CN117004880A - 一种高强度石油套管及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高强度石油套管，其含有Fe和不可避免的杂质元素，其还含有质量百分含量如下的下述各化学元素：C：0.1‑0.2％；Si：0.1‑0.4％；Mn：1.2‑2％；Mg：0.0015‑0.005％；Ti：0.02‑0.05％；Al：0.01‑0.03％；0＜N≤0.008％；各化学元素含量还满足：910‑310×C‑80×Mn≤770，其中各化学元素代入其质量百分号之前的数值；所述高强度石油套管具有细小的、随机弥散分布的尖晶石型(MgO·Al2O3)夹杂物。此外，本发明还公开了上述的高强度石油套管的制造方法，其包括步骤：(1)冶炼和铸造；(2)穿孔；(3)轧制；(4)定径；(5)控制冷却：控制冷却前套管管体温度不低于Ar3，对套管外表面进行水冷，冷却速度为40‑100℃/S，控制终冷温度不高于80℃；(6)热处理：在线淬火+回火；其中控制回火温度为500‑650℃，保温时间为40‑80min；(7)热矫直。
Description
技术领域
本发明涉及一种钢管及其制造方法，尤其涉及一种石油套管及其制造方法。
背景技术
近年来，无缝钢管已经广泛应用于油气、能源等领域中，并起到十分重要的作用，其被誉为“工业的血管”，是不可替代的重要钢材门类。
在现有技术中，常用的油气井用无缝管钢级有API标准的N80-Q、P110等牌号，其生产过程具有两个典型特征：一是管坯穿孔轧制过程变形阻力大，通常需要在比其它热轧钢材更高的变形温度下完成成形过程；二是热轧后钢管在空气中冷却，无法实现有效的冷却路径控制。
无缝钢管不同于一般的热轧钢管，由于其自身特殊的环形断面特点，无缝钢管相较于板材具有更为复杂的内应力状态，在利用余热的在线淬火工艺时，很容易造成钢管开裂。
例如：公开号为CN103774063A，公开日为2014年5月7日，名称为“一种大口径石油套管及其TMCP生产方法”的中国专利文献公开了一种低碳当量微合金钢管及其在线常化工艺，其具备稳定的机械性能和良好的抗挤毁性能。该技术方案采用的是TMCP生产方法，其工艺简单，生产效率高，但是该专利采用中碳CrMo钢材质，与常规油井管材质类似，在线淬火时仍然存在着开裂风险。
又例如：公开号为CN103757561A，公开号为2014年4月30日，名称为“一种大口径厚壁海洋用无缝钢管及其TMCP生产方法”的中国专利文献，公开了一种大口径厚壁海洋用无缝钢管及其TMCP生产方法，其具备稳定的机械性能和良好的低温冲击性能，但是其较高的合金含量导致在线淬火存在着开裂风险。
因此，目前在制备N80-Q、P110等牌号的无缝钢管时，均是在热轧后进行室温冷却，而后经过淬火加热炉重新加热进行淬火热处理。但这种针对无缝钢管的处理工艺不仅造成了钢管轧后余热的浪费(通常轧后钢管温度在900℃以上)，同时也多了一道次的热处理工序，并且会带来成本的增加，其资源消耗大，给高品质管材的开发及高效生产带来诸多限制。
由此，为了解决现有技术中所存在的这种问题，本发明期望开发并获得一种新的高强度石油套管及其制造方法。
发明内容
本发明的目的之一在于提供一种高强度石油套管，该高强度石油套管通过合理的成分匹配及工艺设计，可以获得优异的力学性能，其兼具有高强度和高韧性，且屈服强度为550-965MPa，抗拉强度≥689MPa，延伸率≥18％，0℃横向夏比冲击功不小于60J，可以满足油气田对高强度套管性能的使用要求。
为了实现上述目的，本发明提供了一种高强度石油套管，其含有Fe和不可避免的杂质元素，其还含有质量百分含量如下的下述各化学元素：
C：0.1-0.2％；Si：0.1-0.4％；Mn：1.2-2％；Mg：0.0015-0.005％；Ti：0.02-0.05％；Al：0.01-0.03％；0＜N≤0.008％；
各化学元素含量还满足：910-310×C-80×Mn≤770，其中各化学元素代入其质量百分号之前的数值；
所述高强度石油套管具有细小的、随机弥散分布的尖晶石型(MgO·Al2O3)夹杂物。
进一步地，在本发明所述的高强度石油套管中，其各化学元素质量百分比为：
C：0.1-0.2％；Si：0.1-0.4％；Mn：1.2-2％；Mg：0.0015-0.005％；Ti：0.02-0.05％；Al：0.01-0.03％；0＜N≤0.008％；余量为Fe和不可避免的杂质。
在本发明所述的高强度石油套管中，各化学元素的设计原理如下所述：
C：在本发明所述的高强度石油套管中，C为碳化物形成元素，其可以提高钢的强度。当钢中C元素含量低于0.1％时，会使得钢材的淬透性降低，从而降低钢的韧性，然而，当钢中C元素含量高于0.2％时，则又会显著地恶化钢的偏析，易产生淬火裂纹。因此，考虑到C元素含量对钢材性能的影响，为了达到石油套管的高强度的要求，在本发明所述的高强度石油套管中，将C元素的质量百分含量控制在0.1-0.2％之间。
当然，在一些优选的实施方式中，为了获得更优的实施效果，可以优选地将C元素的质量百分含量控制在0.12-0.2％之间。
Si：在本发明所述的高强度石油套管中，Si元素能够固溶于铁素体，其可以提高钢材的屈服强度。需要注意的是，钢中Si元素含量不宜过低，当Si元素含量低于0.1％时，会使得石油套管容易氧化；同时钢中Si元素的添加量也不宜过高，过高含量的Si元素会恶化钢材的加工性能和韧性。因此，为了发挥Si元素的有益效果，必须严格控制钢中Si元素含量，在本发明所述的高强度石油套管中，将Si元素的质量百分含量控制在0.1-0.4％之间。
当然，在一些优选的实施方式中，为了获得更优的实施效果，可以优选地将Si元素的质量百分含量控制在0.1-0.3％之间。
Mn：在本发明所述的高强度石油套管中，Mn为奥氏体的形成元素，其可以提高钢材的淬透性。在本发明所设计的这种钢材体系中，当Mn元素含量小于1.2％时，钢材的淬透性会显著降低，从而降低钢中马氏体的比例，进而降低钢的韧性；而当钢中Mn含量大于2％时，则易产生成分偏析产生淬火裂纹。因此，考虑到Mn元素含量对于钢材性能的影响，在本发明所述的高强度石油套管中，将Mn元素的质量百分含量控制在1.2-2％之间。
当然，在一些优选的实施方式中，为了获得更优的实施效果，可以优选地将Mn元素的质量百分含量控制在1.2-1.8％之间。
Mg：在本发明所述的高强度石油套管中，Mg是一种脱氧剂，其在钢中可以形成弥散分布的MgO，或者与氧化铝结合形成弥散的尖晶石型(MgO·Al2O3)夹杂物，以促进钢中针状铁素体组织的转变，细化钢的组织，提高材料的强韧性并改善淬火开裂问题。当钢中Mg元素的含量大于0.005％时，容易形成粗大的MgO夹杂物，这样会降低材料的韧性；而若钢中Mg元素的含量小于0.0015％时，则Mg元素所形成的脱氧产物细化晶粒效果不显著。因此，为了发挥Mg元素的有益效果，在本发明所述的高强度石油套管中，将Mg元素的质量百分含量控制在0.0015-0.005％之间。
当然，在一些优选的实施方式中，为了获得更优的实施效果，可以优选地将Mg元素的质量百分含量控制在0.0015-0.004％之间。
Ti：在本发明所述的高强度石油套管中，Ti是强碳氮化物的形成元素，其能够显著地细化钢中奥氏体晶粒，可以弥补因碳含量降低而引起的强度下降。当钢中Ti元素含量大于0.05％时，容易形成粗大的TiN，这样会降低材料的韧性；而若钢中的Ti元素含量小于0.02％，则Ti元素并不能充分地与N反应形成TiN，从而会降低材料的韧性。因此，在本发明所述的高强度石油套管中，需要将Ti元素的质量百分含量控制在0.02-0.05％之间。
当然，在一些优选的实施方式中，为了获得更优的实施效果，可以优选地将Ti元素的质量百分含量控制在0.02-0.04％之间。
Al：在本发明所述的高强度石油套管中，Al是良好的脱氧固氮元素，其可以有效细化晶粒。因此，为发挥Al元素的有益效果，在本发明中，将Al元素的质量百分含量控制在0.01-0.03％之间。
当然，在一些优选的实施方式中，为了获得更优的实施效果，可以优选地将Al元素的质量百分含量控制在0.01-0.025％之间。
N：在本发明所述的高强度石油套管中，N为析出强化元素，在冷却的过程中形成Ti的氮化物，能够显著地细化钢中奥氏体晶粒。为发挥N元素的有益效果，在本发明中，将N元素的质量百分含量控制为0＜N≤0.008％。
当然，在一些优选的实施方式中，为了获得更优的实施效果，可以优选地将N元素的质量百分含量控制在0.004-0.007％之间。
进一步地，在本发明所述的高强度石油套管中，在不可避免的杂质中，P≤0.015％，S≤0.008％。
进一步地，在本发明所述的高强度石油套管中，在不可避免的杂质中，P≤0.013％，S≤0.0025％。
在本发明所述的高强度石油套管中，P元素和S元素均为钢管中的杂质元素，在技术条件允许情况下，为了获得性能更好且质量更优的管材，应尽可能降低高强度石油套管中杂质元素的含量。
因此，在本发明中，必须严格地控制钢中P、S元素的含量，并控制为P≤0.015％，S≤0.008％。当然，在一些优选的实施方式中，为了获得更优的实施效果，可以进一步控制P、S元素的含量满足：P≤0.013％，S≤0.0025％。
进一步地，在本发明所述的高强度石油套管中，其各化学元素质量百分含量进一步满足下述各项的至少其中之一：
C：0.12-0.2％；
Si：0.1-0.3％；
Mn：1.2-1.8％；
Mg：0.0015-0.004％
Ti：0.02-0.04％；
Al：0.01-0.025％；
N：0.004-0.007％。
进一步地，在本发明所述的高强度石油套管中，其还满足：910-310×C-80×Mn≤770，其中各化学元素代入其质量百分号之前的数值。
在本发明上述技术方案中，本发明在控制钢中单一化学元素质量百分含量的同时，还控制高强度石油套管中的C、Mn元素含量满足910-310×C-80×Mn≤770这一限定关系。这是因为本钢种成分中先共析铁素体起始转变温度为Ar3，Ar3＝910-310×C-80×Mn，优选地控制Ar3低于770℃时，可以确保在线淬火前不会进行先共析铁素体转变。
进一步地，在本发明所述的高强度石油套管中，其微观组织为回火索氏体。
进一步地，在本发明所述的高强度石油套管中，其屈服强度为550-965MPa，抗拉强度≥689MPa，延伸率≥18％，0℃横向夏比冲击功不小于60J。
相应地，本发明的另一目的在于提供上述的高强度石油套管的制造方法，该制造方法利用了热轧后的钢管余热进行淬火，实现了在线淬火+回火热处理生产，其可以在降低制造成本的同时，有效制备本发明上述的高强度石油套管，其具有良好的应用前景。
为了实现上述目的，本发明提出了上述的高强度石油套管的制造方法，其包括步骤：
(1)冶炼和铸造；
(2)穿孔；
(3)轧制；
(4)定径；
(5)在线淬火：冷却前套管管体温度不低于Ar3，对套管外表面进行水冷，冷却速度为40-100℃/S，控制终冷温度不高于80℃；
(6)回火：其中控制回火温度为500-650℃，保温时间为40-80min；
(7)热矫直。
不同于现有技术，在本发明所述的高强度石油套管的制造方法中，发明人提出并利用了热轧后的钢管余热进行淬火，以去除离线淬火工序，实现在线淬火+回火热处理生产，进而可以显著提高生产效率降低生产成本，降低能耗实现绿色制造。同时，在线淬火工艺与常规离线淬火区别之处是外壁冷却，内壁不冷却，因此采用在线淬火工艺可以进一步显著降低管体残余应力，有利于抗挤毁性能的提升。
但需要注意的是，高强度石油套管为保证获得较高的强度，通常需要加入较多的合金元素提高强化效果，但是套管在热轧后直接淬火时因晶粒畸变储存了较高的能量，在淬火过程中易发生开裂；同时在线淬火后钢材的晶粒度较大，一般在5-7级，容易产生淬火开裂。因此，本发明所采用的此种工艺需要对合金种类及含量进行优化设计，防止管体裂纹和应力集中，保证生产的安全和质量的稳定。为此，发明人在化学成分设计时，通过加入Mg合金作为脱氧剂可以使钢液中氧含量降到极低，夹杂物呈细小颗粒状并在钢中均匀分布并可以使簇状Al2O3夹杂变成细小的、随机弥散的尖晶石型(MgO·Al2O3)夹杂物，以促进钢中针状铁素体组织的转变，细化钢的组织，提高材料的强韧性并改善淬火开裂问题。
在本发明所述的这种制造工艺中，在进行在线淬火过程中，如果淬火开冷温度低于先共析铁素体的转变温度点，钢管中将会有部分先共析铁素体生成，降低材料的强度和韧性，因此，需要保证冷却前套管管体温度不能低于先共析铁素体的转变温度点。本钢种成分中先共析铁素体起始转变温度为Ar3，Ar3＝910-310×C-80×Mn，Ar3低于770℃时可以确保不会在淬火前产生先共析铁素体转变。
进一步地，在本发明所述的制造方法中，在步骤(1)的铸造步骤中，控制钢水过热度低于30℃，连铸拉速为1.8-2.4m/min。
进一步地，在本发明所述的制造方法中，在步骤(2)中，圆坯在1200-1290℃的炉内均热，穿孔温度为1120-1240℃。
进一步地，在本发明所述的制造方法中，在步骤(3)中，控制终轧温度为900-980℃。
进一步地，在本发明所述的制造方法中，在步骤(4)中，控制定径温度为830-920℃。
进一步地，在本发明所述的制造方法中，在步骤(7)中，控制热矫直温度为400-500℃。
相较于现有技术，本发明所述的高强度石油套管及其制造方法具有如下所述的优点以及有益效果：
在现有技术中，常规高强度抗挤毁套管通常采用离线淬火+回火热处理的工艺进行制备，其在热轧后需进行室温冷却，而后经过淬火加热炉重新加热进行淬火热处理。这种针对无缝钢管的处理工艺不仅造成了钢管轧后余热的浪费，同时也多了一道次的热处理工序，并且会带来成本的增加，其资源消耗大，给高品质管材的开发及高效生产带来诸多限制。
而不同于现有技术，在本发明所述的高强度石油套管的制造方法中，发明人提出并利用了热轧后的钢管余热进行淬火，以去除离线淬火工序，实现在线淬火+回火热处理生产，进而可以显著提高生产效率降低生产成本，降低能耗实现绿色制造。同时，在线淬火工艺与常规离线淬火区别之处是外壁冷却，内壁不冷却，因此采用在线淬火工艺可以进一步显著降低管体残余应力，有利于抗挤毁性能的提升。
需要注意的是，本发明所采用的此种工艺需要对合金种类及含量进行优化设计，防止管体裂纹和应力集中，保证生产的安全和质量的稳定。为此，发明人在化学成分设计时，通过加入Mg合金作为脱氧剂可以使钢液中氧含量降到极低，夹杂物呈细小颗粒状并在钢中均匀分布并可以使簇状Al2O3夹杂变成细小的、随机弥散的尖晶石型(MgO·Al2O3)夹杂物，以促进钢中针状铁素体组织的转变，细化钢的组织，提高材料的强韧性并改善淬火开裂问题。
综上所述可以看出，在本发明中，其可以采用TMCP技术使得钢材获得较高的强度和较好的韧性，其过程操作简单，易于实现大规模的生产制造，具有良好的经济效益。采用这种制造工艺最终所制备的高强度石油套管具有十分优异的力学性能，其屈服强度为550-965MPa，抗拉强度≥689MPa，延伸率≥18％，0℃横向夏比冲击功不小于60J，可以满足油气田对高强度套管性能的使用要求，具有良好的应用前景。
附图说明
图1为对比例7的对比钢管的金相组织照片。
具体实施方式
下面将结合说明书附图和具体的实施例对本发明所述的高强度石油套管及其制造方法做进一步的解释和说明，然而该解释和说明并不对本发明的技术方案构成不当限定。
实施例1-6和对比例1-7
本发明所述实施例1-6的高强度石油套管和对比例1-7的对比钢管均采用以下步骤制得：
(1)按照表1所示的化学元素的质量百分配比进行冶炼和铸造：在冶炼过程中，控制实施例1-6的高强度石油套管和对比例1-7的对比钢管中的各化学元素的质量百分配比如表1所示；冶炼完成后再连铸制成管坯，并控制钢水过热度低于30℃，连铸拉速为1.8-2.4m/min。
(2)穿孔：将经过连铸步骤的圆坯在1200-1290℃的环形炉内均热，并控制穿孔温度为1120-1240℃。
(3)轧制：控制终轧温度为900-980℃。
(4)定径：控制定径温度为830-920℃。
(5)在线淬火：控制冷却前套管管体温度不低于Ar3(冷却时铁素体转变的开始温度)，对套管外表面进行水冷，并控制冷却速度为40-100℃/S，终冷温度不高于80℃。
(6)回火：其中控制回火温度为500-650℃，保温时间为40-80min
(7)热矫直：控制热矫直温度为400-500℃。
需要说明的是，本发明所述实施例1-6的高强度石油套管的化学元素成分和相关工艺设计均满足本发明设计规范要求。而对比例1-7的对比钢管虽然也采用上述工艺步骤制得，但其化学元素成分和/或相关工艺参数存在不符合本发明设计的参数。
表1列出了实施例1-6的高强度石油套管和对比例1-7的对比钢管中各化学元素质量百分比。
表1.(余量为Fe和其他的不可避免的杂质)
注：在上述表1的式子“910-310×C-80×Mn”中，C与Mn元素均分别代入各自化学元素质量百分号之前的数值。
表2-1和表2-2列出了实施例1-6的高强度石油套管和对比例1-7的对比钢管在上述制造工艺步骤中所采用的具体工艺参数。
表2-1.
表2-2.
将制备的成品实施例1-6的高强度石油套管和对比例1-7的对比钢管分别取样，并对各实施例和对比例的钢管进行各项性能测试，所得的测试结果列于表3中。
相关性能检测手段如下所述：
(1)拉伸试验：按照ASTM A370标准测试，以获得各实施例和对比例的钢管在室温下的屈服强度、抗拉强度和延伸率数值。
(2)冲击试验：按照ASTM E23标准测试，以获得各实施例和对比例的钢管在0℃下的横向冲击韧性。
表3列出了实施例1-6的高强度石油套管和对比例1-7的对比钢管的性能测试结果。
表3.
由表3可以看出，相较于对比例1-7的对比钢管，本发明所述实施例1-6的高强度石油套管的综合性能明显更优。此外，对实施例1-6的高强度石油套管的微观组织进行观察可知，其高强度石油套管中均具有细小的、随机弥散分布的尖晶石型(MgO·Al2O3)夹杂物。
参阅表3可知，本发明所获得的实施例1-6的高强度石油套管均具有优异的力学性能，其屈服强度在650-925MPa之间，其抗拉强度在750-980MPa之间，延伸率在21-28％，其在0℃的横向夏比冲击功在75-90J之间。
而对比例1和对比例2在化学成分设计时，C元素含量超出了本发明的技术方案所限定的范围，对比例3和对比例4的Mn元素含量超出了本发明的技术方案所限定的范围，对比例5不加Ti和Mg，对比例6中的Mg超出了本发明的技术方案所限定的范围。这种设计使得对比例1-6所制备的对比钢管的至少一项力学性能并未能达到本专利提出的高强度、高韧性的要求.
相应地，在对比例7中，其冷前套管管体温度低于Ar3要求，出现晶界铁素体，强度显著降低，不符合专利提出的性能要求。
图1为对比例7的对比钢管的金相组织照片。
如图1所示，在对比例7所制备的对比钢管中，其微观组织中出现了晶界铁素体，其会导致强度显著降低。
需要说明的是，本案中各技术特征的组合方式并不限本案权利要求中所记载的组合方式或是具体实施例所记载的组合方式，本案记载的所有技术特征可以以任何方式进行自由组合或结合，除非相互之间产生矛盾。
还需要注意的是，以上所列举的实施例仅为本发明的具体实施例。显然本发明不局限于以上实施例，随之做出的类似变化或变形是本领域技术人员能从本发明公开的内容直接得出或者很容易便联想到的，均应属于本发明的保护范围。
Claims (13)
1.一种高强度石油套管，其含有Fe和不可避免的杂质元素，其特征在于，其还含有质量百分含量如下的下述各化学元素：
C：0.1-0.2％；Si：0.1-0.4％；Mn：1.2-2％；Mg：0.0015-0.005％；Ti：0.02-0.05％；Al：0.01-0.03％；0＜N≤0.008％；
各化学元素含量还满足：910-310×C-80×Mn≤770，其中各化学元素代入其质量百分号之前的数值；
所述高强度石油套管具有细小的、随机弥散分布的尖晶石型(MgO·Al2O3)夹杂物。
2.如权利要求1所述的高强度石油套管，其特征在于，其各化学元素质量百分比为：
C：0.1-0.2％；Si：0.1-0.4％；Mn：1.2-2％；Mg：0.0015-0.005％；Ti：0.02-0.05％；Al：0.01-0.03％；0＜N≤0.008％；余量为Fe和不可避免的杂质。
3.如权利要求1或2所述的高强度石油套管，其特征在于，在不可避免的杂质中，P≤0.015％，S≤0.008％。
4.如权利要求3所述的高强度石油套管，其特征在于，在不可避免的杂质中，P≤0.013％，S≤0.0025％。
5.如权利要求1或2所述的高强度石油套管，其特征在于，其各化学元素质量百分含量进一步满足下述各项的至少其中之一：
C：0.12-0.2％；
Si：0.1-0.3％；
Mn：1.2-1.8％；
Mg：0.0015-0.004％
Ti：0.02-0.04％；
Al：0.01-0.025％；
N：0.004-0.007％。
6.如权利要求1或2所述的高强度石油套管，其特征在于，其微观组织为回火索氏体。
7.如权利要求1或2所述的高强度石油套管，其特征在于，其屈服强度为550-965MPa，抗拉强度≥689MPa，延伸率≥18％，0℃横向夏比冲击功不小于60J。
8.一种如权利要求1-7中任意一项所述的高强度石油套管的制造方法，其特征在于，包括步骤：
(1)冶炼和铸造；
(2)穿孔；
(3)轧制；
(4)定径；
(5)在线淬火：冷却前套管管体温度不低于Ar3，对套管外表面进行水冷，冷却速度为40-100℃/S，控制终冷温度不高于80℃；
(6)回火：其中控制回火温度为500-650℃，保温时间为40-80min；
(7)热矫直。
9.如权利要求8所述的制造方法，其特征在于，在步骤(1)的铸造步骤中，控制钢水过热度低于30℃，连铸拉速为1.8-2.4m/min。
10.如权利要求8所述的制造方法，其特征在于，在步骤(2)中，圆坯在1200-1290℃的炉内均热，穿孔温度为1120-1240℃。
11.如权利要求8所述的制造方法，其特征在于，在步骤(3)中，控制终轧温度为900-980℃。
12.如权利要求8所述的制造方法，其特征在于，在步骤(4)中，控制定径温度为830-920℃。
13.如权利要求8所述的制造方法，其特征在于，在步骤(7)中，控制热矫直温度为400-500℃。
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