参数，保证良好的表面质量和心部组织；通过控制不同的冷却速度，延长奥氏体向铁素体的转变时间，促进铁素体形核及长大，提高铁素体含量比例，提高V(C、N)和Nb(C、N)的强化效果。本发明通过成分调整和工艺优化，满足了N80钢级石油套管的抗拉强度、屈服强度、延伸率、冲击功的设计要求，且性能稳定，与调质工艺相比，达到了同样的质量要求，缩短了生产流程，节约了能源，制造成本低，提高了生产效率。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
为了更好的说明本发明，下面通过实施例做进一步的举例说明。
实施例1
本发明实施例提供一种非调质N80钢级石油套管，其化学成分为：
C 0.28％，Si 0.32％，Mn 1.55％，P 0.006％，S 0.004％，Nb 0.016％，V 0.05％，Ti 0.013％，Al 0.040％，N 0.015％，Cr 0.05％，Ni 0.03％，Cu 0.01％，As 0.020％，Sn0.005％，Pb 0.002％，Sb 0.004％，Bi 0.001％，余量为Fe。
上述非调质N80钢级石油套管的制备步骤如下：
步骤一、以废钢为原料，经电弧炉熔炼、LF精炼、连铸处理后，得规格为Φ180mm的连铸圆坯；
步骤二、将所述连铸圆坯经环形炉加热处理以后，进行穿孔，得到毛管；
加热炉的炉温为：预热段温度为700℃，加热段的第一个加热区的温度为1130℃，加热段的第二个加热区的温度为1260℃，加热段的第一个加热区的温度为1270℃，均热段的温度为1270℃。
步骤三、将所述毛管进行连续轧制，轧制温度为1030℃，连轧钢管变形量为8.5，得到荒管；
步骤四、将所述荒管加热至865℃，经张减机变形后减径量为30％，冷却处理后，矫直，得规格为Φ139.7mm×7.72mm的N80钢级石油管；
所述冷却处理过程为：钢管温度为830～700℃时，采用快速冷却的方式，冷却速度为3℃/s，当钢管温度降至700～500℃时，采用缓慢冷却的方式，冷却速度为0.5℃/s，钢管温度降至500℃以下，采用空冷的方式冷却至室温。
实施例2
本发明实施例提供一种非调质N80钢级石油套管，其化学成分为：
C 0.30％，Si 0.40％，Mn 1.70％，P 0.015％，S 0.005％，Nb 0.011％，V 0.06％，Ti 0.007％，Al 0.025％，N 0.013％，Cr 0.08％，Ni 0.10％，Cu 0.06％，As 0.002％，Sn0.02％，Pb 0.001％，Sb 0.01％，Bi 0.002％，余量为Fe。
上述非调质N80钢级石油套管的制备步骤如下：
步骤一、以废钢为原料，经电弧炉熔炼、LF精炼、连铸处理后，得规格为Φ180mm的连铸圆坯；
步骤二、将所述连铸圆坯经环形炉加热处理以后，进行穿孔，得到毛管；
加热炉的炉温为：预热段温度为650℃，加热段的第一个加热区的温度为1160℃，加热段的第二个加热区的温度为1230℃，加热段的第一个加热区的温度为1230℃，均热段的温度为1230℃。
步骤三、将所述毛管进行连续轧制，轧制温度为1085℃，连轧钢管变形量为7.0，得到荒管；
步骤四、将所述荒管加热至880℃，经张减机变形后减径量为28％，冷却处理后，矫直，得规格为Φ139.7mm×7.72mm的N80钢级石油管；
所述冷却处理过程为：钢管温度为830～700℃时，采用快速冷却的方式，冷却速度为4.5℃/s，当钢管温度降至700～500℃时，采用缓慢冷却的方式，冷却速度为0.7℃/s，钢管温度降至500℃以下，采用空冷的方式冷却至室温。
实施例3
本发明实施例提供一种非调质N80钢级石油套管，其化学成分为：
C 0.32％，Si 0.25％，Mn 1.63％，P 0.002％，S 0.008％，Nb 0.020％，V 0.08％，Ti 0.010％，Al 0.010％，N 0.017％，Cr 0.02％，Ni 0.04％，Cu 0.10％，As 0.006％，Sn0.003％，Pb 0.01％，Sb 0.002％，Bi 0.01％，余量为Fe。
上述非调质N80钢级石油套管的制备步骤如下：
步骤一、以废钢为原料，经电弧炉熔炼、LF精炼、连铸处理后，得规格为Φ180mm的连铸圆坯；
步骤二、将所述连铸圆坯经环形炉加热处理以后，进行穿孔，得到毛管；
加热炉的炉温为：预热段温度为750℃，加热段的第一个加热区的温度为1100℃，加热段的第二个加热区的温度为1245℃，加热段的第一个加热区的温度为1260℃，均热段的温度为1260℃。
步骤三、将所述毛管进行连续轧制，轧制温度为1130℃，连轧钢管变形量为7.5，得到荒管；
步骤四、将所述荒管加热至830℃，经张减机变形后减径量为25％，冷却处理后，矫直，得规格为Φ139.7mm×7.72mm的N80钢级石油管；
所述冷却处理过程为：钢管温度为830～700℃时，采用快速冷却的方式，冷却速度为5℃/s，当钢管温度降至700～500℃时，采用缓慢冷却的方式，冷却速度为1.0℃/s，钢管温度降至500℃以下，采用空冷的方式冷却至室温。
对比例1
本发明实施例提供一种非调质N80钢级石油套管，其化学成分为：
C 0.35％，Si 0.33％，Mn 1.42％，P 0.002％，S 0.008％，Nb 0.008％，V 0.08％，Ti 0.008％，Al 0.047％，N 0.013％，Cr 0.02％，Ni 0.04％，Cu 0.10％，As 0.006％，Sn0.003％，Pb 0.01％，Sb 0.002％，Bi 0.01％，余量为Fe。
上述非调质N80钢级石油套管的制备步骤及工艺参数与实施例3相同，成品的规格为Φ139.7mm×7.72mm，此处不再赘述。
按照API 5CT的标准要求从实施例制得的N80钢级石油套管中取样分析其屈服强度、抗拉强度、纵向冲击功，其统计分析结果分别如表1所示。
表1实施例制备的N80钢级石油套管的性能测试结果
检测项目 样本数 最小值 最大值 平均值 标准差
抗拉强度Rm/MPa 50 822 857 843 8.8
屈服强度Rel/Mpa 50 574 613 597 10.3
断后伸长率A/％ 50 21 28 24 1.0
0℃纵向冲A<sub>kv</sub>/JCT 50 24 36 31 4.4
注：冲击试样尺寸为：LV5*10*55mm
将对比例1制备的N80钢级石油套管中取样分析其屈服强度、抗拉强度、纵向冲击功，其统计分析结果分别如表2所示。
表2对比例1制备的N80钢级石油套管的性能测试结果
注：冲击功试样尺寸为：LV5*10*55mm
本发明实施例制得的石油套管的综合性能明显优于对比例制备的石油套管，本发明实施例制备石油套管的屈服强度为574～613MPa、抗拉强度为822～857MPa、0℃纵向冲击功为24～36J，断后延伸率为21～28％；其中屈服强度平均值为597MPa、标准差为8.8MPa，抗拉强度平均值为843MPa、标准差为10.3MPa，1/2尺寸的0℃纵向冲击功平均值为31J、标准差为4.4J，断后延伸率平均值为24％，标准差为1.0。说明实施例制备的N80钢级石油套管的性能稳定性好，且综合强度和韧性均较好。
本方法通过成分及工艺优化，使所制备的非调质N80钢级石油套管具有较高的强度和冲击韧性，生产过程节能环保，生产效率高，与调质工艺相比生产成本可降低约500～600人民币/吨，有效提高国内企业的市场竞争力，具有广阔的应用前景。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种非调质N80钢级石油套管，其特征在于，其成分重量百分比为：C0.28～0.32％，Si 0.25～0.40％，Mn 1.55～1.70％，P≤0.015％、S≤0.008％，Nb0.011～0.020％，V 0.05～0.08％，Ti 0.007～0.013％，Al 0.010～0.040％，N0.013～0.017％，Cr&lt;0.10％，Ni≤0.10％，Cu≤0.10％，As≤0.020％，Sn≤0.020％，Pb≤0.01％，Sb≤0.01％，Bi≤0.01％，且Sn+As+Pb+Sb+Bi≤0.035％，余量为Fe。
2.如权利要求1所述的非调质N80钢级石油套管，其特征在于，其微观组织为铁素体和珠光体。
3.如权利要求2所述的非调质N80钢级石油套管，其特征在于，所述铁素体的体积百分数为48～55％。
4.如权利要求2所述的非调质N80钢级石油套管，其特征在于，所述N80钢级石油套管的规格为Φ139.7mm×7.72mm。
5.如权利要求1-4任一项所述的非调质N80钢级石油套管的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、以废钢为原料，经电弧炉熔炼、LF精炼、连铸处理后，得连铸圆坯；
步骤二、将所述连铸圆坯经环形炉加热处理以后，进行穿孔，得到毛管；
步骤三、将所述毛管进行轧制，得到荒管；
步骤四、将所述荒管经微张力减径，冷却处理后，矫直，得N80钢级石油管。
6.如权利要求5所述的非调质N80钢级石油套管的制备方法，其特征在于，步骤一中，所述连铸圆坯的规格为Φ180mm。
7.如权利要求5所述的非调质N80钢级石油套管的制备方法，其特征在于，步骤二中，按照连铸圆坯输送方向将所述环形加热炉依次分为预热段、加热段和均热段，各段分别进行温度控制；
所述预热段的温度控制为650～750℃；
所述加热段按照连铸圆坯输送方向分为3个温区，并分别进行温度控制，所述加热段的第一个加热区的温度控制为1100～1160℃，所述加热段的第二个加热区的温度控制为1230～1260℃，所述加热段的第三个加热区的温度控制为1230～1270℃；
所述均热段的温度控制为1230～1270℃。
8.如权利要求5所述的非调质N80钢级石油套管的制备方法，其特征在于，步骤三中，轧制温度为1030～1130℃，轧制延伸率≥7。
9.如权利要求5所述的非调质N80钢级石油套管的制备方法，其特征在于，步骤四中，微张力减径处理中，荒管进张减机的温度为830～880℃，定径时减径量≥25％。
10.如权利要求5所述的非调质N80钢级石油套管的制备方法，其特征在于，步骤四中，冷却处理中，钢管温度为830～700℃时，采用快速冷却的方式，冷却速度为3～5℃/s，当钢管温度降至700～500℃时，采用缓慢冷却的方式，冷却速度为0.5～1℃/s，钢管温度降至500℃以下，采用空冷的方式冷却至室温。
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