CN109457178A - 合金钢、无缝钢管及其制作方法、钻井隔水管 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种合金钢、无缝钢管及其制作方法、钻井隔水管，其中，按照重量百分比计算，合金钢包括：Fe、C、Si、Mn、Cr、Mo、Ni、Nb、P、S和Al；其中，各组分的含量为：0.06％≤C≤0.12％，0.20％≤Si≤0.50％，1.30％≤Mn≤1.60％，0.10％≤Cr≤0.50％，0.10％≤Mo≤0.50，0.15％≤Ni≤0.30％，0.01％≤Nb≤0.05％，0.010％≤Al≤0.040％，P≤0.015％，S≤0.003％。本发明的技术方案有效地解决了现有技术中的合金钢材料无法满足钻井隔水管的生产需求的问题。
Description
技术领域
本发明涉及管道生产加工技术领域，具体而言，涉及一种合金钢、无缝钢管及其制作方法、钻井隔水管。
背景技术
随着陆上石油和天然气资源的不断开采，油气勘探与开发正朝着海洋方向进行拓展，而海洋油气的勘探与开发就必须使用到钻井隔水管。
海洋钻井隔水管是海上石油勘探与开发的重要工具，是连接海洋平台或钻井船与海底井口的重要部分，主要起隔离海水和支撑各种控制管线的作用，是影响整个海洋钻井***安全性的关键环节。海洋钻井隔水管的服役条件恶劣，需要承受非常高的外部海水压力、海底洋流、涡激震动、周期扭转、旋转弯曲等复杂多变的应力和载荷，因此海洋钻井隔水管的技术指标要求非常苛刻，不仅要求具有较高的拉伸性能、优异的低温韧性、抗挤毁性能和抗疲劳性能，而且对钢管的几何尺寸精度提出了非常高的要求，是一种具有高技术难度、高风险的石油钻采装备。传统的合金钢材料无法满足钻井隔水管的生产需求。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种合金钢、无缝钢管及其制作方法、钻井隔水管，以解决现有技术中的合金钢材料无法满足钻井隔水管的生产需求的问题。
为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种合金钢，按照重量百分比计算，合金钢包括：Fe、C、Si、Mn、Cr、Mo、Ni、Nb、P、S和Al；其中，各组分的含量为：0.06％≤C≤0.12％，0.20％≤Si≤0.50％，1.30％≤Mn≤1.60％，0.10％≤Cr≤0.50％，0.10％≤Mo≤0.50，0.15％≤Ni≤0.30％，0.01％≤Nb≤0.05％，0.010％≤Al≤0.040％，P≤0.015％，S≤0.003％。
进一步地，合金钢中的Cr的含量为：0.20％≤Cr≤0.40％。
进一步地，合金钢中的Mo的含量为：0.20％≤Mo≤0.40％。
根据本发明的另一方面，提供了一种无缝钢管，无缝钢管采用合金钢制成，合金钢为上述的合金钢。
根据本发明的另一方面，提供了一种无缝钢管的其制作方法，无缝钢管为上述的无缝钢管，其制作方法的步骤包括：将合金钢进行冶炼以得到坯料；对坯料依次进行加热、穿孔、轧制得到预管坯；对预管坯进行热扩得到荒管；对荒管进行冷拔得到预制钢管；对预制钢管进行热处理得到无缝钢管。
进一步地，合金钢进的冶炼步骤包括：对合金钢的原材料进行电炉冶炼，并得到初坯；对初坯进行炉外精炼，以得到精坯；对精坯进行真空脱气并进行弧形连铸，以得到坯料。
进一步地，精坯采用弧形连铸机进行弧形连铸；弧形连铸机包括结晶器，结晶器在弧形连铸的过程中，结晶器控制的拉坯速度在0.4m/min～0.6m/min之间，结晶器的振动频率在160opm～220opm之间，结晶器的振幅在2mm～5mm之间，控制结晶器的偏移量调整范围在12％～28％之间。
进一步地，预管坯的制作步骤包括：将坯料加热至1240℃～1260℃，并保温3h～3.5h，以得到热坯料；将热坯料在1130℃～1200℃下进行锥形穿孔，以得到毛管；将毛管进行轧管，以得到预管坯。
进一步地，坯料的加热过程依次包括预热段加热、加热I段加热、加热II段加热、加热III段加热、均热I段以及均热II段；其中，坯料加热成热坯料的加热时间大于或等于10h，预热段加热将坯料的温度加热到970℃～990℃，加热I段加热将坯料的温度加热到1090℃～1110℃，加热II段加热将坯料的温度加热到1170℃～1190℃，加热III段加热将坯料的温度加热到1220℃～1260℃，均热I段和均热II段的温度保持在1240～1260℃，在均热I段和均热II段保温3h～3.5h后，得到热坯料。
进一步地，坯料到预管坯的加工过程中，毛管采用周期式轧管机组进行轧管，在轧管过程中，控制毛管的喂入量在50mm～80mm之间，并控制轧管机组的轧辊转速在25rpm～60rpm之间，同时控制轧辊的风压在5.5bar～7bar之间。
进一步地，预管坯到荒管的加工过程包括：将预管坯的部分采用中频感应加热至810℃～850℃，以得到热管坯；将热管坯以每分钟60mm～80mm的前进速度进行热扩，以得到荒管。
进一步地，荒管到预制钢管的加工过程包括：将荒管放入盛有盐酸溶液的酸洗槽内进行酸洗，盐酸溶液的质量浓度控制在10％～20％之间，酸洗时间控制在60min～100min之间，得到酸洗后的荒管；将酸洗后的荒管使用磷酸锌溶液进行外表面磷化处理，以生成磷酸锌的化学覆膜，磷酸锌溶液的质量浓度控制在30％～35％之间，磷酸锌溶液的温度控制在60℃～70℃之间，酸洗后的荒管磷化时间控制在30min～50min之间，以得到磷化后的荒管；将磷化后的荒管通过皂化液进行皂化处理，使其表面形成金属皂润滑覆膜，皂化过程中的温度控制在60℃～80℃之间，皂化的时间控制在20min～35min之间，皂化液PH值控制在8.5～9.5之间，得到皂化后的荒管；将皂化后的荒管通过拉拔机进行冷拔工序，拉拔机最大拉拔力600吨，冷拔机的冷拔速度在0.85m/min～1.0m/min之间，得到预制钢管。
进一步地，对预制钢管进行热处理得到无缝钢管的过程包括：对预制钢管进行淬火，淬火的温度为920℃～940℃，并保温100min～120min后冷却；对冷却后的预制钢管进行回火，回火的温度为660℃～680℃，并保温120min～150min后空冷，以得到无缝钢管。
根据本发明的另一方面，提供了一种钻井隔水管，包括无缝钢管，无缝钢管为上述的制作方法制作得到的无缝钢管。
应用本发明的技术方案，该合金钢中，控制C的含量在0.06％～0.12％之间，能提高钢管的强度，改善钢管的焊接性能。C含量过高，对钢的韧性不利，增加钢的冷脆性和时效敏感性；C含量过低，会降低钢的力学性能；Si元素的含量控制在0.20％～0.50％之间，既能实现脱除原料中氧的作用又能够抑制δ铁素体结晶，进而提高无缝钢管的韧性，Si含量过高会促进回火脆性的发展，使塑性降低；Mn含量控制在1.30％～1.60％之间，既能提高原料的淬透性和热加工性能，稳定奥氏体组织，又不会因为Mn含量过高使得无缝钢管的耐腐蚀性能下降扩大γ相区的奥氏体；Cr含量控制在0.10％～0.50％，与Mn元素相互配合，既能提高原料的淬透性，在回火时Cr的碳化物较难溶解，在短时间加热下有阻碍晶粒长大作用，提高钢的回火稳定性；Mo含量控制在0.10％～0.50％之间，通过其相变强化和固溶强化的性能提升无缝钢管的强度和韧性，同时可以降低回火脆性，但Mo含量过高会导致铁素体δ相或其它脆性相的出现而使韧性降低；Ni作为贵金属元素其成本较高，Ni含量控制在0.15％～0.30％之间，在合理控制成本的基础上能大幅度地提高原料的淬透性，进而提高无缝钢管的强度；Nb含量控制在0.01％～0.05％之间，能够抑制钢管热处理过程中晶粒粗大化，并且能够抑制粗大的碳氮化物发生析出，进而优化钢管的韧性；同时，Al含量控制在0.01％～0.04％之间。Al是钢良好的脱氧剂，可生成高度细碎的、超显微的氧化物，分散于钢体积中阻止钢加热时的晶粒长大，并且使其含量在0.04％以下能有效地避免夹杂物以团状出现使得无缝钢管的韧性降低并出现表面缺陷。S与P均为有害元素，其含量要严格控制，P含量控制在0.015％以下，S含量控制在0.003％以下，较少的P和S可降低钢中的夹杂物，提高钢的纯净度，进一步提高钢的韧性。该原料形成的无缝钢管不仅具有较高的屈服强度和抗拉强度，还具有较好的低温韧性和尺寸精度。本发明的技术方案有效地解决了现有技术中的合金钢材料无法满足钻井隔水管的生产需求的问题。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1示出了根据本发明的无缝钢管的制作方法的流程图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
实施例一
实施例一中的一种合金钢，按照重量百分比计算，合金钢包括：Fe、C、Si、Mn、Cr、Mo、Ni、Nb、P、S和Al。其中，各组分的含量为：0.06％≤C≤0.12％，0.20％≤Si≤0.50％，1.30％≤Mn≤1.60％，0.10％≤Cr≤0.50％，0.10％≤Mo≤0.50，0.15％≤Ni≤0.30％，0.01％≤Nb≤0.05％，0.010％≤Al≤0.040％，P≤0.015％，S≤0.003％。
应用实施例一的技术方案，该合金钢中，控制C的含量在0.06％～0.12％之间，能提高钢管的强度，改善钢管的焊接性能。C含量过高，对钢的韧性不利，增加钢的冷脆性和时效敏感性；C含量过低，会降低钢的力学性能；Si元素的含量控制在0.20％～0.50％之间，既能实现脱除原料中氧的作用又能够抑制δ铁素体结晶，进而提高无缝钢管的韧性，Si含量过高会促进回火脆性的发展，使塑性降低；Mn含量控制在1.30％～1.60％之间，既能提高原料的淬透性和热加工性能，稳定奥氏体组织，又不会因为Mn含量过高使得无缝钢管的耐腐蚀性能下降扩大γ相区的奥氏体；Cr含量控制在0.10％～0.50％，与Mn元素相互配合，既能提高原料的淬透性，在回火时Cr的碳化物较难溶解，在短时间加热下有阻碍晶粒长大作用，提高钢的回火稳定性；Mo含量控制在0.10％～0.50％之间，通过其相变强化和固溶强化的性能提升无缝钢管的强度和韧性，同时可以降低回火脆性，但Mo含量过高会导致铁素体δ相或其它脆性相的出现而使韧性降低；Ni作为贵金属元素其成本较高，Ni含量控制在0.15％～0.30％之间，在合理控制成本的基础上能大幅度地提高原料的淬透性，进而提高无缝钢管的强度；Nb含量控制在0.01％～0.05％之间，能够抑制钢管热处理过程中晶粒粗大化，并且能够抑制粗大的碳氮化物发生析出，进而优化钢管的韧性；同时，Al含量控制在0.01％～0.04％之间。Al是钢良好的脱氧剂，可生成高度细碎的、超显微的氧化物，分散于钢体积中阻止钢加热时的晶粒长大，并且使其含量在0.04％以下能有效地避免夹杂物以团状出现使得无缝钢管的韧性降低并出现表面缺陷。S与P均为有害元素，其含量要严格控制，P含量控制在0.015％以下，S含量控制在0.003％以下，较少的P和S可降低钢中的夹杂物，提高钢的纯净度，进一步提高钢的韧性。该原料形成的无缝钢管不仅具有较高的屈服强度和抗拉强度，还具有较好的低温韧性和尺寸精度。实施例一的技术方案有效地解决了现有技术中的合金钢材料无法满足钻井隔水管的生产需求的问题。
在实施例一的技术方案中，合金钢中的Cr的含量为：0.20％≤Cr≤0.40％。Cr含量控制在0.20％～0.40％，可以进一步与Mn元素相互配合，进而进一步提高原料的淬透性；并且在回火时Cr的碳化物较难溶解，在短时间加热下有阻碍晶粒长大作用，可以进一步提高钢的回火稳定性。
在实施例一的技术方案中，合金钢中的Mo的含量为：0.20％≤Mo≤0.40％。Mo含量控制在0.20％≤Mo≤0.40％之间，通过其相变强化和固溶强化的性能进一步提升无缝钢管的强度和低温韧性，同时可以进一步降低回火脆性。同时可以防止Mo含量过高而导致的铁素体δ相或其它脆性相的出现而使韧性降低的情况。
实施例一中的一种无缝钢管，无缝钢管采用合金钢制成，合金钢为上述的合金钢。上述合金钢形成的无缝钢管不仅具有较高的屈服强度和抗拉强度，还具有较好的低温韧性和尺寸精度，以保证无缝钢管在恶劣环境下正常使用。
实施例一还提供了一种无缝钢管的其制作方法，无缝钢管为上述的无缝钢管，其制作方法的步骤包括：
将合金钢进行冶炼以得到坯料。
对坯料依次进行加热、穿孔、轧制得到预管坯。
对预管坯进行热扩得到荒管。
对荒管进行冷拔得到预制钢管。
对预制钢管进行热处理得到无缝钢管。
采用上述的制作方法制作得到的大口径无缝钢管，不仅具有较高的屈服强度和抗拉强度，还具有较好的低温韧性和尺寸精度。上述预制钢管为高尺寸精度钢管，具体地，其外径偏差较低，实验证明偏差可达到±1.0mm，壁厚偏差较低，实验证明偏差可达到±2.0mm，屈服强度可达到555MPa以上，抗拉强度可达到625MPa以上，-20℃夏比V型横向全尺寸冲击功可达到150J以上，剪切比达到85％以上，各项性能均能满足钻井隔水管的使用要求，尤其是可以达到海洋钻井隔水管的使用要求，实现了材料高强度、高韧性和高尺寸精度的优良匹配。
值得注意的是，为了进一步节约无缝钢管的制造成本并得到具有预定化学成分的原料，优选上述原料的配料包括铁水、废钢、铁合金和铝中的多种。其中铁合金以及铝丝可以在冶炼过程中加入，不仅能够补充原料中的化学成分，铝丝加到钢中将与氧发生反应生成Al2O3，在出钢、镇静和浇铸时生成的Al2O3大部分上浮排除，实现脱氧目的。
值得注意的是，本实施例中的荒管指的就是管坯，由预管坯热扩成型。
如图1所示，在实施例一的技术方案中，合金钢进的冶炼步骤包括：
对合金钢的原材料进行电炉冶炼，并得到初坯。
对初坯进行炉外精炼，以得到精坯。
对精坯进行真空脱气并进行弧形连铸，以得到坯料。
上述方法得到的胚料具有较好的淬透性。
如图1所示，在实施例一的技术方案中，精坯采用弧形连铸机进行弧形连铸。弧形连铸机包括结晶器，结晶器在弧形连铸的过程中，结晶器控制的拉坯速度在0.4m/min～0.6m/min之间，结晶器的振动频率在160opm～220opm之间，结晶器的振幅在2mm～5mm之间，控制结晶器的偏移量调整范围在12％～28％之间。在弧形连铸过程中，结晶器以上述的频率振动使得钢水中的夹渣及气泡上浮，减少坯料表面夹渣、气孔、裂纹，而且采用振动装置将坯料的坯壳和结晶器内壁分离，既能保证坯壳在振动的状态下与管壁持续分离，又控制振动频率和振幅，保证了分离的稳定型，避免了在振动过程中坯壳产生粘结，进而造成圆管坯表面裂纹的产生。
如图1所示，在实施例一的技术方案中，预管坯的制作步骤包括：
将坯料加热至1240℃～1260℃，并保温3h～3.5h，以得到热坯料。
将热坯料在1130℃～1200℃下进行锥形穿孔，以得到毛管。
将毛管进行轧管，以得到预管坯。
上述方法的坯料加热后其内部组织更为均匀，并且在1130℃～1200℃下进行热穿孔配合对穿孔工艺参数的控制得到管径均匀、力学性能均一的毛管，进而保证了以该毛管得到的荒管的质量。
如图1所示，在实施例一的技术方案中，坯料的加热过程依次包括预热段加热、加热I段加热、加热II段加热、加热III段加热、均热I段以及均热II段。其中，坯料加热成热坯料的加热时间大于或等于10h，预热段加热将坯料的温度加热到970℃～990℃，加热I段加热将坯料的温度加热到1090℃～1110℃，加热II段加热将坯料的温度加热到1170℃～1190℃，加热III段加热将坯料的温度加热到1220℃～1260℃，均热I段和均热II段的温度保持在1240～1260℃，在均热I段和均热II段保温3h～3.5h后，得到热坯料。
上述方法可以使坯料逐步升高到均热温度，从而进一步避免了升温速度过快造成热坯中产生裂纹的缺陷。
如图1所示，在实施例一的技术方案中，坯料到预管坯的加工过程中，毛管采用周期式轧管机组进行轧管，在轧管过程中，控制毛管的喂入量在50mm～80mm之间，并控制轧管机组的轧辊转速在25rpm～60rpm之间，同时控制轧辊的风压在5.5bar～7bar之间。周期式轧管机组优选Pilger周期式轧管机组。Pilger周期式轧管机组具有锻造性质，使毛管处于三向压应力的轧制状态，从而提升毛管的金属致密性，进一步实现了改善无缝钢管内部微观组织的目的。
如图1所示，在实施例一的技术方案中，预管坯到荒管的加工过程包括：
将预管坯的部分采用中频感应加热至810℃～850℃，以得到热管坯。
将热管坯以每分钟60mm～80mm的前进速度进行热扩，以得到荒管。
上述加工方法可以得到精度更高的荒管。
如图1所示，在实施例一的技术方案中，荒管到预制钢管的加工过程包括：
将荒管放入盛有盐酸溶液的酸洗槽内进行酸洗，盐酸溶液的质量浓度控制在10％～20％之间，酸洗时间控制在60min～100min之间，得到酸洗后的荒管。
将酸洗后的荒管使用磷酸锌溶液进行外表面磷化处理，以生成磷酸锌的化学覆膜，磷酸锌溶液的质量浓度控制在30％～35％之间，磷酸锌溶液的温度控制在60℃～70℃之间，酸洗后的荒管磷化时间控制在30min～50min之间，以得到磷化后的荒管。
将磷化后的荒管通过皂化液进行皂化处理，使其表面形成金属皂润滑覆膜，皂化过程中的温度控制在60℃～80℃之间，皂化的时间控制在20min～35min之间，皂化液PH值控制在8.5～9.5之间，得到皂化后的荒管。
将皂化后的荒管通过拉拔机进行冷拔工序，拉拔机最大拉拔力600吨，冷拔机的冷拔速度在0.85m/min～1.0m/min之间，得到预制钢管。
上述方法可以得到稳定性更好、精度更高的预制钢管。同时上述方法可以在预制钢管的内外表面增加至少一层保护膜，以提高预制钢管的抗性，避免外界环境对预制钢管造成破坏。上述的预制钢管为高尺寸精度钢管。
如图1所示，在实施例一的技术方案中，对预制钢管进行热处理得到无缝钢管的过程包括：
对预制钢管进行淬火，淬火的温度为920℃～940℃，并保温100min～120min后冷却。
对冷却后的预制钢管进行回火，回火的温度为660℃～680℃，并保温120min～150min后空冷，以得到无缝钢管。
上述热处理过程中，合金元素的作用得到充分的发挥，进而提高钢管内部金相组织的稳定性，提高了无缝钢管的塑性和韧性。
实施例一还提供了一种钻井隔水管，包括无缝钢管，无缝钢管为上述的制作方法制作得到的无缝钢管。采用上述无缝钢管制作的钻井隔水管不仅仅具有较高的屈服强度和抗拉强度，还具有较好的低温韧性和尺寸精度，以保证无缝钢管在恶劣环境下正常使用。上述的无缝钢管的各项性能均能满足钻井隔水管的使用要求，而且可以达到海洋钻井隔水管的使用要求，以在海洋中使用。
实施例二
实施例二的无缝钢管的制作方法，其中实施例二与实施例一的不同之处在于：
(1)坯料的冶炼
按照500kg/t的比例添加铁水和500kg/t的比例添加生产海工管品种而产生的废钢作为原料，经过45吨电炉冶炼、45吨精炼炉精炼，并且在冶炼过程中加入2.5kg/t硅铁、17kg/t低碳锰铁、2.0kg/t钒铁、11kg/t微碳铬铁、9kg/t钼铁、及少量铝丝和钛铁，将上述原料采用45吨真空脱气炉工艺进行钢水的真空冶炼；然后采用圆坯弧形连铸机进行连铸；在上述过程中，控制精炼炉钢包吊包钢水温度＝液相线温度+(70～90)±10℃；中间包烘烤3.5小时，烘烤温度1100℃以上；拉坯速度控制在0.550m/min；结晶器的振动频率调整范围为200opm，振幅调整范围±2～5mm，偏移量调整范围12～28％；结晶器冷却水量控制：4700L/min。将坯料切定尺后，进行缓冷。检测坯料中各化学成分的含量，检测结果见表1。
表1
| 元素 | C | Si | Mn | P | S | Cr | Mo | Ni | Nb | Al |
| 含量(wt％) | 0.10 | 0.30 | 1.45 | 0.008 | 0.001 | 0.32 | 0.28 | 0.20 | 0.03 | 0.021 |
(2)钢管热轧
坯料加热：采用坯料生产，将坯料在环形炉内按照表2的加热制度进行加热。
表2
轧制：采用孔型为的Pilger周期式轧管机组进行轧制，毛管的喂入量在60mm，轧辊转速控制在35rpm，风压控制在4.5bar，得到规格为的预管坯。
(3)钢管热扩
设备检查：确认设备的执行状态是否良好，操控台各按钮是否能正常控制；并对机器进行逐项检查；
将上述预管坯的局部采用中频感应加热至810～850℃之间，并以每分钟70mm的前进速度进行热扩，制得规格为的荒管；
使用超声波测厚仪测量，钢管长度方向上每间隔1000mm长选择一个截面，每个截面测量16个点，确定网格线进行测量，壁厚公差需达到-10％～+10％S；
(4)钢管冷轧
来料管坯检验：对来料管坯的钢种、炉号、规格、支数及质量情况进行逐项确认；来料不允许存在折叠、裂纹和凹坑等缺陷；两端应切齐，无毛刺。
酸洗：将来料荒管坯放入酸洗槽内，用以洗去钢管表面的氧化层，酸洗槽按照每升0.2克的比例加入缓蚀剂，酸洗槽上方安装酸洗搅动机在酸洗槽内搅动，酸洗时间80min，酸洗温度为45℃，酸液质量浓度为18％，取出后用高压清水冲洗3次，水洗后立即放置在倾斜的吊台上，端朝向较低的一面，有利于清水流走。
磷化：在酸洗后的荒管表面生成磷酸锌的化学覆膜，磷酸锌浓度32％，磷化液温度65℃，磷化时间40min，得到磷化后的荒管；
皂化：在磷化后的荒管进行皂化处理，使覆膜上形成金属皂润滑覆膜，皂化温度70℃，皂化时间30min，皂化液PH值9，得到皂化后的荒管；
冷拔：对皂化后的上述荒管在冷拔机上进行冷拔，冷拔速度为每分钟0.9米，制得规格为外径偏差为±1.0mm，壁厚偏差为±2.0mm的高尺寸精度管坯。
(5)热处理
规格高尺寸精度钢管加热至920℃，并保温时间110min，随后出炉采用水淬快速冷却至室温，钢管在水中冷却时间为60秒；然后在660℃下回火保温时间140min后空冷至室温，得到实施例二的无缝钢管。
对实施例二的任意3根无缝钢管的尺寸进行测量，测量结果见表3；按照《钢产品力学性能试验的标准方法和定义》中规定的方法对实施例二的无缝钢管进行拉伸试验和冲击试验，试验结果见表4。
表3
表4
需要说明的是，上述表中测得的该实施例中的两行数据分别为钢管的两端的测试结果，第一行为第一端的测试结果，第二行为第二端的测试结果，以下实施例三和实施例四的两行测试结果均如此。
由表3中的数据可以看出，产品的尺寸精度在标准要求范围之内，完全能够满足海洋钻井隔水用大口径X80钢级无缝钢管的要求；由表4中的数据可以看出，实施例二的钢管的屈服强度、拉伸强度、伸长率、低温冲击功与X80钢级的客户要求几乎相当或甚至更高，尤其是低温冲击功远远优于客户要求，因此，采用本申请的制造方法得到的海洋钻井隔水用大口径高强度无缝钢管的拉伸性能、冲击韧性和尺寸精度均十分优异，能够满足海洋钻井的使用要求。
实施例三
实施例三的无缝钢管的制作方法，其中实施例三与实施例二的不同之处在于：
按照500kg/t的比例添加铁水和500kg/t的比例添加生产海工管品种而产生的废钢，作为原料，经过45吨电炉冶炼、45吨精炼炉精炼，并且在冶炼过程中加入2.5kg/t硅铁、17kg/t低碳锰铁、2.0kg/t钒铁、11kg/t微碳铬铁、9kg/t钼铁、及少量铝丝和钛铁，将上述原料采用45吨真空脱气炉工艺进行钢水的真空冶炼；然后采用圆坯弧形连铸机进行连铸；在上述过程中，控制精炼炉钢包吊包钢水温度＝液相线温度+(70～90)±10℃；中间包烘烤3.5小时，烘烤温度1100℃以上；拉坯速度控制在0.610m/min；结晶器的振动频率调整范围210opm，振幅调整范围±2～5mm，偏移量调整范围12～28％；结晶器冷却水量控制：4700L/min。将坯料切定尺后，进行缓冷。检测坯料中各化学成分的含量，检测结果见表5。
表5
| 元素 | C | Si | Mn | P | S | Cr | Mo | Ni | V | Al |
| 含量(wt％) | 0.11 | 0.32 | 1.48 | 0.007 | 0.001 | 0.35 | 0.26 | 0.18 | 0.02 | 0.025 |
(2)钢管热轧
坯料加热：采用坯料生产，将坯料在环形炉内按照表6的加热制度进行加热。
表6
轧制：采用孔型为的Pilger周期式轧管机组进行轧制，毛管的喂入量在60mm，轧辊转速控制在35rpm，风压控制在4.5bar，得到规格为的预管坯。
(3)钢管热扩
设备检查：确认设备的执行状态是否良好，操控台各按钮是否能正常控制；并对机器进行逐项检查；
将上述预管坯的局部采用中频感应加热至810～850℃之间，并以每分钟70mm的前进速度进行热扩，制得规格为的荒管；
使用超声波测厚仪测量，钢管长度方向上每间隔1000mm长选择一个截面，每个截面测量16个点，确定网格线进行测量，壁厚公差需达到-10％～+10％S；
(4)钢管冷轧
来料管坯检验：对来料管坯的钢种、炉号、规格、支数及质量情况进行逐项确认；来料不允许存在折叠、裂纹和凹坑等缺陷；两端应切齐，无毛刺。
酸洗：将来料荒管坯放入酸洗槽内，用以洗去钢管表面的氧化层，酸洗槽按照每升0.2克的比例加入缓蚀剂，酸洗槽上方安装酸洗搅动机在酸洗槽内搅动，酸洗时间80min，酸洗温度为45℃，酸液质量浓度为18％，取出后用高压清水冲洗3次，水洗后立即放置在倾斜的吊台上，端朝向较低的一面，有利于清水流走。
磷化：在酸洗后的荒管表面生成磷酸锌的化学覆膜，磷酸锌浓度32％，磷化液温度65℃，磷化时间40min，得到磷化后的荒管；
皂化：在磷化后的荒管进行皂化处理，使覆膜上形成金属皂润滑覆膜，皂化温度70℃，皂化时间30min，皂化液PH值9，得到皂化后的荒管；
冷拔：对皂化后的上述荒管在冷拔机上进行冷拔，冷拔速度为每分钟0.9米，制得规格为外径偏差为±1.0mm，壁厚偏差为±2.0mm的高尺寸精度管坯。
(5)热处理
规格高尺寸精度钢管加热至940℃，并保温时间110min，随后出炉采用水淬快速冷却至室温，钢管在水中冷却时间为60秒；然后在680℃下回火保温时间140min后空冷至室温，得到实施例三的无缝钢管。
对实施例三的任意3根无缝钢管的尺寸进行测量，测量结果见表7；按照《钢产品力学性能试验的标准方法和定义》中规定的方法对实施例三的无缝钢管进行拉伸试验和冲击试验，试验结果见表8。
表7
表8
由表7中的数据可以看出，产品的尺寸精度在标准要求范围之内，完全能够满足海洋钻井隔水用大口径X80钢级无缝钢管的要求；由表8中的数据可以看出，实施例三的钢管的屈服强度、拉伸强度、伸长率、低温冲击功与X80钢级的客户要求几乎相当或甚至更高，尤其是低温冲击功远远优于客户要求，因此，采用本申请的制造方法得到的海洋钻井隔水用大口径高强度无缝钢管的拉伸性能、冲击韧性和尺寸精度均十分优异，能够满足海洋钻井的使用要求。
实施例四
实施例四的无缝钢管的制作方法，其中实施例四与实施例二的不同之处在于：
按照500kg/t的比例添加铁水和500kg/t的比例添加生产海工管品种而产生的废钢，作为原料，经过45吨电炉冶炼、45吨精炼炉精炼，并且在冶炼过程中加入2.5kg/t硅铁、17kg/t低碳锰铁、2.0kg/t钒铁、11kg/t微碳铬铁、9kg/t钼铁、及少量铝丝和钛铁，将上述原料采用45吨真空脱气炉工艺进行钢水的真空冶炼；然后采用圆坯弧形连铸机进行连铸；在上述过程中，控制精炼炉钢包吊包钢水温度＝液相线温度+(70～90)±10℃；中间包烘烤3.5小时，烘烤温度1100℃以上；拉坯速度控制在0.630m/min；结晶器的振动频率调整范围195opm，振幅调整范围±2～5mm，偏移量调整范围12～28％；结晶器冷却水量控制：4700L/min。将坯料切定尺后，进行缓冷。检测坯料中各化学成分的含量，检测结果见表9。
表9
| 元素 | C | Si | Mn | P | S | Cr | Mo | Ni | V | Al |
| 含量(wt％) | 0.12 | 0.31 | 1.42 | 0.006 | 0.001 | 0.30 | 0.31 | 0.21 | 0.02 | 0.022 |
(2)钢管热轧
坯料加热：采用坯料生产，将坯料在环形炉内按照表10的加热制度进行加热。
表10
轧制：采用孔型为的Pilger周期式轧管机组进行轧制，毛管的喂入量在60mm，轧辊转速控制在35rpm，风压控制在4.5bar，得到规格为的预管坯。
(3)钢管热扩
设备检查：确认设备的执行状态是否良好，操控台各按钮是否能正常控制；并对机器进行逐项检查；
将上述预管坯的局部采用中频感应加热至810～850℃之间，并以每分钟70mm的前进速度进行热扩，制得规格为的荒管；
使用超声波测厚仪测量，钢管长度方向上每间隔1000mm长选择一个截面，每个截面测量16个点，确定网格线进行测量，壁厚公差需达到-10％～+10％S；
(4)钢管冷轧
来料管坯检验：对来料管坯的钢种、炉号、规格、支数及质量情况进行逐项确认；来料不允许存在折叠、裂纹和凹坑等缺陷；两端应切齐，无毛刺。
酸洗：将来料荒管坯放入酸洗槽内，用以洗去钢管表面的氧化层，酸洗槽按照每升0.2克的比例加入缓蚀剂，酸洗槽上方安装酸洗搅动机在酸洗槽内搅动，酸洗时间80min，酸洗温度为45℃，酸液质量浓度为18％，取出后用高压清水冲洗3次，水洗后立即放置在倾斜的吊台上，端朝向较低的一面，有利于清水流走。
磷化：在酸洗后的荒管表面生成磷酸锌的化学覆膜，磷酸锌浓度32％，磷化液温度65℃，磷化时间40min，得到磷化后的荒管；
皂化：在磷化后的荒管进行皂化处理，使覆膜上形成金属皂润滑覆膜，皂化温度70℃，皂化时间30min，皂化液PH值9，得到皂化后的荒管；
冷拔：对皂化后的上述荒管在冷拔机上进行冷拔，冷拔速度为每分钟0.9米，制得规格为外径偏差为±1.0mm，壁厚偏差为±2.0mm的高尺寸精度管坯。
(5)热处理
规格高尺寸精度钢管加热至930℃，并保温时间110min，随后出炉采用水淬快速冷却至室温，钢管在水中冷却时间为60秒；然后在670℃下回火保温时间140min后空冷至室温，得到实施例四的无缝钢管。
对实施例四的任意3根无缝钢管的尺寸进行测量，测量结果见表11；按照《钢产品力学性能试验的标准方法和定义》中规定的方法对实施例四的无缝钢管进行拉伸试验和冲击试验，试验结果见表12。
表11
表12
由表11中的数据可以看出，产品的尺寸精度在标准要求范围之内，完全能够满足海洋钻井隔水用大口径X80钢级无缝钢管的要求；由表12中的数据可以看出，实施例四的钢管的屈服强度、拉伸强度、伸长率、低温冲击功与X80钢级的客户要求几乎相当或甚至更高，尤其是低温冲击功远远优于客户要求，因此，采用本申请的制造方法得到的海洋钻井隔水用大口径高强度无缝钢管的拉伸性能、冲击韧性和尺寸精度均十分优异，能够满足海洋钻井的使用要求。
实施例五
实施例五的无缝钢管的制作方法，其中实施例五与实施例四的不同之处在于：
无缝钢管的原料不同，具体见表13。
表13
| 元素 | C | Si | Mn | P | S | Cr | Mo | Ni | V | Al |
| 含量(wt％) | 0.11 | 0.33 | 1.45 | 0.006 | 0.001 | 0.50 | 0.10 | 0.23 | 0.02 | 0.021 |
实施例六
实施例六的无缝钢管的制作方法，其中实施例六与实施例四的不同之处在于：
无缝钢管的原料不同，具体见表14。
表14
| 元素 | C | Si | Mn | P | S | Cr | Mo | Ni | V | Al |
| 含量(wt％) | 0.11 | 0.32 | 1.45 | 0.006 | 0.001 | 0.10 | 0.50 | 0.23 | 0.02 | 0.023 |
采用与实施例二至四同样的方法对实施例五和实施例六以及所有对比例的尺寸以及性能进行测量(对于性能，只测试各钢管的第一端的性能)，测试结果见表15与表16。
表15
表16
根据上述表中的测试结果可知，当无缝钢管(对于钢管来说，其原料与最终形成的产品的组分是相同的)包括0.06～0.12％的C、0.20～0.50％的Si、1.30～1.60％的Mn、0.10～0.50％的Cr、0.10～0.50的Mo、0.15～0.30％的Ni、0.01～0.05％的Nb，小于或等于0.015％的P、小于或等于0.003％的S以及0.010～0.040％的Al，且在无缝钢管的制作过程中，控制各种工艺参数在优选的范围内，使得无缝钢管的性能较好，且尺寸精度较高。
从以上的描述中，可以看出，本申请上述的实施例实现了如下技术效果：
1)、本申请的无缝钢管的原料中，控制0.06～0.12％之间，能提高钢管的强度，改善钢管的焊接性能。C含量过高，对钢的韧性不利，增加钢的冷脆性和时效敏感性；C含量过低，会降低钢的力学性能；Si元素的含量控制在0.20～0.50％之间，既能实现脱除原料中氧的作用又能够抑制δ铁素体结晶，进而提高无缝钢管的韧性，Si含量过高会促进回火脆性的发展，使塑性降低；Mn含量控制在1.30～1.60％之间，既能提高原料的淬透性和热加工性能，稳定奥氏体组织，又不会因为Mn含量过高使得无缝钢管的耐腐蚀性能下降扩大γ相区的奥氏体；Cr含量控制在0.10～0.50％，与Mn元素相互配合，既能提高原料的淬透性，在回火时Cr的碳化物较难溶解，在短时间加热下有阻碍晶粒长大作用，提高钢的回火稳定性；Mo含量控制在0.10～0.50％之间，通过其相变强化和固溶强化的性能提升无缝钢管的强度和韧性，同时可以降低回火脆性，但Mo含量过高会导致铁素体δ相或其它脆性相的出现而使韧性降低；Ni作为贵金属元素其成本较高，Ni含量控制在0.15～0.30％之间，在合理控制成本的基础上能大幅度地提高原料的淬透性，进而提高无缝钢管的强度；Nb含量控制在0.01～0.05％之间，能够抑制钢管热处理过程中晶粒粗大化，并且能够抑制粗大的碳氮化物发生析出，进而优化钢管的韧性；同时，Al含量控制在0.01～0.04％之间。Al是钢良好的脱氧剂，可生成高度细碎的、超显微的氧化物，分散于钢体积中阻止钢加热时的晶粒长大，并且使其含量在0.04％以下能有效地避免夹杂物以团状出现使得无缝钢管的韧性降低并出现表面缺陷。S与P均为有害元素，其含量要严格控制，P含量控制在0.015％以下，S含量控制在0.003％以下，较少的P和S可降低钢中的夹杂物，提高钢的纯净度，进一步提高钢的韧性。
该原料形成的无缝钢管不仅具有较高的屈服强度和抗拉强度，还具有较好的低温韧性和尺寸精度。
2)、本申请的制作方法制作得到的无缝钢管，不仅具有较高的屈服强度和抗拉强度，还具有较好的低温韧性和尺寸精度。其外径偏差为±1.0mm，壁厚偏差为±2.0mm，屈服强度达到555MPa以上，抗拉强度达到625MPa以上，-20℃夏比V型横向全尺寸冲击功达到150J以上，剪切比达到85％以上，各项性能均能满足海洋钻井隔水管是使用要求，实现了材料高强度、高韧性和高尺寸精度的优良匹配。
3)、本申请的海洋钻井隔水管由于包括上述的大口径无缝钢管，其不仅具有较高的屈服强度和抗拉强度，还具有较好的低温韧性和尺寸精度，能够满足海洋钻井的应用需求。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
从以上的描述中，可以看出，本发明上述的实施例实现了如下技术效果：该合金钢中，控制C的含量在0.06％～0.12％之间，能提高钢管的强度，改善钢管的焊接性能。C含量过高，对钢的韧性不利，增加钢的冷脆性和时效敏感性；C含量过低，会降低钢的力学性能；Si元素的含量控制在0.20％～0.50％之间，既能实现脱除原料中氧的作用又能够抑制δ铁素体结晶，进而提高无缝钢管的韧性，Si含量过高会促进回火脆性的发展，使塑性降低；Mn含量控制在1.30％～1.60％之间，既能提高原料的淬透性和热加工性能，稳定奥氏体组织，又不会因为Mn含量过高使得无缝钢管的耐腐蚀性能下降扩大γ相区的奥氏体；Cr含量控制在0.10％～0.50％，与Mn元素相互配合，既能提高原料的淬透性，在回火时Cr的碳化物较难溶解，在短时间加热下有阻碍晶粒长大作用，提高钢的回火稳定性；Mo含量控制在0.10％～0.50％之间，通过其相变强化和固溶强化的性能提升无缝钢管的强度和韧性，同时可以降低回火脆性，但Mo含量过高会导致铁素体δ相或其它脆性相的出现而使韧性降低；Ni作为贵金属元素其成本较高，Ni含量控制在0.15％～0.30％之间，在合理控制成本的基础上能大幅度地提高原料的淬透性，进而提高无缝钢管的强度；Nb含量控制在0.01％～0.05％之间，能够抑制钢管热处理过程中晶粒粗大化，并且能够抑制粗大的碳氮化物发生析出，进而优化钢管的韧性；同时，Al含量控制在0.01％～0.04％之间。Al是钢良好的脱氧剂，可生成高度细碎的、超显微的氧化物，分散于钢体积中阻止钢加热时的晶粒长大，并且使其含量在0.04％以下能有效地避免夹杂物以团状出现使得无缝钢管的韧性降低并出现表面缺陷。S与P均为有害元素，其含量要严格控制，P含量控制在0.015％以下，S含量控制在0.003％以下，较少的P和S可降低钢中的夹杂物，提高钢的纯净度，进一步提高钢的韧性。该原料形成的无缝钢管不仅具有较高的屈服强度和抗拉强度，还具有较好的低温韧性和尺寸精度。本发明的技术方案有效地解决了现有技术中的合金钢材料无法满足钻井隔水管的生产需求的问题。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (14)
1.一种合金钢，其特征在于，按照重量百分比计算，所述合金钢包括：Fe、C、Si、Mn、Cr、Mo、Ni、Nb、P、S和Al；
其中，各组分的含量为：0.06％≤C≤0.12％，0.20％≤Si≤0.50％，1.30％≤Mn≤1.60％，0.10％≤Cr≤0.50％，0.10％≤Mo≤0.50，0.15％≤Ni≤0.30％，0.01％≤Nb≤0.05％，0.010％≤Al≤0.040％，P≤0.015％，S≤0.003％。
2.根据权利要求1所述的合金钢，其特征在于，所述合金钢中的Cr的含量为：0.20％≤Cr≤0.40％。
3.根据权利要求1所述的合金钢，其特征在于，所述合金钢中的Mo的含量为：0.20％≤Mo≤0.40％。
4.一种无缝钢管，所述无缝钢管采用合金钢制成，其特征在于，所述合金钢为权利要求1至3中任一项中所述的合金钢。
5.一种无缝钢管的其制作方法，其特征在于，所述无缝钢管为权利要求4所述的无缝钢管，其制作方法的步骤包括：
将所述合金钢进行冶炼以得到坯料；
对所述坯料依次进行加热、穿孔、轧制得到预管坯；
对所述预管坯进行热扩得到荒管；
对所述荒管进行冷拔得到预制钢管；
对所述预制钢管进行热处理得到所述无缝钢管。
6.根据权利要求5所述的无缝钢管的其制作方法，其特征在于，所述合金钢进的冶炼步骤包括：
对所述合金钢的原材料进行电炉冶炼，并得到初坯；
对所述初坯进行炉外精炼，以得到精坯；
对所述精坯进行真空脱气并进行弧形连铸，以得到坯料。
7.根据权利要求6所述的无缝钢管的其制作方法，其特征在于，所述精坯采用弧形连铸机进行弧形连铸；
所述弧形连铸机包括结晶器，所述结晶器在所述弧形连铸的过程中，所述结晶器控制的拉坯速度在0.4m/min～0.6m/min之间，所述结晶器的振动频率在160opm～220opm之间，所述结晶器的振幅在2mm～5mm之间，控制所述结晶器的偏移量调整范围在12％～28％之间。
8.根据权利要求5所述的无缝钢管的其制作方法，其特征在于，所述预管坯的制作步骤包括：
将所述坯料加热至1240℃～1260℃，并保温3h～3.5h，以得到热坯料；
将所述热坯料在1130℃～1200℃下进行锥形穿孔，以得到毛管；
将所述毛管进行轧管，以得到所述预管坯。
9.根据权利要求8所述的无缝钢管的其制作方法，其特征在于，所述坯料的加热过程依次包括预热段加热、加热I段加热、加热II段加热、加热III段加热、均热I段以及均热II段；
其中，所述坯料加热成所述热坯料的加热时间大于或等于10h，所述预热段加热将所述坯料的温度加热到970℃～990℃，所述加热I段加热将所述坯料的温度加热到1090℃～1110℃，所述加热II段加热将所述坯料的温度加热到1170℃～1190℃，所述加热III段加热将所述坯料的温度加热到1220℃～1260℃，所述均热I段和所述均热II段的温度保持在1240～1260℃，在所述均热I段和所述均热II段保温3h～3.5h后，得到所述热坯料。
10.根据权利要求8所述的无缝钢管的其制作方法，其特征在于，所述坯料到所述预管坯的加工过程中，所述毛管采用周期式轧管机组进行轧管，在轧管过程中，控制所述毛管的喂入量在50mm～80mm之间，并控制所述轧管机组的轧辊转速在25rpm～60rpm之间，同时控制所述轧辊的风压在5.5bar～7bar之间。
11.根据权利要求5所述的无缝钢管的其制作方法，其特征在于，所述预管坯到所述荒管的加工过程包括：
将所述预管坯的部分采用中频感应加热至810℃～850℃，以得到热管坯；
将所述热管坯以每分钟60mm～80mm的前进速度进行热扩，以得到荒管。
12.根据权利要求11所述的无缝钢管的其制作方法，其特征在于，所述荒管到所述预制钢管的加工过程包括：
将所述荒管放入盛有盐酸溶液的酸洗槽内进行酸洗，所述盐酸溶液的质量浓度控制在10％～20％之间，酸洗时间控制在60min～100min之间，得到酸洗后的荒管；
将所述酸洗后的荒管使用磷酸锌溶液进行外表面磷化处理，以生成磷酸锌的化学覆膜，所述磷酸锌溶液的质量浓度控制在30％～35％之间，所述磷酸锌溶液的温度控制在60℃～70℃之间，所述酸洗后的荒管磷化时间控制在30min～50min之间，以得到磷化后的荒管；
将所述磷化后的荒管通过皂化液进行皂化处理，使其表面形成金属皂润滑覆膜，所述皂化过程中的温度控制在60℃～80℃之间，所述皂化的时间控制在20min～35min之间，所述皂化液PH值控制在8.5～9.5之间，得到皂化后的荒管；
将所述皂化后的荒管通过拉拔机进行冷拔工序，所述拉拔机最大拉拔力600吨，所述冷拔机的冷拔速度在0.85m/min～1.0m/min之间，得到预制钢管。
13.根据权利要求5所述的无缝钢管的其制作方法，其特征在于，对所述预制钢管进行热处理得到所述无缝钢管的过程包括：
对所述预制钢管进行淬火，所述淬火的温度为920℃～940℃，并保温100min～120min后冷却；
对冷却后的所述预制钢管进行回火，所述回火的温度为660℃～680℃，并保温120min～150min后空冷，以得到所述无缝钢管。
14.一种钻井隔水管，包括无缝钢管，其特征在于，所述无缝钢管为权利要求4至13中任一项所述的制作方法制作得到的无缝钢管。
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