CN101096737A - 一种高强度直缝焊石油套管钢及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种石油套管钢及其制造方法，特别涉及一种高强度直缝焊石油套管钢及其制造方法，主要解决现有高强度直缝焊石油套管钢的焊接性能较差以及获得的板卷强度均匀性不够的技术问题。本发明的技术方案为：一种高强度直缝焊石油套管钢，其组成成分的重量百分比为：C：0.2～0.3％，Si：0.1～0.5％，Mn：0.8～1.5％，P：≤0.02％，S：≤0.01％，Al：0.005～0.050％，Mo：0.1～0.3％，V：0.01～0.1％，余量为Fe和不可避免的杂质。高强度直缝焊石油套管钢的制造方法，包括冶炼、制坯、热轧、层流冷却和卷取步骤，其特征是，按上述配比获得钢水经转炉或电炉冶炼并浇铸制成的板坯经1200～1300℃加热后轧成板带，板带的终轧温度在800～900℃之间，轧后板带经层流冷却至500～600℃卷取成板卷。采用本发明配比和制造工艺能得到合格N80焊管。

Description

一种高强度直缝焊石油套管钢及其制造方法

技术领域：本发明涉及一种石油套管钢及其制造方法，特别涉及一种高强度直缝焊石油套管钢及其制造方法，套管钢强度可达API N80钢级。

背景技术：API标准规定，可以用无缝管和直缝焊管制造石油套管。就直缝焊套管而言，传统的生产工艺是：根据套管性能的需要，设计合适的化学成分；冶炼并轧成热轧板卷；将板卷通过成型和直缝电阻焊方式制成管料；对钢管焊缝或钢管整体进行热处理；并对管端进行适当的螺纹加工，最终生产出合格的石油套管。

就N80钢级石油套管而言，标准规定：管体的屈服强度在552～758MPa之间，抗拉强度≥689MPa。

如果制管成型后，仅对焊缝进行在线热处理，那么提供的热轧板卷性能就应该达到上述标准规定。但考虑到制管成形后，由于加工硬化的作用，管体性能与板卷性能相比，屈服强度会有所提高，抗拉强度基本不变，因此提供的板卷屈服强度应该控制在600MPa左右，抗拉强度应该控制在750MPa以上。

为得到这种高抗拉强度热轧板卷，并适当控制其屈服强度，从成分设计角度考虑，应采用较高碳当量的碳锰钢。但是对于焊管生产而言，除了需要对板卷边部进行电感应加热熔化后挤压焊接外，还需对两板卷头尾之间进行CO2气体保护焊，以便实现多卷连续生产。因此，从焊接角度出发，必须对板卷的碳当量有所限制。为了能很好的进行板卷头尾对焊，一般都将板卷的碳当量控制在0.40以下。为了在较低碳当量下得到较高强度，本发明将在材料中加入合金元素解决这个问题。

另外，热轧板卷一般轧后应在500～600℃左右卷取。在500℃以下较低温度卷取，由于板卷强度较高，对卷取机设备影响较大，因此在生产强度较高的板卷时，应适当提高卷取温度。然而，在600℃以上较高温度卷取后，在自然冷却的条件下，相当于对板卷进行长期退火处理，这时板卷外圈的退火冷却速度要大大高于板卷内部。对于N80钢级这种高强钢而言，如果材料中只含有碳、锰元素，板卷内部由于退火冷却速度较慢，强度将会有较大降低。严重时，板卷内外强度差会达到100MPa以上，严重影响制管后钢管性能的均匀性。因此本发明通过加入合适的合金元素，以保证板卷性能的均匀性。

目前国外生产电阻焊(ERW)N80套管有两种方式：一种是以美国Lone Star钢铁公司和日本钢管公司及日本神户钢铁公司为代表的焊后整体热处理方式，另一种是以日本新日铁和日本钢管及神户制钢为代表的焊后焊缝热处理方式。

各厂家用焊后焊缝热处理方式生产的ERW N80套管成分设计见表1。

表1    ERW N80石油套管化学成分％

厂家	C	Si	Mn	P	S	Cr	Al	Nb	V	Ti
											新日铁	0.19	0.21	1.64	0.010	0.004	-	-	0.043		0.003
日本钢管	0.24	0.25	1.41	0.019	0.004	0.13	0.036	＜0.01	＜0.030	＜0.030
											神户制钢	0.28	0.21	1.34	0.016	0.003		0.027	0.041

表1所列钢种成分设计思路主要通过在碳锰钢中加入Nb、V、Ti微合金元素，以提高材料的强度。

经检索，发现2篇生产ERW焊接石油套管的专利，其化学成分配比见表2

表2    ERW石油套管专利成分％

专利号	C	Si	Mn	Nb	V	Ti	工艺
								JP60187663	≤0.19	≤0.5	1.0-2.0	≤0.05	≤0.05	≤0.04	500℃以下卷取
US4772771	0.08-0.26	0.1-0.5	0.8-1.9	≤0.05	≤0.05	≤0.03	500℃以下卷取

该专利发明的焊管屈服强度在500MPa左右，可以用作K55套管，但其卷取温度较低，则要求轧后有较快的冷却速度，实际生产时很难控制板卷温度的均匀性。

发明内容：本发明的目的是提供一种高强度直缝焊石油套管钢及其制造方法，主要解决现有高强度直缝焊石油套管钢的焊接性能较差以及获得的板卷强度均匀性不够的技术问题。

本发明的技术方案为：一种高强度直缝焊石油套管钢，其组成成分的重量百分比为：

C：0.2~0.3％

Si：0.1~0.5％

Mn：0.8~1.5％

P：≤0.02％

S：≤0.01％

Al：0.005~0.050％

Mo：0.1~0.3％

V：0.01~0.1％

余量为Fe和不可避免的杂质。

为增加钢的强度和韧性，还可在上述成分的基础上添加Nb和Ti中的一种或两种，重量百分含量为：0.01~0.08％。

一种高强度直缝焊石油套管钢的制造方法，包括冶炼、制坯、热轧、层流冷却和卷取步骤，按上述配比获得钢水经转炉或电炉冶炼，并浇铸制成板坯。板坯经1200～1300℃加热后轧成板带，板带的终轧温度在800～900℃之间，轧后板带经层流冷却至500～600℃卷取成板卷。按上述要求轧成的热轧卷可以提供制造N80焊管。

采用本发明的钢种，在800~900℃的终轧条件下，在轧后10秒中之内，不会发生动态和静态再结晶，只会发生晶粒的轧制变形。此时将钢管迅速冷却到600℃以下卷取，有利于细化组织，生产高性能石油套管。

下面分别介绍各个合金元素的作用：

C：0.2~0.3(wt％，以下各元素相同)，C为碳化物形成元素，可以提高钢的强度，太低时效果不明显，太高时会大大降低钢的焊接性能。

Mn：0.8~1.5，Mn为奥氏体形成元素，可以提高钢的淬透性，含量小于0.8时作用不明显，含量大于1.5时，大大增加钢中的组织偏析，影响热轧组织的均匀性。

Mo：0.1~0.3，主要是通过碳化物及固溶强化形式来提高钢的强度及回火稳定性，含量过高会降低钢的韧性。

V：0.01~0.1，能够细化晶粒，形成碳化物，提高钢的强度和韧性。但含量达到一定量时，其效果增加便不明显了，同时因为价格很高，所以要限制使用量。

Nb和Ti中的一种或两种：0.01~0.08，能够细化晶粒，形成碳化物，提高钢的强度和韧性。但含量达到一定量时，其效果增加便不明显了，同时因为价格很高，所以要限制使用量。

上述板卷采用CO2气体保护焊方式进行板卷头尾对焊。对焊前根据不同厚度规格进行100～200℃预热，焊后在200℃以下进行去应力退火。

板卷经连续成型、电阻焊(ERW)后，对焊管进行在线焊缝热处理。焊缝热处理工艺可以是正火也可以是淬火加回火处理。

本发明的有益效果是，本发明与表1所列钢种相比，主要不同之处在于添加了0.1~0.3％的Mo元素，其主要作用是提高整个板卷性能的稳定性。由于板卷在500～600℃卷取后，相当于整个板卷在这一温度范围内进行退火处理。由于板卷外圈比板卷内部冷却速度快，造成板卷内外强度差异，外圈强度较高，有时会相差100 MPa左右。而Mo元素可以提高回火稳定性，有利于减少板卷内外强度差，提高板卷内外性能的均匀性，从而提高焊管的性能均匀性。与对比专利JP 60187663和US4772771相比，本发明在500～600℃范围内卷取，处于卷取机最佳工作温度范围，易于实现生产操作，能得到合格N80焊管。

具体实施方式：本发明实施例1-5其化学成分见表3，成分均为重量百分比。将他们在规定的轧制、卷取温度范围内轧成热轧板卷，其力学性能结果见表4。由表4可见，采用本发明的钢种和工艺，轧后板卷的屈服强度均大于600MPa，能够满足N80油套管的性能要求。

表3    试验钢化学成分％

编号	C	Si	Mn	Mo	V	Nb	Ti	P	S	Al
											B1	0.20	0.26	1.35	0.29	0.07			0.018	0.008	0.007
B2	0.29	0.27	0.81	0.14	0.01	0.05	0.03	0.015	0.005	0.045
											B3	0.26	0.15	1.15	0.13	0.05		0.05	0.007	0.007	0.016
B4	0.23	0.29	1.49	0.10	0.03	0.03	0.01	0.010	0.010	0.018
											B5	0.24	0.45	1.05	0.21	0.010	0.01		0.009	0.009	0.019

表4    力学性能

编号	工艺		强度MPa
					终轧温度℃	卷取温度℃	σ0.5	σb
	B1	840	520	670					760
B2					850	570	610	712
	B3	855	550	635					753
B4					860	530	652	770
	B5	845	590	592					702

Claims (3)

1、一种高强度直缝焊石油套管钢，其组成成分的重量百分比为：

C：0.2~0.3％

Si：0.1~0.5％

Mn：0.8~1.5％

P：≤0.02％

S：≤0.01％

Al：0.005~0.050％

Mo：0.1~0.3％

V：0.01~0.1％

余量为Fe和不可避免的杂质。

2、根据权利要求1所述的一种高强度直缝焊石油套管钢，其特征是，其组成成分还包括Nb和Ti中的一种或两种，重量百分含量为：0.01~0.08％。

3、权利要求1所述的一种高强度直缝焊石油套管钢的制造方法，包括冶炼、制坯、热轧、层流冷却和卷取步骤，其特征是，按上述配比获得钢水经转炉或电炉冶炼并浇铸制成的板坯经1200～1300℃加热后轧成板带，板带的终轧温度在800～900℃之间，轧后板带经层流冷却至500～600℃卷取成板卷。