CN113549816B

CN113549816B - 一种高强高韧电阻焊石油套管用钢及套管的制造方法

Info

Publication number: CN113549816B
Application number: CN202110720737.0A
Authority: CN
Inventors: 黄明浩; 黄国建; 王杨; 孔祥磊; 张英慧
Original assignee: Angang Steel Co Ltd
Current assignee: Angang Steel Co Ltd
Priority date: 2021-06-28
Filing date: 2021-06-28
Publication date: 2022-11-18
Anticipated expiration: 2041-06-28
Also published as: CN113549816A

Abstract

本发明一种高强高韧电阻焊石油套管用钢及套管的制造方法，钢中化学成分按重量百分比计为：C0.19％‑0.22％、Si0.25％‑0.40％、Mn1.30％‑1.50％、P≤0.015％、S≤0.006％、Nb0.02％‑0.04％、V0.03％‑0.045％、Ti0.010％‑0.030％、Cr0.10％‑0.19％、Als0.02％‑0.05％、N≤0.008％，其余为Fe和不可避免元素。本发明的有益效果是：采用Nb‑V‑Cr复合强化设计，具有良好冲击韧性的P110级HFW石油套管钢及其制造方法。

Description

一种高强高韧电阻焊石油套管用钢及套管的制造方法

技术领域

本发明涉及石油套管制造技术领域，尤其涉及一种高强高韧电阻焊石油套管用钢及套管的制造方法，特别是涉及API SPEC 5CT中钢级为P110，且冲击功大于86J的高韧性ERW石油套管用钢及其制造方法。

背景技术

石油套管是油田最常用的石油专用管材之一，用量大，花钱多，是油气田钻采作业中必不可少的施工材料。HFW套管与无缝管相比，具有壁厚均匀、尺寸精度高、射孔性能好、抗挤毁能力强、成本低等显著优势，正在逐渐替代传统的无缝钢管。

目前，我国许多油田开发进入中后期，开发难度越来越大，特别是深井对套管力学性能提出了更高强度和更高韧性的要求。因此，开发出高强度高韧性直缝电阻焊套管成为当务之急。传统理论认为，钢的强度与韧性通常表现为互为消长的关系，强度高的个钢常常韧性就低，反之，为追求高的韧性就必须牺牲钢的强度。高强度套管需要匹配的韧性极高，一直是研究的热点。根据英国能源部发布的技术文件规定，钢管的横向缺口冲击功应高于抗拉强度的1/10。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高强高韧电阻焊石油套管用钢及套管的制造方法，特别是采用Nb-V-Cr复合强化设计，具有良好冲击韧性的P110级HFW石油套管钢及其制造方法。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案实现：

一种高强高韧电阻焊石油套管用钢，钢中化学成分按重量百分比计为：C0.19％-0.22％、Si 0.25％-0.40％、Mn 1.30％-1.50％、P≤0.015％、S≤0.006％、Nb0.02％-0.04％、V 0.03％-0.045％、Ti 0.010％-0.030％、Cr 0.10％-0.19％、Als 0.02％-0.05％、N≤0.008％，其余为Fe和不可避免元素。

C：为碳化物形成元素，是保证强度的最有效元素，可以提高淬透性，保证高温回火时材料强度。碳含量对最终奥氏体、马氏体的碳含量与体积分数有着重要的影响。只有保证足够的碳，才会形成足够的富碳残余奥氏体并能够稳定至室温。如碳含量低，为了调质后能够达到P110级别，则需要添加大量合金元素提高淬透性，提高合金成本。因此，碳含量不宜过低，但碳含量过高将影响产品的焊接性和冲击韧性，其最佳范围是0.19％-0.22％。

Si：可以起到固溶强化作用，在热处理中可提高淬透性，但其含量过高会使钢的塑性和韧性降低，其最佳范围是0.25％-0.40％。

Mn：锰具有固溶强化作用，还能增加奥氏体稳定性，对提高淬透性也有利，有效保证钢的强度。锰可降低马氏体转变温度Ms，增加残余奥氏体的含量。锰对提高低碳和中碳珠光体钢的强度有显著的作用。同时锰还可以提高钢的硬度和耐磨性。但锰含量过大，可增加连铸坯的中心偏析倾向，会使钢板中带状组织增多，并且在热处理后保存下来，最终钢板中会含有一定量的带状组织，而贝氏体、马氏体等硬相在带状组织中聚集，使钢板的脆性增加，塑性降低，力学性能下降。其最佳范围是1.30％-1.50％。

P：磷是钢中有害元素，增加钢的冷脆性，使焊接性能变坏，降低塑性，使冷弯性能变坏，应控制其含量≤0.015％。

S：硫是钢中有害元素，使钢产生热脆性，降低钢的延展性和韧性，恶化焊接性能，为保证钢水的高纯净度，应控制其含量≤0.006％。

Nb：铌是细晶和析出强化元素，可弥补因碳降低而引起的强度的下降，改善冲击性能；在淬火时起到一定的阻止晶粒长大作用，从而细化淬火后晶粒，保证冲击韧性；但过高会增加合金成本，合适的范围是0.02％-0.04％。

V：钒的碳氮化物在铁素体中以细小弥散形式均匀析出，具有细晶强化作用，可以显著提高材料的屈服强度和抗拉强度，同时提高低温冲击韧性；高温熔入奥氏体时，可增加钢的淬透性；固溶于铁素体中有极强的固溶强化作用。在淬火和回火热处理过程中，都可阻碍晶粒长大作用，可提高钢的强度和韧性。但过高会增加合金成本，合适的范围是0.03％-0.045％。

Ti：钛是强的碳化物形成元素，加入0.015％左右Ti时，可在板坯连铸时形成高温稳定细小的TiN析出相，这种细小的TiN析出相可有效阻止连铸坯在加热过程中奥氏体晶粒的长大，同时对改善钢焊接时热影响区的韧性有明显作用。更多的Ti含量，可获得较多的TiC粒子，通过应变诱导析出和相变析出提高钢的强度。同时，析出的TiC产生较强的沉淀强化作用可以保证钢管后续热处理晶粒不明显长大，从而保证了整管热处理后的强度和高的冲击韧性要求。但Ti含量过高时强度不再增加，而冲击功则急剧下降，且合金成本偏高。其最佳范围是0.01％-0.03％。

Cr：铬可通过固溶强化和细晶强化来提高强度。Cr可以和Mn一样固溶到固溶体中，起到提高强度的作用。Cr元素溶入奥氏体后增大过冷奥氏体的稳定性，使C曲线右移，提高钢的淬透性。钢材具有高的强度、硬度。同时，Cr是中等碳化物形成元素，在所有各种碳化物中，铬碳化物是最细小的一种，它可均匀地分布在钢体积中，并且阻碍奥氏体晶界的移动和奥氏体晶粒的长大，起到细化晶粒的作用，从而改善钢的回火脆性；铬还具有降低钢在高温二氧化碳环境中的腐蚀速度的作用，减慢套管在油井腐蚀速率，提高使用寿命；但铬含量过高会显著提高钢的脆性转变温度，降低伸长率，容易形成粗大的碳化物，反而导致韧性的劣化。合适的范围是0.10％-0.19％。

Als：铝是常用的脱氧剂，在钢中加入少量的铝，可细化晶粒，提高冲击韧性，合适的范围是0.02％-0.05％。

N：固溶氮有钉扎位错的强烈作用，对韧性有不良影响，应控制其含量≤0.008％

一种高强高韧电阻焊石油套管的制造方法，方法包括铁水预处理、钢水冶炼、炉外精炼和板坯连铸、连铸坯再加热、轧制、冷却、卷取、ERW制管和整管热处理，具体为：

1)冶炼连铸工艺：铁水预处理，转炉冶炼－经顶吹或顶底复合吹炼，炉外精炼、LF炉轻脱硫处理及进行钙处理以控制夹杂物形态和提高钢的延展性、韧性和冷弯性能，板坯连铸制成连铸板坯－连铸采用电磁搅拌或动态轻压下、以提高连铸板坯的质量；

2)轧制工艺：连铸板坯经加热炉加热至1050-1150℃，随后采用热连轧轧制，终轧温度800-860℃，轧后钢带以16-22℃/s的冷却速度进行冷却，在540-590℃温度进行钢带卷取；

3)钢带经过ERW机组进行高频或中频电阻焊制成钢管；

4)整管调质热处理工艺：经ERW制管后，整管加热到850-900℃，保温25-50min，水淬；再把整管加热到500-550℃，保温50-70min，水冷回火，以5-10℃/s的冷却速度快速回火可以有效抑制高温回火脆性；

热轧态钢带的屈服强度为460-550MPa，抗拉强度为590-630MPa，显微组织为铁素体-珠光体。

调质后整管的屈服强度为800-880MPa，抗拉强度为900-960MPa，伸长率25％-30％，0℃横向夏比冲击功(3个试样均值)Akv≥100J。

API Spec 5CT规定：P110级别钢管的屈服强度在758-965MPa之间，抗拉强度≥862MPa，伸长率≥14％；0℃时横向夏比冲击功≥32J，但达到高韧性需要冲击功大于86J。为顺利实现高强度高韧性P110套管的生产，可采用热连轧轧制出强度略低的热轧钢带，然后进行ERW焊接制管，再对整管进行热处理，使钢管的最终性能满足高强度高韧性P110要求。而且焊缝和管体进行相同的热处理工艺，得到的最终组织相同，有效减轻焊缝与管体的组织、性能差异，消除残余应力，提高钢管整体的质量。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1)C、Mn含量适中，钢带冲击韧性高；

2)Nb-V-Cr复合强化设计，可充分细化晶粒，提高强度和韧性；

3)采用Cr、Ti减轻回火脆性，保证了钢管具有更好的冲击韧性，可防止油井管的脆断，具有更高的安全性；

4)热轧态板卷性能低，后续制管成型容易；整管进行调质热处理，性能为P110级别，保证了管体和焊缝性能的一致性；

5)热处理方式采用淬火-回火，实施方式更简单，易于操作。

具体实施方式

通过实施例对本发明进行更详细的描述，这些实施例仅仅是对本发明最佳实施方式的描述，并不对本发明的范围有任何的限制。

实施例1～6化学成分见表1，加热、轧制、冷却工艺参数见表2，力学性能检测结果见表3，表4是套管热处理态力学性能。

表1实施例化学成分wt％

实施例	C	Si	Mn	P	S	Nb	V	Ti	Cr	Als	N
												1	0.20	0.28	1.37	0.011	0.003	0.03	0.044	0.02	0.13	0.03	0.0041
2	0.21	0.30	1.40	0.013	0.004	0.02	0.030	0.02	0.11	0.04	0.0042
												3	0.19	0.38	1.48	0.012	0.002	0.04	0.040	0.04	0.16	0.03	0.0043
4	0.22	0.32	1.36	0.010	0.001	0.03	0.038	0.03	0.14	0.03	0.0042
												5	0.21	0.29	1.42	0.008	0.003	0.03	0.032	0.02	0.19	0.04	0.0046
6	0.22	0.25	1.30	0.009	0.002	0.04	0.035	0.03	0.12	0.03	0.0048

表2加热、轧制工艺和热轧态力学性能

表3热处理工艺

表4热处理态力学性能

由表4可见，采用本发明的成分设计和轧制、整管热处理工艺，生产出的淬火-回火态直缝电阻焊石油套管，满足API SPEC 5CT标准高韧性P110级钢管的要求。

Claims

1.一种高强高韧电阻焊石油套管的制造方法，其特征在于，高强高韧电阻焊石油套管用钢的钢中化学成分按重量百分比计为：C 0.19％-0.22％、Si 0.25％-0.40％、Mn1.30％-1.40％、P≤0.015％、S≤0.006％、Nb 0.02％-0.03％、V 0.03％-0.045％、Ti0.010％-0.030％、Cr 0.10％-0.16％、Als 0.02％-0.05％、N≤0.008％，其余为Fe和不可避免元素；

制造方法包括：

1)轧制工艺：连铸板坯经加热炉加热至1060-1100℃，随后采用热连轧轧制，终轧温度800-860℃，轧后钢带以16-22℃/s的冷却速度进行冷却，在540-570℃温度进行钢带卷取；

2)钢带经过ERW机组进行高频或中频电阻焊制成钢管；

3)整管调质热处理工艺：经ERW制管后，整管加热到850-900℃，保温25-50min，水淬；再把整管加热到500-550℃，保温50-55min，以5-10℃/s的冷却速度回火。

2.根据权利要求1所述的一种高强高韧电阻焊石油套管的制造方法，其特征在于，热轧态钢带的屈服强度为460-550MPa，抗拉强度为590-630MPa，显微组织为铁素体-珠光体。

3.根据权利要求1所述的一种高强高韧电阻焊石油套管的制造方法，其特征在于，调质后整管的屈服强度为800-880MPa，抗拉强度为900-960MPa，伸长率25％-30％，0℃横向夏比冲击功Akv≥100J。