一種p110級直縫焊石油套管及其制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于高強度低合金鋼領(lǐng)域，特別涉及API SPEC5CT中鋼級為PllO石油套管 及其制造方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 石油套管是油田最常用的石油專用管材之一，特別是一種ERW/HFW (ERW/HFW， Electric Resistance ffeld/High frequency electric-resistance-weld,電阻焊）套管， 用量大，花錢多，是油氣田鉆采作業(yè)中必不可少的施工材料，僅2010年就達(dá)到了 250萬噸。 ERW套管與無縫管相比，具有壁厚均勻、尺寸精度高、射孔性能好、抗擠毀能力強、成本低等 顯著優(yōu)勢。但石油行業(yè)要求的高鋼級、耐腐蝕、特殊絲扣要求的油井管，目前大部分依靠進(jìn) 口。國內(nèi)目前只有低鋼級ERW套管能夠替代傳統(tǒng)的無縫鋼管。因此，深入開展高鋼級高頻 直縫焊油層套管生產(chǎn)和工藝的研究，制造出質(zhì)量優(yōu)良的高鋼級高頻直縫焊油層套管已成為 當(dāng)務(wù)之急。對節(jié)約采油成本，提高我國的石油開采水平有著深遠(yuǎn)的意義。
[0003] API Spec5CT規(guī)定：Pl 10級別鋼管的屈服強度在758-965MPa之間，抗拉強度 > 862MPa，伸長率> 14% ;0°C時橫向夏比沖擊功> 32J。如果熱軋態(tài)的鋼帶達(dá)到該強度，需 要添加大量貴重合金來提高強度，增加合金成本，且鋼管的母材和焊縫組織性能無法達(dá)到 一致；同時鋼管的成型難度大，鋼管的尺寸精度和圓度無法保證。
[0004] 因此，可采用熱軋態(tài)強度低的熱軋鋼帶進(jìn)行ERW焊接制管，然后進(jìn)行整管熱處理， 使鋼管的最終性能達(dá)到Plio級別水平。而且焊縫和管體進(jìn)行相同的熱處理工藝，得到的最 終組織相同，有效減輕焊縫與管體的組織、性能差異，消除殘余應(yīng)力，提高鋼管整體的質(zhì)量。
[0005] 在本發(fā)明之前，已有個別有關(guān)PllO鋼級ERW石油套管的文獻(xiàn)或發(fā)明專利，但采用 中碳低錳添加少量V低成本設(shè)計的PllO級ERW石油套管報導(dǎo)很少，以下簡單介紹與本發(fā)明 較為接近的文獻(xiàn)和專利：
[0006] 1)中國專利CN101643883A，N80、P110、L80鋼級直縫焊石油套管用鋼及套管 制造。成分中含 C :0· 10%-0· 24%，Mn :1. 4%-1· 6%，Cr :0· 3%-0· 6%，Nb :0· 12%-0· 14%，V : 0. 08%-0. 12%，Ti :0. 18%-0. 22%。該專利中復(fù)合添加貴重元素 Nb、V、Cr，合金成本高。
[0007] 2)中國專利CN102430901A，一種PllO鋼級高頻直縫焊管的制造方法。成分中含 C :0· 25%-0· 30%，Mn :1. 1%-1· 5%，Cr :0· 15%-0· 35%，S :彡 0· 002%。該專利中添加元素 Cr, S 含量要求嚴(yán)格，合金和冶煉成本高。
[0008] 3)中國專利CN101353949A，小口徑高鋼級油管的熱處理方法。成分中含C: 0. 15%-0, 50%, Mn ：0. 25%-l. 9%, Mo ：0. 25%-1, 10%, Cr ：0. 4%-14%,Ni 0. 99%, Cu 0. 35%〇 該專利中復(fù)合添加元素 Mo、Ni、Cu、Cr,合金成本高。
[0009] 4)中國專利CN102534372A，一種石油天然氣開采用PllO級膨脹管的制備方法。成 分中含C :0. 10%-0. 30%，Mn :0. 70%-2. 0%，Nb :0. 02%-0. 1%。該專利中添加貴重元素 Nb,存在 連鑄坯表面角橫裂質(zhì)量問題,且合金成本高。
[0010] 5)論文"P110 鋼雙相組織的研究"，成分中 C :0. 24%，Si :0. 25%，Mn :1. 2%，Cr : 0· 5%，Ni :0· 021%，Mo :0· 021%，Cu :0· 017%，P :0· 014%，S :0· 0058%。該論文中復(fù)合添加貴重 合金元素 Mo、Ni、Cu、Cr,合金成本高。
[0011] 以上公開的專利或文獻(xiàn)中，有的添加較多貴重合金Mo、Ni、Cu、Nb、V，合金成本高； 有的S含量要求高，冶煉成本高。均與本發(fā)明采用中碳低錳添加少量V設(shè)計有明顯不同之 處。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012] 本發(fā)明的目的在于提供一種PllO鋼級電阻焊石油套管及其制造方法，特別是采 用中碳低錳添加少量V低成本設(shè)計，熱軋態(tài)鋼帶性能屈服強度為550-650MPa，抗拉強度為 700-800MPa，整管調(diào)質(zhì)熱處理后性能為PllO級別的直縫電阻焊（ERW)石油套管及其制造方 法。針對目前直縫電阻焊石油套管PllO生產(chǎn)存在的技術(shù)問題，例如：較多貴重合金Mo、Ni、 Cu、Nb、V，合金成本高；有的S含量要求高，冶煉成本高等問題，特提出本發(fā)明的技術(shù)方案。
[0013] 本發(fā)明的一種PllO級直縫電阻焊（ERW)石油套管，其化學(xué)成分(重量，％)配比如 下：C :0· 24%-0· 28%，Si :0· 15%-0· 30%，Mn :1. 25%-1· 50%，P :彡 0· 020%，S :彡 0· 008%，Ti : 0· 010%-0· 030%，Als :0· 02%-0· 05%，V :0· 050%-0· 080%，N :彡 0· 008%，其余為 Fe 和不可避 免元素。
[0014] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本方案C含量適中，鋼帶的沖擊韌性良好；用少量的V取代貴金 屬Mo、Ni、Cu、Nb、Cr等，降低合金成本；熱軋態(tài)板卷性能較低，后續(xù)制管成型容易；整管進(jìn)行 調(diào)質(zhì)熱處理，性能為PllO級別，保證了管體和焊縫性能的一致性。
[0015] C :為碳化物形成元素，是保證強度的最有效元素，可以提高淬透性和熱處理后性 能穩(wěn)定性，保證高溫長時間回火時材料強度。碳含量對最終奧氏體、馬氏體的碳含量與體積 分?jǐn)?shù)有著重要的影響。只有保證有足夠的碳，才會形成足夠的富碳?xì)堄鄪W氏體并能夠穩(wěn)定 至室溫。但當(dāng)碳含量大于0.5%時，會明顯出現(xiàn)淬火脆性以及馬氏體脆性，因此，碳含量不宜 過低；但碳含量過高將影響產(chǎn)品的沖擊韌性，其最佳范圍是0. 24%-0. 28%。
[0016] Si :可以起到固溶強化作用，但其含量過高會使鋼的塑性和韌性降低，其最佳范圍 是 0· 15% -0· 30%。
[0017] Mn:錳具有固溶強化作用，還能增加奧氏體穩(wěn)定性，對提高淬透性也有利，有效保 證鋼的強度。錳可降低馬氏體轉(zhuǎn)變溫度Ms，增加殘余奧氏體的含量，同時錳對鋼板的韌性影 響不大。但錳含量過大，可增加連鑄坯的中心偏析傾向，會使鋼板中帶狀組織增多，并且在 熱處理后保存下來，最終鋼板中會含有一定量地帶狀組織，而貝氏體、馬氏體等硬相在帶狀 組織中聚集，使鋼板的脆性增加，塑性降低，力學(xué)性能下降。其最佳范圍是I. 25%-1. 50%。
[0018] P :磷是鋼中有害元素，增加鋼的冷脆性，使焊接性能變壞，降低塑性，使冷彎性能 變壞，應(yīng)控制其含量< 0. 020%。
[0019] S :硫是鋼中有害元素，使鋼產(chǎn)生熱脆性，降低鋼的延展性和韌性，惡化焊接性能， 為保證鋼水的高純凈度，應(yīng)控制其含量< 0. 008%。
[0020] V :釩的碳氮化物在鐵素體中以細(xì)小彌散形式均勻析出，具有細(xì)晶強化作用，可以 顯著提高材料的屈服強度和抗拉強度，同時提高低溫沖擊韌性；高溫熔入奧氏體時，可增加 鋼的淬透性；固溶于鐵素體中有極強的固溶強化作用，但過高會增加合金成本，合適的范圍 是 0· 050%-0· 080%。
[0021] Ti :鈦是強的固氮元素，加入0. 015%左右Ti時，可在板坯連鑄時形成高溫穩(wěn)定細(xì) 小的TiN析出相，這種細(xì)小的TiN析出相可有效阻止連鑄坯在加熱過程中奧氏體晶粒的長 大，同時對改善鋼焊接時熱影響區(qū)的韌性有明顯作用，合適的范圍是0. 〇1〇%-〇. 030%。
[0022] Als :鋁是常用的脫氧劑，在鋼中加入少量的鋁，可細(xì)化晶粒，提高沖擊韌性，合適 的范圍是0. 02%-0. 05%。
[0023] N :固溶氮有釘扎位錯的強烈作用，對韌性有不良影響，應(yīng)控制其含量< 0. 008%
[0024] 本發(fā)明一種PllO鋼級直縫電阻焊石油套管的制造方法，包括鐵水預(yù)處理、鋼水冶 煉、爐外精煉和板坯連鑄、連鑄坯再加熱、乳制、冷卻、卷取、ERW制管和整管熱處理。其特征 是：
[0025] 1)冶煉連鑄工藝：鐵水預(yù)處理，轉(zhuǎn)爐冶煉一經(jīng)頂吹或頂?shù)讖?fù)合吹煉，爐外精煉、LF 爐輕脫硫處理及進(jìn)行鈣處理以控制夾雜物形態(tài)和提高鋼的延展性、韌性和冷彎性能，板坯 連鑄制成連鑄板坯一連鑄采用電磁攪拌或動態(tài)輕壓下、以提高連鑄板坯的質(zhì)量。
[0026] 2)軋制工藝：連鑄板坯經(jīng)加熱爐加熱至1180-1250，°C隨后經(jīng)熱連軋機組采用兩 階段控制軋制，第一階段開軋溫度為1100-1230，°C終軋溫度大于960，°C第二階段開軋 溫度小于950，°C終軋溫度為800-850，°C軋后鋼帶以11_15°C的/速s度進(jìn)行冷卻，在 500-580°C溫度進(jìn)行鋼帶卷取。
[0027] 3)熱軋態(tài)鋼帶的屈服強度為550_650MPa，抗拉強度為700_800MPa。
[0028] 4)鋼帶經(jīng)過ERW機組進(jìn)行高頻/中頻電阻焊制成鋼管。
[0029] 5)整管調(diào)質(zhì)熱處理工藝：經(jīng)ERW制管后，整管加熱到880-940，°C保溫30-60min， 水淬；再把整管加熱到500-560，°C保溫60-80min，空冷回火。
[0030] 6)調(diào)質(zhì)后整管的屈服強度為760-860MPa，抗拉強度為880-980MPa，0°C橫向夏比 沖擊功（3個試樣均值）Akv > 80J。
[0031] 本發(fā)明技術(shù)方案的優(yōu)點及效果在于：1)用少量的V取代貴重金屬Mo、Ni、Cu、Nb、 Cr,降低合金成本；2) C含量適中，板卷的焊接性和沖擊韌性良好；3)熱軋態(tài)板卷性能較 低，后續(xù)制管成型容易；4)整管進(jìn)行調(diào)質(zhì)熱處理，性能為PllO級別，保證了管體和焊縫性能 的一致性。
【具體實施方式】
[0032] 下面列舉本發(fā)明的實施例，試驗鋼化學(xué)成分見表1，加熱、乳制冷卻工藝見表2,力 學(xué)性能見表3。
[0033] 表1化學(xué)成分（wt，％)
[0034]
【主權(quán)項】
1. 一種PllO級直縫電阻焊石油套管，其特征在于，化學(xué)成分按重量百分比配比如 下，C :0· 24%-0· 28%，Si :0· 15%-0· 30%，Mn :1. 25%-1· 50%，P :彡 0· 020%，S :彡 0· 008%，Ti : 0· 010%-0· 030%，Als :0· 02%-0· 05%，V :0· 050%-0· 080%，N :彡 0· 008%，其余為 Fe 和不可避 免元素。
2. 如權(quán)利要求1所述一種PllO鋼級直縫電阻焊石油套管的制造方法，包括鐵水預(yù)處 理、鋼水冶煉、爐外精煉和板坯連鑄、連鑄坯再加熱、乳制、冷卻、卷取、ERW制管和整管熱處 理，其特征在于 ： 1) 冶煉連鑄工藝：鐵水預(yù)處理，轉(zhuǎn)爐冶煉一經(jīng)頂吹或頂?shù)讖?fù)合吹煉，爐外精煉、LF爐輕 脫硫處理及進(jìn)行鈣處理； 2) 軋制工藝：連鑄板坯經(jīng)加熱爐加熱至1180-1250°C，隨后經(jīng)熱連軋機組采用兩階段 控制軋制，第一階段開軋溫度為Il〇〇-1230°C，終軋溫度大于960°C，第二階段開軋溫度小 于950°C，終軋溫度為800-850°C，乳后鋼帶以11_15°C /s的速度進(jìn)行冷卻，在500-580°C溫 度進(jìn)行鋼帶卷??； 3) 整管調(diào)質(zhì)熱處理工藝：經(jīng)ERW制管后，整管加熱到880-940°C，保溫30-60min，水淬； 再把整管加熱到500-560°C，保溫60-80min，空冷回火。
【專利摘要】本發(fā)明公開一種P110級直縫焊石油套管及其制造方法，其化學(xué)成分按重量%配比如下：C：0.24%-0.28%，Si：0.15%-0.30%，Mn：1.25%-1.50%，P：≤0.020%，S：≤0.008％，Ti：0.010%-0.030%，Als：0.02%-0.05%，V：0.050%-0.080%，N：≤0.008％，其余為Fe和不可避免元素。工藝包括冶煉、連鑄，板坯加熱1180-1250℃，采用兩階段控制軋制，采用整管調(diào)質(zhì)熱處理工藝：經(jīng)ERW制管，整管加熱到880-940℃，保溫30-60min，水淬；再把整管加熱到500-560℃，保溫60-80min，空冷回火。本發(fā)明效果在于：用少量的V取代貴重金屬降低成本；熱軋態(tài)板卷性能較低，后續(xù)制管成型容易；整管進(jìn)行調(diào)質(zhì)熱處理，性能為P110級別，保證了管體和焊縫性能的一致性。
【IPC分類】C21D8-10, C22C38-14, E21B17-00
【公開號】CN104561774
【申請?zhí)枴緾N201310468738
【發(fā)明人】黃明浩, 黃國建, 孔祥磊, 張英慧, 徐烽
【申請人】鞍鋼股份有限公司
【公開日】2015年4月29日
【申請日】2013年10月10日