CN112522607A - 一种q125钢级sew石油套管及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种Q125钢级SEW石油套管及其制造方法，涉及石油套管技术领域。该Q125钢级SEW石油套管及其制造方法，通过控制贵重合金Mo、Cr、V的用量，采用合适的炼钢、连铸、热轧、冷却以及卷取等生产工艺，获得了板卷初始屈服强度在400‑500MPa，抗拉强度在600‑700MPa的热轧卷板，板卷的初期焊接性能优良,采用SEW制管工艺，通过合适的调质处理获得钢管屈服强度在905‑950MPa、抗拉强度990‑1100MPa、横向‑10℃夏比冲击功Akv≥80J、延伸率A50mm不小于18％的Q125级石油套管。

Description

一种Q125钢级SEW石油套管及其制造方法
技术领域
本发明涉及石油套管技术领域，具体为一种Q125钢级SEW石油套管及其制造方法。
背景技术
石油套管是石油和天然气开采过程中重要的管线材料，是开采过程中必不可少的施工材料。随着油气资源的不断开采，开采环境和条件也是越来越恶劣，深井和超深井(井深在5000m以上)的不断开采，对石油套管的性能提出了更高的要求。因此，开发一种高强度高韧性的石油套管具有重要意义。
目前高强度石油套管主要采用无缝钢管制造工艺，采取调质处理的方式获得所需的强度级别，普遍添加了较多的贵重合金元素Cr、Mo、V等，增加了原料成本；同时无缝钢管成型采用穿孔成型，管体尺寸精度相对较差，壁厚均匀度的控制精度极限为±5％。而采用SEW石油套管具有以下优势：首先，原料采用TMCP工艺的热轧板卷，降低了贵重合金的使用量，降低了成本；其次，热轧板卷可以将其壁厚公差控制在±1.5％以内；最后，据统计；相比同规格、相同重量的套管，万米进尺套管钢材用量比无缝钢管降低5-10％。
专利CN 107502822 B公开了一种高抗挤SEW石油套管用热连轧钢卷及其生产方法，其化学组分为：C：0.22-0.32％，Si：0.10-0.30％，Mn：1.10-1.40％，Cr：0.30-0.60％，P：≤0.020％，S：≤0.010％，Ti：0.008～0.019％，其余为Fe和不可避免的杂质，钢卷的初始屈服强度为340-360MPa，抗拉强度为620-640MPa，钢卷制管经过调质处理后的屈服强度840MPa～910MPa，抗拉强度940～1030MPa，该强度仍然较低，无法满足一些超深井的使用需求。
专利CN 104561774 A公开的一种P110级直缝石油套管及其制造方法中，其化学成分为C：0.24％～0.28％，Si：0.15％～0.30％，Mn：1.25％～1.50％，P≤0.020％，S≤0.008％，V：0.05％～0.08％，Ti：0.010～0.30％，该专利加入V，通过V的析出强化提高石油套管的强度，但其合金成本仍然偏高，同时该发明的热轧钢卷的屈服强度在570MPa以上，对后续的焊管带来了很大的难度，其焊管的屈服强度在780MPa-850MPa，抗拉强度880-970MPa。
专利CN 102400065 A公开了一种高韧性超高强油井用无缝钢管及其制造方法，，钢的化学成分重量百分比为：C：0.15％-0.27％、Si：≤0.30％、Mn：0.20％-0.50％、Cr：0.85％-1.45％、Mo：0.40％-1.2％、V：0.08％-0.20％、Als：0.01％-0.05％、P≤0.012％、S≤0.005％、H≤0.00015％、N：≤0.0050％、O：≤0.0040％、As+Sn+Pb+Sb+Bi≤0.0080％，其余为Fe。该专利通过添加较多的Mo、Cr和V合金，使得钢管的屈服强度在980-1150MPa，抗拉强度在1040-1230MPa，获得了高强度的油井管用钢，但是合金成本较高。
发明内容
(一)解决的技术问题
针对现有技术的不足，本发明提供了一种Q125钢级SEW石油套管及其制造方法，解决了目前高强度石油套管主要采用无缝钢管制造工艺，采取调质处理的方式获得所需的强度级别，普遍添加了较多的贵重合金元素Cr、Mo、V等，增加了原料成本；同时无缝钢管成型采用穿孔成型，管体尺寸精度相对较差，壁厚均匀度的控制精度极限为±5％；而采用SEW石油套管具有以下优势：首先，原料采用TMCP工艺的热轧板卷，降低了贵重合金的使用量，降低了成本；其次，热轧板卷可以将其壁厚公差控制在±1.5％以内；最后，据统计；相比同规格、相同重量的套管，万米进尺套管钢材用量比无缝钢管降低5-10％的问题。
(二)技术方案
为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种Q125钢级SEW石油套管及其制造方法，所述热轧钢卷的化学成分重量百分比含量为C：0.15％-0.25％、Si：≤0.30％、Mn：1.00％-1.50％、P：≤0.015％、S：≤0.0050％、Mo：0.10％-0.50％、V：0.03-0.06％、Ti：0.01-0.03％、Cr：0.20-0.60％，Als：0.020-0.035％，其余为Fe及不可避免的夹杂，具体操作如下：
S1、按照上述热轧钢卷的化学成分重量百分比含量以连铸板坯为热轧坯料，其中，加热时，铸坯进入加热炉中进行加热，控制铸坯出炉温度在1170-1210℃，初始连铸板坯厚度为230mm；
S2、经过两机架共8道次的粗轧，粗轧阶段在奥氏体再结晶区轧制，轧制开始温度控制在1000-1060℃范围内，中间坯厚度控制为60mm，获得中间坯；
S3、将步骤S2中得到的中间坯进行七机架连轧，累计变形量≥60％，通过累计大变形，增加形变奥氏体内的形变带和位错密度，增加相变形核点细化晶粒，终轧温度控制在830-870℃，获得厚度在10-13mm的热轧板卷；
S4、轧后钢板空冷后进行卷取操作，其中卷取温度为650-750℃。
优选的，所述热连轧板卷初始屈服强度在400-500MPa，抗拉强度在600-700MPa范围，初始屈服强度控制在500MPa以下，是为了获得初期焊接性能优良，便于后续SEW焊接成型；板卷经过SEW焊接及调质处理工艺后，屈服强度在905-950MPa、抗拉强度990-1100MPa、横向-10℃夏比冲击功Akv≥80J、延伸率A50mm不小于18％。
(三)有益效果
本发明提供了一种Q125钢级SEW石油套管及其制造方法。具备以下有益效果：该Q125钢级SEW石油套管及其制造方法，通过控制贵重合金Mo、Cr、V的用量，采用合适的炼钢、连铸、热轧、冷却以及卷取等生产工艺，获得了板卷初始屈服强度在400-500MPa，抗拉强度在600-700MPa的热轧卷板，板卷的初期焊接性能优良。采用SEW制管工艺，通过合适的调质处理获得钢管屈服强度在905-950MPa、抗拉强度990-1100MPa、横向-10℃夏比冲击功Akv≥80J、延伸率A50mm不小于18％的Q125级石油套管。
附图说明
图1为本发明实施例的金相组织(热轧态)示意图；
图2为本发明实施例的金相组织(调质处理态)示意图；
图3为本发明各实施例的化学成分示意图；
图4为本发明轧制工序主要工艺参数及力学性能示意图；
图5为本发明实施例管的调质工艺和力学性能示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-5，本发明提供一种技术方案：一种Q125钢级SEW石油套管及其制造方法，所述热轧钢卷的化学成分重量百分比含量为C：0.15％-0.25％、Si：≤0.30％、Mn：1.00％-1.50％、P：≤0.015％、S：≤0.0050％、Mo：0.10％-0.50％、V：0.03-0.06％、Ti：0.01-0.03％、Cr：0.20-0.60％，Als：0.020-0.035％，其余为Fe及不可避免的夹杂，具体操作如下：
S1、按照上述热轧钢卷的化学成分重量百分比含量以连铸板坯为热轧坯料，其中，加热时，铸坯进入加热炉中进行加热，控制铸坯出炉温度在1170-1210℃，初始连铸板坯厚度为230mm；
S2、经过两机架共8道次的粗轧，粗轧阶段在奥氏体再结晶区轧制，轧制开始温度控制在1000-1060℃范围内，中间坯厚度控制为60mm，获得中间坯；
S3、将步骤S2中得到的中间坯进行七机架连轧，累计变形量≥60％，通过累计大变形，增加形变奥氏体内的形变带和位错密度，增加相变形核点细化晶粒，终轧温度控制在830-870℃，获得厚度在10-13mm的热轧板卷；
S4、轧后钢板空冷后进行卷取操作，其中卷取温度为650-750℃。
其中，热连轧板卷初始屈服强度在400-500MPa，抗拉强度在600-700MPa范围，初始屈服强度控制在500MPa以下，是为了获得初期焊接性能优良，便于后续SEW焊接成型；板卷经过SEW焊接及调质处理工艺后，屈服强度在905-950MPa、抗拉强度990-1100MPa、横向-10℃夏比冲击功Akv≥80J、延伸率A50mm不小于18％。
本发明合理的成分设计是获得产品的首要基础：
1)C：C元素主要是提高淬透性，与钢中其他合金元素形成的碳化物可以提高强度，C含量低于0.15％，钢的淬透性和强度则难以保证，但C元素对钢的韧性会起到破坏作用，C高于0.25％，则韧性难以保证，所以本发明C控制在0.15％-0.25％。
2)Si：硅在这里主要是起脱氧作用，但对韧性损害较大，故将其限定在0.3％以下。
3)Mn：锰可提高淬透性，与钢中的S元素结合成MnS，可以避免钢的热脆性的产生，同时Mn可以扩大钢的奥氏体区，可以细化晶粒，起到改善钢的强韧性的作用，含量低于1.0％时作用不明显，含量超过1.5％时，促使有害元素在晶界偏聚的作用开始明显，降低超高强油井管钢的韧性，同时使钢易产生硫化氢应力腐蚀，所以本发明将Mn控制在1.00％-1.50％。
4)Cr：铬提高淬透性，改善钢的强韧性，并具有耐蚀作用，是一种强析出物形成元素，后续热处理时，可扩大热处理工艺窗口，形成析出物，明显提高钢材强度。为达到本发明的目的，Cr更优选的范围为0.20％～0.60％。
5)Mo：提高奥氏体的稳定性，在后续热处理过程中，提高热处理控制工艺的稳定性(扩大热处理工艺窗口)；通过与V和Ti的析出，提高钢材强度，且Mo对析出相细化效果明显，可抑制析出相的熟化和长大，但Mo合金成本较高，故本发明更优选的范围为0.10％-0.50％。
6)V：钒形成C、N化物，具有细化晶粒、提高强度的作用，可以改善钢的强韧性。为达到本发明的目的，V更优选的范围为0.03％-0.06％。
7)P、S为钢中有害杂质元素，会诱发偏析，增大材料脆性，因此，其含量越低越好。
本发明在热轧工艺设计上，初始连铸板坯的出炉温度在1170-1210℃，主要目的是保证材料完全奥氏体化，使合金元素充分固溶。然后采用两阶段轧制，第一阶段是再结晶区域轧制，轧制温度控制在1000-1060℃，通过反复变形和再结晶，使奥氏体晶粒显著细化，第二阶段是在未再结晶区域轧制，轧制温度控制在900-1000℃，是形变和相变同时进行的阶段，在这阶段中奥氏体晶粒被伸长，同时产生滑移带，奥氏体晶界的增加和滑移带出现为铁素体形核提供了有利条件，进而得到细晶粒铁素体。为了保证板卷具备优良的初期焊接性能，轧后板卷进行空冷，空冷结束温度在650-750℃，在该温度下进行卷取。如附图1所示，是本申请的高强度高韧性SEW石油套管用钢冷却后形成的组织结构。
整管调质热处理工艺：热轧板卷经过ERW制管后，整管加热到850-920℃，保温30-60min，水淬；再将整管加热到500-650℃，保温60-90min,空冷。使调质处理后整管的屈服强度在905-950MPa、抗拉强度990-1100MPa、横向-10℃夏比冲击功Akv≥80J，延伸率A50mm不小于18％。
实施例：
采用本发明生产的高强度高韧性SEW石油套管用钢组织为铁素体和珠光体组织，钢带屈服强度在400-500MPa，抗拉强度在600-700MPa，延伸率A50mm在30-35％；调质处理后整管的屈服强度在905-950MPa、抗拉强度990-1100MPa、横向-10℃夏比冲击功Akv≥80J，延伸率A50mm不小于18％。
采用本发明生产的高强度高韧性SEW石油套管用钢组织为铁素体、珠光体和少量的贝氏体组织，晶粒度等级为8.0-10.0级，图1为本发明的一个实施例的热轧板卷的金相组织，图2为本发明的一个实施例的调质处理后的金相组织。
以下通过具体实施例对本发明的技术方案做进一步说明。
按照本发明提供的化学成分要求，采用铁水预处理→转炉炼钢→合金微调站→LF炉外精炼→RH炉外精炼→连铸→热轧。中包钢水化学成分满足重量百分比(wt％)：C：0.15％-0.25％、Si：0.20％-0.30％、Mn：1.00％-1.50％、P：≤0.015％、S：≤0.0050％、Mo：0.10％-0.50％、V：0.03-0.06％、Ti：0.01-0.03％、Cr：0.20-0.60％；Als：0.020-0.035％；其余为Fe及不可避免的夹杂。连铸全过程进行保护浇铸。
本发明各实施例的化学成分如图3所示。成分检测根据GB/T4336《碳素钢和中低合金钢火花源原子发射光谱分析方法(常规法)》进行。
轧制工序采用板坯加热至1170-1210℃→高压水除鳞→2机架粗轧→7机架精轧→空冷→卷取，主要轧制工艺参数及试验钢的拉伸力学性能如图4所示。
本发明实施例管的调质工艺和力学性能，如图5所示。
综上所述，按本发明钢种化学成分设计范围及轧制工艺控制技术所得实施例钢的性能：钢带屈服强度在400-500MPa，抗拉强度在600-700MPa，延伸率A50mm在30-35％；调质处理后，整管的屈服强度在905-950MPa、抗拉强度990-1100MPa、横向-10℃夏比冲击功Akv≥80J，延伸率A50mm不小于18％。
综上所述，该Q125钢级SEW石油套管及其制造方法，通过控制贵重合金Mo、Cr、V的用量，采用合适的炼钢、连铸、热轧、冷却以及卷取等生产工艺，获得了板卷初始屈服强度在400-500MPa，抗拉强度在600-700MPa的热轧卷板，板卷的初期焊接性能优良。采用SEW制管工艺，通过合适的调质处理获得钢管屈服强度在905-950MPa、抗拉强度990-1100MPa、横向-10℃夏比冲击功Akv≥80J、延伸率A50mm不小于18％的Q125级石油套管。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (2)

1.一种Q125钢级SEW石油套管及其制造方法，其特征在于：所述热轧钢卷的化学成分重量百分比含量为C：0.15％-0.25％、Si：≤0.30％、Mn：1.00％-1.50％、P：≤0.015％、S：≤0.0050％、Mo：0.10％-0.50％、V：0.03-0.06％、Ti：0.01-0.03％、Cr：0.20-0.60％，Als：0.020-0.035％，其余为Fe及不可避免的夹杂，具体操作如下：
S1、按照上述热轧钢卷的化学成分重量百分比含量以连铸板坯为热轧坯料，其中，加热时，铸坯进入加热炉中进行加热，控制铸坯出炉温度在1170-1210℃，初始连铸板坯厚度为230mm；
S2、经过两机架共8道次的粗轧，粗轧阶段在奥氏体再结晶区轧制，轧制开始温度控制在1000-1060℃范围内，中间坯厚度控制为60mm，获得中间坯；
S3、将步骤S2中得到的中间坯进行七机架连轧，累计变形量≥60％，通过累计大变形，增加形变奥氏体内的形变带和位错密度，增加相变形核点细化晶粒，终轧温度控制在830-870℃，获得厚度在10-13mm的热轧板卷；
S4、轧后钢板空冷后进行卷取操作，其中卷取温度为650-750℃。
2.根据权利要求1所述的一种Q125钢级SEW石油套管及其制造方法，其特征在于：所述热连轧板卷初始屈服强度在400-500MPa，抗拉强度在600-700MPa范围，初始屈服强度控制在500MPa以下，是为了获得初期焊接性能优良，便于后续SEW焊接成型；板卷经过SEW焊接及调质处理工艺后，屈服强度在905-950MPa、抗拉强度990-1100MPa、横向-10℃夏比冲击功Akv≥80J、延伸率A50mm不小于18％。
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