CN116657045A - 一种160ksi级高强韧非标油套管及其生产方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及超高强度结构钢技术领域，尤其涉及一种160ksi级高强韧非标油套管及其生产方法，其特征在于，其化学成分按照重量百分比组成为：C 0.10～0.40％，Si 0.05～0.35％，Mn 0.55～2.50％，Cr 0.50～2.50％，Mo 0.50～2.50％，V0.05～0.25％，Nb≤0.25％，Ni 0.25～0.95％，Cu 0.25～0.95％，Al≤0.05％，Ti≤0.05％，N≤0.005％，P≤0.015％，S≤0.005％，余量为Fe和不可避免的杂质。生产方法包括钢坯冶炼和连铸、钢管轧制和调质处理。与现有技术相比，本发明的有益效果是：高温轧制与直接在线淬火相配合，可无需二次加热，节省能源，提高了生产效率；采用离线淬火工艺，钢管经历了重新奥氏体化，能进一步提升强韧化匹配效果。所制钢管的屈服强度Rt0.7≥1100MPa，抗拉强度Rm≥1200MPa，延伸率A≥15％，0℃横向、纵向夏比冲击Akv分别不低于110J、120J。

Description

一种160ksi级高强韧非标油套管及其生产方法

技术领域

本发明涉及超高强度结构钢技术领域，尤其涉及一种160ksi级高强韧非标油套管及其生产方法。

背景技术

石油、天然气是社会发展的能源支柱，我国正处于高速发展期，能源需求增加、价格上涨带来石油、天然气勘探开采活动的增加。油井管是石油、天然气开发工程中的必要器材之一，是一种专用材料。一般来说，一口油气井成本的20％-30％为油井管的费用。在石油工业用钢总量中，油井管占比可达40％，而油套管占油井管的90％以上。可见，油套管用量巨大，市场前景广阔。

当前，易采浅层油气资源逐渐枯竭，促使油气井深度逐渐增加且井深增速逐年加快。井深增加后，井内的压力和温度不断提高，地质环境越发恶劣，油套管受应力状态更为复杂和严酷。在我国，油气开发重点逐渐向西部、向海洋转移。现有API油套管最高级别Q125钢级已经不能满足要求，深井、超深井的安全运行急需160ksi级别以上的高韧性油气开采用钢。

随着强度的增加，现有的强度超过Q125钢级的无缝管成分或制备工艺存在各种问题，虽然已经有产品实物的屈服强度可以达到160ksi要求，这些技术方案仍然存在添加合金元素含量高、生产工艺复杂、强韧性匹配不良等缺点。

申请号为201811165255.8的中国发明专利公开了一种140ksi钢级无缝钢管及其生产方法，钢管的屈服强度为980-1120MPa，0℃全尺寸夏比冲击功不低于120J。在成分设计上，添加了0.0005％-0.0040％的B元素、1.00％-3.00％的Ni元素，与本方案不添加B，Ni含量不高于0.95％有显著性差异。在生产工艺上，管坯采用离心铸造方式生产中空管坯，经MPM/PQF连轧机组轧制成制定尺寸后进行热处理，因无需穿孔工艺，可以避免形成带状组织从而获得了高强韧性匹配的优异效果，与本方案采用实心圆坯、穿孔工艺生产具有显著差异。

申请号为CN200910069758.X的中国发明专利公开了一种150ksi钢级高强韧油气井井下作业用钢管及其生产方法，钢管的屈服强度为1034-1148MPa，0℃横向半尺寸夏比冲击功46-53J、纵向3/4尺寸夏比冲击功不低于87-101J。在成分设计上，不添加Cu、Ni元素，与本发明至少添加0.25％的Cu、Ni元素具有显著性差异。在生产工艺上，采用了喂Si-Ca丝用于改变夹杂物的形态，从本质上提高钢的韧性和耐低温韧性。而本技术方案不要求对夹杂物进行特殊控制即可获得类似的强韧性匹配要求。

申请号为CN201310409266.7的中国发明专利公开了一种超深井用石油套管及其生产工艺，钢管的屈服强度为1158-1167MPa。在成分设计上，不添加Cu、Ni，添加Ce、B，与本技术方案添加Cu、Ni，不添加Ce、B具有显著性差异。

申请号为CN201410687981.1的中国发明专利公开了一种CPE机组生产的150ksi以下钢级抗CO2腐蚀油井管的制备工艺，钢管屈服强度为1050MPa，0℃夏比冲击功为50J。在成分设计上，添加5％-6％的Cr元素，与本技术方案的Cr含量不高于2.5％有显著性差异。

申请号为201510234477.0的中国发明专利公开了一种155ksi钢级的射孔枪管和成型方法，钢管的屈服强度1070-1175MPa，0℃的夏比V型缺口纵向和横向全尺寸冲击功分别为112-120J和76-83J。在成分设计上，需要添加0.2％-0.4％的W元素，与本技术方案不添加W元素具有显著性差异。在生产工艺上，增加了圆管坯的电渣重熔工序，以提高初始坯料的纯净度和成分均匀性，显著的增加了成本。

申请号为201510260763.4的中国发明专利公开了155ksi钢级高强韧性套管钢、套管及其制备方法，钢管屈服强度1069-1275MPa，0℃夏比V型缺口纵向和横向全尺寸冲击功分别不低于99-113J和78.1-91.5J。在成分设计上，不有意添加Cu、Ni，被视为残余元素，与本技术方案的有意添加至少0.25％的Cu、Ni有显著性差异。在生产工艺上，突出了夹杂物去除和改性的作用，而本技术方案对此不作特殊要求，工艺适用性更优。

申请号为202111540297.7的中国发明专利公开了一种基于控制冷却的高强含铌石油套管及其生产方法，钢管屈服强度为1180-1300MPa，0℃横向冲击功为80-150J。在成分设计上，采用不添加Cu、有选择的添加B，与本发明具有显著性差异。在生产工艺上，采用了“连续冷却”和“稀疏冷却”的工艺方法，用20-60℃/s的平均冷却速度以获得以贝氏体为主、铁素体+珠光体含量不超过10％的复相组织，再经热处理后获得回火索氏体组织保证强韧性匹配要求。本技术方案采用简单的水冷工艺，冷却速度不低于65℃/s，具有工艺简单差异明显的特点。

申请号为201710926992.4的中国发明专利公开了一种用于生产170ksi钢级钢管的低合金钢，钢管屈服强度1175-1265MPa，0℃的夏比U型缺口横向全尺寸冲击功不低于80J，在成分设计上添加了0.01％-0.08％稀土RE、0.0005％-0.005％硼，与本技术方案不添加稀土、B元素有显著性差异。在生产工艺上，采用调质热处理，其淬火温度为880℃-920℃，回火温度为500℃-530℃。与本技术方案采用的淬火温度为830℃-870℃、回火温度为540℃-640℃具有显著性差异。

综上，本发明通过适当提高Mn含量以及严格控制Cu、Ni元素含量范围，采用传统的实心圆坯生产160ksi级无缝管产品克服了现有技术方案的不足。

发明内容

本发明的目的是提供一种160ksi级高强韧非标油套管及其生产方法，克服现有技术的不足，通过合理的成分设计、制备工艺优化匹配，利用Mo而非N元素促进V元素的有效析出，钢管轧制过程无需特殊控制轧制温度与变形量，高温轧制与直接在线淬火相配合，提高生产效率；或者采用离线淬火工艺，实现重新奥氏体化，进一步提升强韧化匹配效果。

为实现上述目的，本发明通过以下技术方案实现：

技术方案之一：一种160ksi级高强韧非标油套管，其特征在于，其化学成分按照重量百分比组成为：C 0.10～0.40％，Si 0.05～0.35％，Mn 0.55～2.50％，Cr 0.50～2.50％，Mo0.50～2.50％，V0.05～0.25％，Nb≤0.25％，Ni 0.25～0.95％，Cu 0.25～0.95％，Al≤0.05％，Ti≤0.05％，N≤0.005％，P≤0.015％，S≤0.005％，余量为Fe和不可避免的杂质。

技术方案之二：一种160ksi级高强韧非标油套管的生产方法，其特征在于，包括钢坯冶炼和连铸、钢管轧制和调质处理，其具体生产步骤如下：

1)钢坯冶炼和连铸：铁水先经电炉冶炼，送入LF炉精炼，并喂Al线，进行VD炉真空处理后连铸成圆管坯；

2)钢管轧制：圆管坯加热到1205～1255℃(T1)，在炉总时长2～4h后轧制，穿孔前温度1160～1220℃(T2)，斜轧前温度950～1130℃(T3)，张力减径前温度850～920℃(T4)；

3)调质处理：钢管张力减径完成后进行淬火，淬火温度为830～870℃(T5)，淬火介质为水或油，回火温度为540～640℃(T6)，回火保温时间0.5～2h(t)，回火后空冷。

本发明中主要合金元素作用和范围说明如下：

碳C：C是钢中仅次于Fe的主要元素，它直接影响钢材的强度、塑性、韧性等性能。C通过固溶强化和析出强化对提高钢的强度有明显作用，但提高C含量对钢的塑性、韧性有负面影响。为此，本发明将C含量范围设定为0.10～0.40％。

硅Si：Si是炼钢过程中重要的还原剂和脱氧剂，能溶于铁素体和奥氏体中提高钢的硬度和强度。提高Si的含量，可以减少Fe3C的析出倾向。Si含量过高，将显著降低钢的塑性、韧性。为此，本发明将Si含量范围设定为0.05～0.35％。

锰Mn：Mn能提高钢的淬透性，对钢材强度有利；能消除S(硫)的影响，改善钢的热加工性能。由于Mn价格相对便宜，且能与Fe无限固溶，在提高钢材强度的同时，对塑性的影响相对较小。因此，Mn被广泛用于钢中的强化元素。Mn含量过高，会加剧连铸坯偏析，增加钢管带状组织等级、组织均匀性变差，对钢管的塑性、低温韧性不利。为此，本发明将Mn含量范围设定为0.55～2.50％。

铬Cr：Cr能增加钢的淬透性并有二次硬化的作用，可提高钢的强度、硬度和耐磨性而不使钢变脆，但会降低伸长率和断面收缩率。Cr在调质结构中的主要作用是提高淬透性，使钢经淬火回火后具有较好的综合力学性能。如果Cr添加过多，回火过程中，含Cr碳化物在原奥氏体晶界析出并聚集长大，严重损害钢管低温韧性。本发明选取Cr含量范围为0.50～2.50％。

钼Mo：Mo的作用类似，因其价格昂贵，添加量不宜过高。与Cr元素相比，Mo元素倾向于形成M2C碳化物，碳化物的尺寸更细小，具有更高的热稳定性。另外，添加Mo元素，还能有效的促进V元素的析出，提高V的析出强化效果。本发明选取的Mo含量范围为0.50～2.50％。

钒V：V和C、N、O有极强的亲和力，与之形成相应的稳定化合物。V在钢中主要以碳化物的形式存在，有细化组织和晶粒、提高强度和韧性、降低过热敏感性的作用。钒可以增加淬火钢的回火稳定性，并产生二次硬化效应；在调质钢中主要是提高钢的强度。本发明选取V含量范围为0.05～0.25％。

钛Ti、氮N：Ti和C、N、O都有极强的亲和力，与之形成相应的稳定化合物，是最主要的固N元素之一。含Ti的析出相结合力强，稳定，不易分解，能阻止钢在高温时的晶粒长大倾向和改善钢的焊接性能。利用Ti固定N和S，有利于提高钢的强度和塑性。增加Ti的含量，含Ti析出相会粗化对性能造成不利影响。本发明中的Ti的核心作用是固定N，避免N与V结合影响V与Mo的协同析出。本发明选取Ti含量不高于0.05％、N含量不高于0.05％，且N元素添加量不高于Ti元素的二分之一。

铌Nb：Nb是最主要的微合金化元素之一，部分溶入固溶体，起固溶强化作用；以碳化物、氮化物和氧化物微粒形式存在时，能增加钢的回火稳定性，有二次硬化作用。微量Nb可以在不影响钢的塑性或韧性的情况下提高钢的强度。由于有细化晶粒的作用，能提高钢的冲击韧性并降低其脆性转变温度。在轧制过程中，固溶Nb显著提高钢材的再结晶温度，可以使钢的轧制过程在更高的温度范围内完成，从而降低钢管的内应力。本发明选取Nb含量不高于0.25％。

铜Cu、镍Ni：Cu能提高钢的强度，含量较高时，对热变形加工不利，在热变形加工时导致铜脆现象，添加一定量的Ni可以避免这一现象的发生。Ni还有有稳定奥氏体，提高淬透性的作用。钢中添加一定量的Ni可以提高强度、韧性、耐腐蚀性，降低韧脆转变温度。含Ni钢一般不易过热，所以它可阻止高温时晶粒的增长，仍可保持细晶粒组织。但考虑到成本因素，本发明选取Ni、Cu含量范围0.25～0.95％。

铝Al：Al作为脱氧剂或合金化元素加入钢中，铝脱氧能力比硅、锰强得多。铝在钢中的主要作用是细化晶粒、固定钢中的氮，从而显著提高钢的冲击韧性，降低冷脆倾向和时效倾向性；铝还可提高钢的抗腐蚀性能，特别是与钼、铜、硅、铬等元素配合使用时，效果更好；铝的缺点是影响钢的热加工性能、焊接性能和切削加工性能。本发明选取Al含量范围不高于0.05％。

磷P：P是由矿石带入钢中的，和S类似是有害元素之一。P虽能使钢材的强度、硬度增高，但引起塑性、冲击韧性显著降低。特别是在低温时，它使钢材显著变脆，含P愈高，冷脆性愈大。脱P至较低水平，会显著增加炼钢成本。本发明选取P含量范围不高于0.015％。

硫S：S来源于炼钢的矿石与燃料焦炭，是钢中最常见的有害元素之一，对钢的延展性、韧性、焊接性、耐腐蚀性不利。若S以FeS形态存在于钢中还可在热加工使产生“热脆”。本发明选取S含量范围不高于0.005％。

本发明主要制造工艺参数控制范围原因如下：本发明采用了Cu、Cr、Mo、V、Nb等元素的复合析出强化，连铸圆管坯加热温度在1205～1255℃之间，在炉总时长2～4h之间，保证合金元素的析出相充分回溶到奥氏体中，在后续过程中充分发挥抑制再结晶、固溶强化、析出强化、细化晶粒等有利效果，为获得最终的组织结构做好成分与温度准备。低于所选温度和时间范围，固溶将不充分，影响最终的钢管强度；高于所选定的时间和温度范围，则连铸坯原始奥氏体晶粒易过于粗大，不利于钢管韧性的控制。

钢管轧后可以选择直接在线淬火也可以选择离线再加热后淬火。适当控制生产工艺，可以保证减径后管子温度符合淬火需求，容易实现直接在线淬火，节省能源降低生产成分、减少再加热工序提升了生产效率，经济效益显著。

钢管加速冷却完成后，进行回火热处理，回火保温温度高于640℃，钢管强度降低明显，对钢管的最终强韧性匹配不利；而低于540℃，淬火组织回火不充分，低温韧性偏低。回火保温时间过长，强度变差；而回火保温时间过短，韧性不足。合适的回火温度、回火保温时间以及关键合金元素Mo、V、Ti含量的控制，确保有益析出相充分析出且尺寸细小。从而到达了在较宽调质工艺窗口下，强韧性匹配良好且具有较好的性能稳定特征。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1)钢管轧制过程无需特殊控制轧制温度与变形量，只要保证张力减径前满足淬火温度即可，高温轧制与直接在线淬火相配合，可无需二次加热，节省能源，提高了生产效率；采用离线淬火工艺，钢管经历了重新奥氏体化，能进一步提升强韧化匹配效果。

2)采用Mo而非N元素促进V元素的有效析出，与V(C，N)相比，(Mo，V)C具有更高的热稳定性和更接近球形的形态，可实现更宽的热处理工艺参数范围内更稳定的强韧性匹配效果；采用Cu析出强化，对低温韧性的影响较小，有利于提高强韧性匹配度。

3)所制钢管的屈服强度Rt0.7≥1100MPa，抗拉强度Rm≥1200MPa，延伸率A≥15％，0℃横向、纵向夏比冲击Akv分别不低于110J、120J。

具体实施方式

下面将结合具体实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的具体实施例作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的具体实施例是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些具体实施例获得其他的具体实施例。

通常在此处具体实施例中描述和显示出的本发明实施例的组件可以以无数种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在具体实施例中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。

本发明一种160ksi级高强韧非标油套管及其生产方法，其化学成分按照重量百分比组成为：C 0.10～0.40％，Si 0.05～0.35％，Mn 0.55～2.50％，Cr 0.50～2.50％，Mo0.50～2.50％，V0.05～0.25％，Nb≤0.25％，Ni 0.25～0.95％，Cu 0.25～0.95％，Al≤0.05％，Ti≤0.05％，N≤0.005％，P≤0.015％，S≤0.005％，余量为Fe和不可避免的杂质。其生产方法包括钢坯冶炼和连铸、钢管轧制和调质处理，其具体生产步骤如下：

1)钢坯冶炼和连铸：铁水先经电炉冶炼，送入LF炉精炼，并喂Al线，进行VD炉真空处理后连铸成圆管坯；

2)钢管轧制：圆管坯加热到1205～1255℃(T1)，在炉总时长2～4h后轧制，穿孔前温度1160～1220℃(T2)，斜轧前温度950～1130℃(T3)，张力减径前温度850～920℃(T4)；

3)调质处理：钢管张力减径完成后进行淬火，淬火温度为830～870℃(T5)，淬火介质为水或油，回火温度为540～640℃(T6)，回火保温时间0.5～2h(t)，回火后空冷。

表1为本发明实施例1-9中钢的化学成分；表2与表3为本发明实施例1-9中钢的轧制与热处理工艺参数；表4为本发明实施例1-9中钢的力学性能。

表1本发明实施例钢管的化学成分wt％

注：*代表含量按照ppm计算。

表2本发明实施例钢的轧制与热处理工艺参数

表3本发明实施例钢的力学性能

从表1、表2与表3的数据可以看出，本发明所采用的技术方案，所制备的钢管屈服强度≥1110MPa，抗拉强度≥1200MPa，延伸率≥15％，-0℃横向、纵向夏比冲击功分别不低于110、120J，具备优良的强韧性匹配。

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 (6)

1.一种160ksi级高强韧非标油套管，其特征在于，其化学成分按照重量百分比组成为：C 0.10～0.40％，Si 0.05～0.35％，Mn 0.55～2.50％，Cr 0.50～2.50％，Mo 0.50～2.50％，V0.05～0.25％，Nb≤0.25％，Ni 0.25～0.95％，Cu 0.25～0.95％，Al≤0.05％，Ti≤0.05％，N≤0.005％，P≤0.015％，S≤0.005％，余量为Fe和不可避免的杂质。

2.一种160ksi级高强韧非标油套管的生产方法，其特征在于，包括钢坯冶炼和连铸、钢管轧制和调质处理，其具体生产步骤如下：

1)钢坯冶炼和连铸：铁水先经电炉冶炼，送入LF炉精炼，并喂Al线，进行VD炉真空处理后连铸成圆管坯；

2)钢管轧制：圆管坯加热到1205～1255℃(T1)，在炉总时长2～4h后轧制，穿孔前温度1160～1220℃(T2)，斜轧前温度950～1130℃(T3)，张力减径前温度850～920℃(T4)；

3)调质处理：钢管张力减径完成后进行淬火，淬火温度为830～870℃(T5)，淬火介质为水或油，回火温度为540～640℃(T6)，回火后空冷。

3.根据权利要求1所述的一种160ksi级高强韧非标油套管的生产方法，其特征在于，所述淬火操作为直接在线淬火，或离线再加热后淬火。

4.根据权利要求1所述的一种160ksi级高强韧非标油套管的生产方法，其特征在于，所述淬火采用其它平均冷速可达65℃/s(Rc)以上冷却强度的冷却介质。

5.根据权利要求1所述的一种160ksi级高强韧非标油套管的生产方法，其特征在于，所述回火热处理中，回火保温时间为0.5～2h(t)。

6.根据权利要求2所述的一种160ksi级高强韧非标油套管的生产方法，其特征在于，所制钢管的屈服强度Rt0.7≥1100MPa，抗拉强度Rm≥1200MPa，延伸率A≥15％，0℃横向、纵向夏比冲击Akv分别不低于110J、120J。