CN115198186A - 一种深井用高强度电阻焊石油套管及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电阻焊套管技术领域，尤其涉及一种深井用高强度电阻焊石油套管及其制造方法。其化学成分按重量百分比为：C：0.10％～0.17％，Si：0.10％～0.40％，Mn：1.0％～1.2％，P：≤0.015％，S：≤0.008％，Nb：0.065％～0.085％，V：0.02％～0.04％，Ti：0.05％～0.10％，Cr：0.45％～0.60％，B：0.001％～0.004％，Als：0.02％～0.05％，N：≤0.008％，其余为Fe和不可避免元素。整管调质热处理工艺：经ERW制管后，整管加热到900～950℃，保温25～50min，水淬；再把整管加热到400～700℃，保温30～60min，空冷回火。本发明采用B‑Nb‑V‑Ti复合强化，合金成本低；热处理方式采用淬火‑回火，实施方式更简单，易于操作，工艺窗口大；采用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。

Description

一种深井用高强度电阻焊石油套管及其制造方法

技术领域

本发明涉及电阻焊套管技术领域，尤其涉及一种深井用高强度电阻焊石油套管及其制造方法。

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的要求。因此，开发出深井用高强度直缝电阻焊套管成为当务之急。

API Spec 5CT规定：Q125级别钢管的屈服强度在862～1034MPa之间，抗拉强度≥931MPa，伸长率≥14％；0℃时横向夏比冲击功≥20J，纵向冲击功大于41J。为顺利实现高强度高韧性Q125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Q125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。

CN112522607A公开了“一种Q125钢级SEW石油套管及其制造方法”，虽然整管热处理达到Q125强度要求，但贵重合金Mo贵重元素含量较多，合金成本高。CN103194693A公开了“一种高强度高韧性石油套管及其制造方法”，虽然整管热处理达到Q125强度要求，但该发明贵重合金Mo、Ni贵重元素含量较多，合金成本高。论文“调质型低碳Q125级ERW石油套管钢的组织与性能”，该文献为北京科技大学公开的一种低碳Q125级ERW套管的的开发与生产，C含量低，车丝性能差，同时Mo、Ni、Cu贵重元素含量较多，合金成本高。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种深井用高强度电阻焊石油套管及其制造方法，合金成本低；实施方式更简单，易于操作，工艺窗口大；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。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案实现：

一种深井用高强度电阻焊石油套管用钢，其化学成分按重量百分比为：

C：0.10％～0.17％，Si：0.10％～0.40％，Mn：1.0％～1.2％，P：≤0.015％，S：≤0.008％，Nb：0.065％～0.085％，V：0.02％～0.04％，Ti：0.05％～0.10％，Cr：0.45％～0.60％，B：0.001％～0.004％，Als：0.02％～0.05％，N：≤0.008％，其余为Fe和不可避免元素。

一种深井用高强度电阻焊石油套管用钢的制造方法，工艺流程为铁水预处理→钢水冶炼→炉外精炼→板坯连铸→连铸坯再加热→轧制→冷却→卷取，具体包括：

1)冶炼连铸工艺：包括铁水预处理、转炉冶炼、炉外精炼、LF炉轻脱硫处理及进行钙处理、板坯连铸；

2)轧制工艺：连铸板坯经加热炉加热至1100～1200℃，随后采用热连轧轧制，终轧温度850～920℃，轧后钢带以10～20℃/s的冷却速度进行冷却，在580～650℃温度进行钢带卷取。

步骤1)转炉冶炼：经顶吹或顶底复合吹炼。

步骤1)板坯连铸：连铸采用电磁搅拌或动态轻压下。

一种深井用高强度电阻焊石油套管用钢，其热轧态钢带的屈服强度为550～650MPa，抗拉强度为690～800MPa，显微组织为铁素体-贝氏体。

一种深井用高强度电阻焊石油套管，调质后整管的屈服强度为890～1034MPa，抗拉强度为>950MPa，伸长率>14％，0℃横向冲击功≥80J，纵向冲击功≥96J。

一种深井用高强度电阻焊石油套管的制造方法，工艺流程为ERW制管→整管热处理，具体包括：

1)钢带经过ERW机组进行高频/中频电阻焊制成钢管；

2)整管调质热处理工艺：经ERW制管后，整管加热到900～950℃，保温25～50min，水淬；再把整管加热到400～700℃，保温30～60min，空冷回火。

与现有方法相比，本发明的有益效果是：

1)C含量适中，车丝性能和低温韧性好；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Q125级别，则需要添加大量合金元素提高淬透性，提高合金成本；同时车丝性能差。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0.10％-0.17％。

2)采用B-Nb-V-Ti复合强化，合金成本低。Nb主要细晶强化，V主要析出强化，Ti主要固氮强化，三者混合添加的效果优于单独Nb、V、Ti的添加效果。硼提高淬透性的能力很强，0.002％的硼相当于0.6％锰、0.7％铬、0.5％钼和1.5％镍，故可添加少量硼达到替代贵重合金元素的作用。

3)热处理方式采用淬火-回火，回火温度范围广，工艺窗口宽，实施方式更简单，易于操作。

4)Ti含量适中，有效减轻回火脆性，保证了钢管具有更好的冲击韧性；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。当Ti含量超过0.05％时，作为合金元素通过细晶强化和析出强化显著提高钢的强度，其最佳范围是0.05％-0.10％。

附图说明

图1是本发明回火组织图。

具体实施方式

本发明公开了一种深井用高强度电阻焊石油套管及其制造方法。本领域技术人员可以借鉴本文内容，适当改进工艺参数实现。特别需要指出的是，所有类似的替换和改动对本领域技术人员来说是显而易见的，它们都被视为包括在本发明。本发明的方法及应用已经通过较佳实施例进行了描述，相关人员明显能在不脱离本发明内容、精神和范围内对本文所述的方法和应用进行改动或适当变更与组合，来实现和应用本发明技术。

一种深井用高强度电阻焊石油套管，其化学成分按重量百分比为：

C：0.10％～0.17％，Si：0.10％～0.40％，Mn：1.0％～1.2％，P：≤0.015％，S：≤0.008％，Nb：0.065％～0.085％，V：0.02％～0.04％，Ti：0.05％～0.10％，Cr：0.45％～0.60％，B：0.001％～0.004％，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Q125级别，则需要添加大量合金元素提高淬透性，提高合金成本；同时车丝性能差。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0.10％～0.17％。

Si：可以起到一定的固溶强化作用，可显著提高钢的屈服强度和屈强比，并提高疲劳强度和疲劳比，但含量过高会显著降低钢的塑性和韧性，其最佳范围是0.10％～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1.0％～1.2％。

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，使钢具有更高强度和高韧性；但过高会增加合金成本，合适的范围是0.065％～0.085％。

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，无论淬火还是回火，都可大幅度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0.02％～0.04％。

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。当Ti含量超过0.05％时，作为合金元素通过细晶强化和析出强化显著提高钢的强度，其最佳范围是0.05％～0.10％。

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，提高钢的耐磨性。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0.45％～0.60％

B：B能够显著提高淬透性并改善韧性。硼提高淬透性的能力很强，0.002％的硼相当于0.6％锰、0.7％铬、0.5％钼和1.5％镍，故可添加少量硼达到替代贵重合金元素的作用。硼含量过高过低，会影响其淬透性。合适的范围是0.002％～0.0045％。

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，本发明的Als含量为0.02％～0.05％。

P、S、N：是钢中不可避免的杂质元素，希望越低越好，但要求过低会增加生产成本，本发明的P≤0.015％、S≤0.004％、N≤0.006％。

一种深井用高强度电阻焊石油套管的制造方法，工艺流程为铁水预处理→钢水冶炼→炉外精炼→板坯连铸→连铸坯再加热→轧制→冷却→卷取→ERW制管→整管热处理，具体包括：

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1100～1200℃，随后采用热连轧轧制，终轧温度850～920℃，轧后钢带以10～20℃/s的冷却速度进行冷却，在580～650℃温度进行钢带卷取。

3)钢带经过ERW机组进行高频/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900～950℃，保温25～50min，水淬；再把整管加热到400～700℃，保温30～60min，空冷回火。

5)热轧态钢带的屈服强度为550～650MPa，抗拉强度为690～800MPa，显微组织为铁素体-贝氏体。调质后整管的屈服强度为890～1034MPa，抗拉强度为>950MPa，伸长率>14％，0℃横向冲击功≥80J，纵向冲击功≥96J。

【实施例】

一种深井用高强度电阻焊石油套管，按重量百分比由以下组分组成，见表1：

表1深井用高强度电阻焊石油套管化学成分wt％

一种深井用高强度电阻焊石油套管的制造方法，工艺流程为铁水预处理→钢水冶炼→炉外精炼→板坯连铸→连铸坯再加热→轧制→冷却→卷取→ERW制管→整管热处理。加热、轧制工艺和热轧态力学性能见表2，热处理工艺见表3。

表2加热、轧制工艺和热轧态力学性能

表3热处理工艺

本发明热轧态钢带的屈服强度为550～650MPa，抗拉强度为690～800MPa，显微组织为铁素体-贝氏体。调质后整管的屈服强度为890～1034MPa，抗拉强度为>950MPa，伸长率>14％，0℃横向冲击功≥80J，纵向冲击功≥96J，热处理态力学性能见表4。

表4热处理态力学性能

由表1-4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Q125级钢管的要求。

本发明采用B-Nb-V-Ti复合强化，合金成本低；热处理方式采用淬火-回火，实施方式更简单，易于操作，工艺窗口大；采用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。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种深井用高强度电阻焊石油套管用钢，其特征在于，其化学成分按重量百分比为：

C：0.10％～0.17％，Si：0.10％～0.40％，Mn：1.0％～1.2％，P：≤0.015％，S：≤0.008％，Nb：0.065％～0.085％，V：0.02％～0.04％，Ti：0.05％～0.10％，Cr：0.45％～0.60％，B：0.001％～0.004％，Als：0.02％～0.05％，N：≤0.008％，其余为Fe和不可避免元素。

2.一种权利要求1所述深井用高强度电阻焊石油套管用钢的制造方法，工艺流程为铁水预处理→钢水冶炼→炉外精炼→板坯连铸→连铸坯再加热→轧制→冷却→卷取，其特征在于，具体包括：

1)冶炼连铸工艺：包括铁水预处理、转炉冶炼、炉外精炼、LF炉轻脱硫处理及进行钙处理、板坯连铸；

2)轧制工艺：连铸板坯经加热炉加热至1100～1200℃，随后采用热连轧轧制，终轧温度850～920℃，轧后钢带以10～20℃/s的冷却速度进行冷却，在580～650℃温度进行钢带卷取。

3.根据权利要求2所述的一种深井用高强度电阻焊石油套管用钢的制造方法，其特征在于，步骤1)转炉冶炼：经顶吹或顶底复合吹炼。

4.根据权利要求2所述的一种深井用高强度电阻焊石油套管用钢的制造方法，其特征在于，步骤1)板坯连铸：连铸采用电磁搅拌或动态轻压下。

5.根据权利要求1所述的一种深井用高强度电阻焊石油套管用钢，其特征在于，其热轧态钢带的屈服强度为550～650MPa，抗拉强度为690～800MPa，显微组织为铁素体-贝氏体。

6.一种权利要求1所述深井用高强度电阻焊石油套管用钢制成的套管，其特征在于，调质后整管的屈服强度为890～1034MPa，抗拉强度为>950MPa，伸长率>14％，0℃横向冲击功≥80J，纵向冲击功≥96J。

7.一种权利要求6所述深井用高强度电阻焊石油套管的制造方法，工艺流程为ERW制管→整管热处理，其特征在于，具体包括：

1)钢带经过ERW机组进行高频/中频电阻焊制成钢管；

2)整管调质热处理工艺：经ERW制管后，整管加热到900～950℃，保温25～50min，水淬；再把整管加热到400～700℃，保温30～60min，空冷回火。

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