CN114836691B - 一种钻采用无缝钢管及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种钻采用无缝钢管，成分按重量百分比：C：0.10％～0.14％、Si：0.55％～0.70％、Mn：0.30％～0.50％、P：≤0.010％、S：≤0.003％、Cr：1.55％～1.70％、Mo：0.50％～0.70％、V：0.03％～0.05％、Ni：0.81％～1.00％、Ti：0.055％～0.080％、B：0.0005％～0.0050％、N：0.010％～0.019％、Als：0.01％～0.05％、H：≤0.0002％、O：≤0.0021％、Ti/N≥3.5；其余为Fe。本发明可以大大增加高压井、深井等需要高强度级别的钢管在复杂环境中的使用安全性。钢管的制造工艺绿色环保，工序更少，生产周期更短，降低经济成本和时间成本。

Description

一种钻采用无缝钢管及其制造方法

技术领域

本发明涉及低合金钢制造技术领域，特别涉及一种钻采用无缝钢管及其制造方法。

背景技术

随着油、气勘探技术的不断发展与进步，开采的石油油层与天然气气层正逐渐由浅变深，并开始向复杂恶劣地质结构区块延伸，这些油气井内的压力变大，原油黏性增强，使井下的油井管所承受的应力状态更为复杂和严酷。这样的钻采条件对油井管的强度及韧性要求很苛刻，一般要求钢管的屈服强度达到1000MPa或更高。

在目前生产技术水平下，钢材存在微小缺欠或损伤是难以避免的，关键是要在提高管材强度的同时，改善其韧性，使材料的缺欠或损伤在承载后不致扩展而导致破裂。目前，制约油井管机械性能的主要问题之一是高强度和强韧性匹配，一般钢的强韧性表现为互为消长的关系，强度高的钢常常韧性就低，反之，为追求高韧性，就必须牺牲钢的强度。实验显示，当管材的屈服强度为950MPa以上时，随着强度的进一步提升冲击韧性呈现断崖式下降，而具有韧强性匹配不低于0.1的屈服强度1000MPa甚至更高强度水平的油井管又是当下及未来的急需产品，这也是公认的世界性难题，一直是各冶金学者和专家研究的热点领域。

例如，公开号为CN2109055873A的中国专利，公开了一种140ksi钢级无缝钢管的化学成分配方，采用转炉炼钢+调质工艺制造，但该发明产品的屈服强度仅能保证980MPa以上，未能满足屈服强度高于1000MPa的高强度要求，应用范围受限，只能在有限条件下使用。

公开号为CN103320697A的中国专利，介绍了一种超深井工况的钻杆管体及制造方法，主要采用淬火+二次回火热处理的方式制造钢管，增加了工序成本，经济性不好，而且产品的冲击韧性也不能满足韧强性匹配不低于0.1的要求，产品使用安全性难以保证。

公开号为CN102400065A的中国专利，给出了一种高韧性超高强油井用无缝钢管的化学成分配方，通过大幅增加化学元素种类和含量的方式使无缝钢管材料的冲击韧性有所改善，但产品的屈服强度仅能保证980MPa以上，未能满足屈服强度高于1000MPa的高强度要求，应用范围受限，只能在有限条件下使用。

公开号为CN11114954A的中国专利，公开了一种含稀土高强高韧深井页岩气用无缝钢管热处理方法，主要采用二次淬火+高温回火+矫直的热处理的方式，增加了工序成本，经济性不好，还增加了生产组织的困难，不利于工业推广应用，而且，该产品技术效果的描述自相矛盾，出现了产品屈服强度反超抗拉强度的情况，与常理不符，产品使用安全性难以保证。

公开号为CN1619005A的中国专利，介绍了一种深井、超深井石油套管及其生产方法，但该产品匹配的冲击韧性仅能保证到40J，韧性显然不理想，不能满足韧强性匹配不低于0.1的要求，产品使用安全性难以保证。

公开号为CN100595309C的中国专利，介绍了一种高强度高韧性石油套管及其制造方法，产品匹配的冲击韧性仅能保证到80J，也不能满足韧强性匹配不低于0.1的要求，产品使用安全性难以保证。公开号为CN101586450A的中国专利，公开了一种具有更高强度的石油套管，据介绍，其屈服强度可达到160ksi，但匹配的冲击韧性值不能满足韧强性匹配不低于0.1的要求，使用安全性较低。公开号为CN101285151A的中国专利，公开了一种具有高韧性的石油套管及其制造方法，通过油淬生产，虽获得了相对较好的强韧性能，但从生产效率、节能、环保及安全性考虑，仍有较明显的弊端。

综上，已公开的专利技术均不能提供具有韧强性匹配不低于0.1的屈服强度1000MPa甚至更高强度水平的油井管产品，无法满足当下及未来苛刻使用条件下油井管对使用安全性的要求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种钻采用无缝钢管及其制造方法，满足油、气田深井及超深井等复杂井况的安全开采需要。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案实现：

一种钻采用无缝钢管，成分按重量百分比：C：0.10％～0.14％、Si：0.55％～0.70％、Mn：0.30％～0.50％、P：≤0.010％、S：≤0.003％、Cr：1.55％～1.70％、Mo：0.50％～0.70％、V：0.03％～0.05％、Ni：0.81％～1.00％、Ti：0.055％～0.080％、B：0.0005％～0.0050％、N：0.010％～0.019％、Als：0.01％～0.05％、H：≤0.0002％、O：≤0.0021％、Ti/N≥3.5；其余为Fe。

一种钻采用无缝钢管性能：屈服强度：1000～1150MPa；抗拉强度：≥1080MPa；冲击韧性：全尺寸夏比冲击功(0℃)≥120J；延伸率≥19％。

各合金元素作用：

C：碳的作用，一方面是提高淬透性，与钢中其它合金元素形成碳化物可以提高强度，碳含量低于0.10％时，对于本发明钢的淬透性和强度难以保证；另一方面，碳元素含量过剩会填充到钢的基体晶格间隙中，对钢的韧性起到极大的破坏作用，本发明中碳含量高于0.14％不利于韧性的保证。

Si：硅的作用，一方面起到脱氧作用，本发明中为了获得较低的氧含量，需要将硅的含量限定在0.55％以上；另一方面，硅以置换方式固溶到钢中，既可以起到强化效果，弥补了碳含量间隙固溶量减少引起的强度损失，又可以降低对韧性的损害。但硅的含量也必须规定上限，否则含量过高仍会对钢的韧性有一定损害，故限制其含量上限为0.70％。

Mn：锰的作用，一方面可提高淬透性，与钢中的S元素结合成MnS，可以避免钢的热脆性的产生；另一方面，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0.3％时作用不明显，含量超过0.5％时，促使有害元素在晶界偏聚的作用开始明显，降低本发明产品的韧性。

P：磷在晶界偏析，升高韧脆转变温度，降低钢的韧性，这里须将其限定在0.010％以下。

S：硫易与锰等形成非硬质夹杂，在加工过程中沿轧制方向发生延伸变形，破坏材料基体的连续性，降低钢管夏比V型缺口韧性指标。这里须将其限定在0.003％以下。

Cr：铬的作用，一方面可以提高淬透性，使钢在淬火时可以获得更多的马氏体组织；另一方面，铬通过与碳、氮的亲和力较强，可以置换铁碳氮化物中的铁，改善碳化物尺寸和形态，获得更好的强韧性能。此外，铬还具有耐腐蚀作用，对本发明产品的使用安全性大为有利。含量低于1.55％时，本发明产品的韧性和强度会不足，高于1.70％时，作用已不明显。

Mo：钼的作用，一方面可以提高淬透性，使钢在淬火时可以获得更多的马氏体组织；另一方面，钼可以提高钢的回火抗力，抑制回火脆性，其细化晶粒作用明显，对改善钢的强韧性作用较大，含量低于0.50％时，强韧性难以满足要求，高于0.70％时，在本发明中的作用减弱，还增加成本。

V：钒的作用，一方面通过形成碳、氮的化合物，提高钢强度；另一方面，钒可以细化晶粒，具有改善钢的强韧性的作用。但钒的作用发挥与碳、氮、钛的含量配比关系密切，本发明中钒的含量低于0.03％时强韧性达不到要求，高于0.05％时作用已不明显。

Ni：镍是本发明的钢中添加的重要的合金元素，一方面，镍在钢中可促进交滑移发生，降低韧脆转变温度，对韧性的提高作用显著；另一方面，镍还是最强烈的奥氏体稳定元素之一，可以提高钢的淬透性和组织均匀性。为达到本发明的目的，镍的添加量至少为0.81％，同时因为镍的价格昂贵，资源稀缺，在本发明中规定镍含量的上限为1.00％。

Ti：钛的作用，一方面与碳、氮的亲和力非常强，可以促进碳、氮化合物的形成，既能提升钢的强度，又可以改善钢材的韧性；另一方面，钛与碳、氮形成的碳、氮化物可起到细化晶粒、提高强韧性的作用，但钛的含量高于0.080％时，冶炼浇铸容易絮水口，增加工序控制难度和降低产品质量稳定性，故本发明中限定钛的含量范围0.055～0.080％。

B：硼的作用，一方面硼在钢中能降低碳原子在晶界上的偏聚浓度，有效地抑制先共析铁素体的析出，强烈提高钢的淬透性；另一方面，硼对贝氏体、马氏体转变的推迟较少，可以有效强化钢的晶界。而且，只要有微量的硼存在于钢中，即可产生明显效果，但含量太高时对钢的性能稳定性控制难度增大，故本发明中限定硼的范围为0.0005～0.0050％。

N：氮的作用，一方面氮可以与钛、钒形成化合物，提高钢的强度，改善钢的韧性；另一方面，氮的金属化合物还在制造过程中起到细化晶粒的作用，提高钢的强韧性能。含量太少，作用不明显，含量太多，增加控制成本，不利于本发明技术效果的稳定获得，故本发明中限定氮的范围为0.010～0.019％。

Als：铝一方面作为强脱氧剂加入，另一方面可细化晶粒，改善钢的韧性，钢中酸溶铝含量低于0.01％时作用不足，高于0.05％时作用已饱和，并开始损害钢的高温强韧性。

H、O：氢、氧作为有害气体元素，需限定其在钢中的含量，否则，影响韧性。

一种钻采用无缝钢管制造方法，工艺流程：冶炼、离心浇铸管坯、定尺、表面处理、管坯加热、穿轧扩孔、延伸轧制、再加热+水淬冷却、回火处理、带温矫直、探伤；其中：

1)离心浇铸获得中空管坯，离心浇铸温度1580-1620℃，转速1450～1500rpm；

2)管坯低温加热温度1150～1200℃；

3)穿轧温度1150～1200℃；

4)延伸轧制钢管延伸变形温度不低于1000℃；

5)再加热温度880～900℃，立即进行快速水淬冷却，冷速70～80℃/s，得到马氏体占比90％以上的淬火组织；

6)钢管回火温度620～680℃；

7)定径后钢管采用不低于350℃的带温矫直。

与现有的技术相比，本发明的有益效果是：

1.本发明钢管的夏比V型缺口CVN与屈服强度之比大于等于0.1，且确保产品屈服强度不低于1000MPa，可以大大增加高压井、深井等需要高强度级别的钢管在复杂环境中的使用安全性。

2.本发明钢管的制造工艺绿色环保，工序更少，生产周期更短，降低经济成本和时间成本。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明进一步说明：

以下实施例对本发明进行详细描述。这些实施例仅是对本发明的最佳实施方案进行描述，并不对本发明的范围进行限制。

一种钻采用无缝钢管，成分按重量百分比：C：0.10％～0.14％、Si：0.55％～0.70％、Mn：0.30％～0.50％、P：≤0.010％、S：≤0.003％、Cr：1.55％～1.70％、Mo：0.50％～0.70％、V：0.03％～0.05％、Ni：0.81％～1.00％、Ti：0.055％～0.080％、B：0.0005％～0.0050％、N：0.010％～0.019％、Als：0.01％～0.05％、H：≤0.0002％、O：≤0.0021％、Ti/N≥3.5；其余为Fe。

一种钻采用无缝钢管制造方法，工艺流程：冶炼、离心浇铸管坯、定尺、表面处理、管坯加热、穿轧扩孔、延伸轧制、再加热+水淬冷却、回火处理、带温矫直、探伤；具体包括：

⑴钢的冶炼

钢水冶炼+炉外精炼+真空脱气的冶炼工艺路线，炼钢原料选用优质IF钢废钢和海绵铁，采用纯净钢冶炼技术控制P、S、O、H及As、Sn、Pb、Sb、Bi等有害元素的含量，其中炉外精炼和真空脱气采用氮气代替氩气进行搅拌，氮的加入方式以V-N合金形式添加。

⑵管坯制造

为提高材料基体的强韧性，发明产品的管坯采用离心铸造方式获得，铸造后的坯料为中空毛坯，对毛坯进行定尺处理，对定尺后的毛坯内、外表面进行清理，得到内外表面光洁的管坯。

⑶钢管成型

将中空管坯装入加热炉加热至温度均匀，加热温度1150～1200℃，管坯低温加热使轧制后的钢管的晶粒组织更为细化，管坯加热温度越低，原始奥氏体晶粒尺寸越细小，这样的尺寸效应会遗传到再加热后的奥氏体，从而可以获得尺寸较小的马氏体淬火组织、回火组织及亚结构。而细化晶粒尺寸可以显著提高钢材的韧性，同时还会略微提升钢材的强度性能。提升产品韧强性能。之后经过穿孔机穿轧处理，管坯穿轧温度1150～1200℃，穿孔机对中空管坯减壁变形的变形阻力小；经过扩孔减壁后的钢管还要经过钢管延伸轧制机组的延伸变形、微张力定减径机组定型，钢管延伸变形温度不低于1000℃，然后加热炉再加热+快速水淬冷却，冷速70～80℃/s，控制冷却得到马氏体占比90％以上的淬火组织，之后回火处理，钢管回火温度620～680℃，定径后钢管采用不低于350℃的带温矫直，矫直后的钢管还需经过探伤检验。

实施例：

钻采用无缝钢管，管坯尺寸/>

穿轧扩孔后尺寸

钢的化学成分见表1；制造工艺参数见表2；无缝钢管的力学性能见表3。

表1：化学成分

表2：制造工艺参数

表3：本发明产品的力学性能

Claims (1)

1.一种钻采用无缝钢管，其特征在于，屈服强度：1000～1150MPa；抗拉强度≥1080MPa；冲击韧性：全尺寸夏比冲击功≥120J；延伸率≥19％，成分按重量百分比：C：0.10％～0.14％、Si：0.55％～0.70％、Mn：0.30％～0.50％、P：≤0.010％、S：≤0.003％、Cr：1.55％～1.70％、Mo：0.50％～0.70％、V：0.03％～0.05％、Ni：0.81％～1.00％、Ti：0.055％～0.080％、B：0.0005％～0.0050％、N：0.010％～0.019％、Als：0.01％～0.05％、H：≤0.0002％、O：≤0.0021％、Ti/N≥3.5；其余为Fe；钻采用无缝钢管制造方法，工艺流程：冶炼、离心浇铸管坯、定尺、表面处理、管坯加热、穿轧扩孔、延伸轧制、再加热+水淬冷却、回火处理、带温矫直、探伤；其中：

1)离心浇铸获得中空管坯，离心浇铸温度1580-1620℃，转速1450～1500rpm；

2)管坯低温加热温度1150～1200℃；

3)穿轧温度1150～1200℃；

4)延伸轧制钢管延伸变形温度不低于1000℃；

5)再加热温度880～900℃，立即进行快速水淬冷却，冷速70～80℃/s，得到马氏体占比90％以上的淬火组织；

6)钢管回火温度620～680℃；

7)定径后钢管采用不低于350℃的带温矫直。