CN116875879A - 一种160ksi级经济型非标油套管及制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种160ksi级经济型非标油套管及制造方法，化学成分按重量百分比计包括：C 0.10％～0.40％，Si 0.05％～0.35％，Mn 0.55％～2.50％，Cr 0.50％～2.50％，Mo 0.10％～0.50％，V 0.05％～0.25％，Nb≤0.05％，B 0.0005％～0.002％，Ti 0.01％～0.05％，Al≤0.05％，P≤0.015％，S≤0.005％，余量为Fe和不可避免的杂质元素。优点是：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；通过控制淬火结束温度，使之符合回火保温温度的要求，从而减少回火工序能耗。
Description
技术领域
本发明属于超高强度结构钢制造技术领域，尤其涉及一种屈服强度不低于160ksi级经济型非标油套管及制造方法。
背景技术
屈服强度不低于160ksi级别的无缝管可以满足允许用调质态供货的高强无缝管领域的选材需求，适合生产深井、超深井用油管、油套管、管箍等无缝管产品。
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。
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。现有API油套管最高级别Q125钢级已经不能满足向西部、海洋转移的油气开发要求，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。
专利申请号为CN201811165255.8，公开了一种140ksi钢级无缝钢管及其制造方法，该钢管的屈服强度为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。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。专利申请号为CN200910069758.X，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，该钢管的屈服强度为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B元素、添加0.70％-0.80％的Mo元素。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。专利申请号为CN201310409266.7，公开了一种超深井用石油套管及其生产工艺，该钢管的屈服强度为1158-1167MPa。在成分设计上，添加了0.02％-0.05％的Ce元素。专利申请号为CN202111540297.7，公开了一种基于控制冷却的高强含铌石油套管及其制造方法，该钢管屈服强度为1180-1300MPa，0℃横向冲击功为80-150J。在成分设计上，采用添加Ni，有选择的添加B；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。
发明内容
本发明的目的是提供一种160ksi级经济型非标油套管及制造方法，通过适当提高Mn、Cr含量以及严格控制Mo、B元素含量，采用传统的实心圆坯生产160ksi级无缝管，以获得屈服强度不低于160ksi且低温韧性优良的超高强无缝管。
为实现上述目的，本发明通过以下技术方案实现：
一种160ksi级经济型非标油套管，化学成分按重量百分比计包括：
C 0.10％～0.40％，Si 0.05％～0.35％，Mn 0.55％～2.50％，Cr 0.50％～2.50％，Mo 0.10％～0.50％，V 0.05％～0.25％，Nb≤0.05％，B 0.0005％～0.002％，Ti0.01％～0.05％，Al≤0.05％，P≤0.015％，S≤0.005％，余量为Fe和不可避免的杂质元素。
该油套管中，含Mo、V的C析出相尺寸tp不超过200nm，体积分数75％以上的含Mo、V的C析出相尺寸tp不超过50nm，0℃横向夏比冲击Akv不低于120J，纵向夏比冲击Akv不低于150J。
一种160ksi级经济型非标油套管的制造方法，包括以下步骤：
1)钢坯冶炼和连铸：铁水先经电炉冶炼，送入LF炉精炼，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℃，穿孔前温度1160～1220℃，斜轧前温度950～1130℃，张力减径前温度850～920℃；
3)调质处理：张力减径完成后钢管直接在线淬火，淬火开始温度为830～870℃，淬火结束温度为200～400℃，淬火后钢管带温直接回火，回火温度为200～400℃，回火后空冷。
步骤3)中所述的淬火的介质为水或油，且淬火介质的平均冷速为65℃/s以上。
步骤3)所述的回火的保温时间tT(单位：分钟)满足：
tT＝(4～6)t (1)
式(1)中，tT为回火的保温时间，单位为min；t为钢管壁厚，单位为mm。
160ksi级经济型非标油套管的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，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，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，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。为此，选取Cr含量范围为0.50％～2.50％。
钼Mo：Mo的作用与Cr类似，因其价格昂贵，添加量不宜过高。为此，选取的Mo含量范围为0.10％～0.50％。
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。为此，选取V含量范围为0.05％～0.25％。
钛Ti：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含量范围0.01％～0.05％。
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0.05％。
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时产生“热脆”。本发明选取S含量范围不高于0.005％。
160ksi级经济型非标油套管的制造方法中各参数控制范围原因如下：
本发明采用了Cr、Mo、V、Nb等元素的复合析出强化，控制连铸圆管坯加热温度在1205～1255℃，在炉总时长2～4h，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400℃，钢管强度降低明显，对钢管的最终强韧性匹配不利；而低于200℃，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，析出相(Mo，V)C尺寸tp不超过200nm，体积分数75％以上的析出相(Mo，V)C尺寸tp 75％不超过50nm。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；通过控制淬火结束温度，使之符合回火保温温度的要求，从而减少回火工序能耗。
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。
3)所制钢管屈服强度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120J、150J。
具体实施方式
下面对本发明进行详细地描述，但是应该指出本发明的实施不限于以下的实施方式。
160ksi级经济型非标油套管实施例的化学成分见表1；160ksi级经济型非标油套管实施例钢的轧制与热处理工艺参数见表2；160ksi级经济型非标油套管实施例钢的力学性能见表3。
表1本发明实施例钢管的化学成分wt％
| 实施例 | C | Si | Mn | P | S | Cr | Mo | Nb | V | Ti | Al | B* |
| 1 | 0.11 | 0.34 | 0.56 | 0.01 | 0.005 | 0.55 | 0.20 | 0 | 0.24 | 0.02 | 0.04 | 12 |
| 2 | 0.23 | 0.24 | 0.76 | 0.01 | 0.003 | 1.05 | 0.11 | 0.05 | 0.06 | 0.01 | 0.02 | 18 |
| 3 | 0.31 | 0.14 | 0.96 | 0.01 | 0.003 | 1.55 | 0.40 | 0.04 | 0.15 | 0.05 | 0 | 8 |
| 4 | 0.39 | 0.06 | 1.15 | 0.01 | 0.005 | 2.05 | 0.15 | 0.03 | 0.10 | 0.04 | 0.01 | 20 |
| 5 | 0.15 | 0.19 | 1.45 | 0.01 | 0.005 | 2.45 | 0.17 | 0.02 | 0.25 | 0.01 | 0.03 | 10 |
| 6 | 0.28 | 0.29 | 1.75 | 0.01 | 0.003 | 2.35 | 0.25 | 0.01 | 0.19 | 0.02 | 0.02 | 6 |
| 7 | 0.18 | 0.10 | 1.95 | 0.01 | 0.003 | 1.85 | 0.35 | 0.03 | 0.10 | 0.02 | 0.04 | 20 |
| 8 | 0.25 | 0.25 | 2.15 | 0.01 | 0.005 | 1.35 | 0.45 | 0 | 0.05 | 0.03 | 0.03 | 15 |
| 9 | 0.25 | 0.25 | 2.45 | 0.01 | 0.004 | 0.75 | 0.49 | 0.03 | 0.15 | 0.02 | 0.01 | 15 |
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3的数据可以看出，采用本发明方法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120、150J，具备优良的强韧性匹配，且成本低廉。
Claims (5)
1.一种160ksi级经济型非标油套管，其特征在于，化学成分按重量百分比计包括：
C 0.10％～0.40％，Si 0.05％～0.35％，Mn 0.55％～2.50％，Cr 0.50％～2.50％，Mo0.10％～0.50％，V 0.05％～0.25％，Nb≤0.05％，B 0.0005％～0.002％，Ti 0.01％～0.05％，Al≤0.05％，P≤0.015％，S≤0.005％，余量为Fe和不可避免的杂质元素。
2.根据权利要求1所述的一种160ksi级经济型非标油套管，其特征在于，该油套管中，含Mo、V的C析出相尺寸tp不超过200nm，体积分数75％以上的含Mo、V的C析出相尺寸tp 75％不超过50nm，0℃横向夏比冲击Akv不低于120J，纵向夏比冲击Akv不低于150J。
3.根据权利要求1或2所述的一种160ksi级经济型非标油套管的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)钢坯冶炼和连铸：铁水先经电炉冶炼，送入LF炉精炼，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℃，穿孔前温度1160～1220℃，斜轧前温度950～1130℃，张力减径前温度850～920℃；
3)调质处理：张力减径完成后钢管直接在线淬火，淬火开始温度为830～870℃，淬火结束温度为200～400℃，淬火后钢管带温直接回火，回火温度为200～400℃，回火后空冷。
4.根据权利要求3所述的一种160ksi级经济型非标油套管的制造方法，其特征在于，步骤3)中所述的淬火的介质为水或油，且淬火介质的平均冷速为65℃/s以上。
5.根据权利要求3所述的一种160ksi级经济型非标油套管的制造方法，其特征在于，步骤3)所述的回火的保温时间tT(单位：分钟)满足：
tT＝(4～6)t (1)
式(1)中，tT为回火的保温时间，单位为min；t为钢管壁厚，单位为mm。
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