CN101153373A - 油套管钢及其制造工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种油套管钢及其制造工艺。其成分如下：C：0.28～0.35wt％，Si：0.1～0.4wt％，Mn：0.8～1.6wt％，Mo：0.4～0.6wt％，Cr：0.8～1.2wt％，V：0.05～0.10wt％，S：≤0.005wt％，Al：0.01～0.04％，其余为Fe和不可避免的杂质。其制造工艺：由连铸或连轧得到的管坯经加热炉加热后，经穿孔机穿孔，然后温度在950～1050℃轧管，脱棒后进入再加热炉，在800～1000℃保温后，进入张力减径机或延伸机轧后空冷，再860～1000℃保温进行淬火，然后在600℃～660℃保温进行回火制成成品管。本发明的钢种，有着良好的淬透性和较高的组织稳定性，完全能保证油井用油套管在达到1000～1200MPa屈服强度的同时又能满足横向冲击功大于70J、冲击功大于90J以上的要求。
Description
技术领域
本发明涉及一种油套管用钢，即高强度高韧性的油套管钢，尤其涉及一种在井深超过5000米或者抗挤性能要求高条件下，屈服强度在1000Mpa以上且横向冲击功大于75J、冲击功大于90J以上的油套管用钢的化学成分及其制造工艺。
背景技术
就油套管常用钢种而言，API标准的最高强度是Q125钢级，纵向冲击功大于60J。随着油田开采条件的变化，开采油气的深井越来越深，Q125钢级普通油套管已经满足不了需要，需要强度更高韧性更好的油套管。随着油套管的强度不断提高，韧性会不断下降，由于油气田钻采条件日益苛刻，深井的开发日益增多，井下岩层变化也越来越复杂，因此需要采用具有强度高、韧性好的材料。目前，在国际上已经开发150Ksi油套管材料，主要是通过水淬加较低的温度回火，来达到所要求的性能。但是，由于高强度高韧性油套管属油井管产品中生产难度大、附加值高的产品，国内基本不能生产。因此许多油田仍然采用P110或者Q125钢级增加臂厚的办法来维持使用，普遍存在超深井不能开发问题。
高强度高韧性管的生产难度在于其对强度要求高而且韧性要求并且具有对综合性能有很高的要求。
影响材料高强韧性性能的主要因素合金含量、夹杂物数量和形态及热处理工艺，材料的合金含量高，强度越高，同时材料的韧性差；材料的合金含量低，强度越低，同时材料的韧性越高。钢的纯净度会提高材料的韧性，夹杂物数量越多且形态越不规则、偏析越严重、韧性越差。
夹杂物的数量和形态可以通过冶炼和钙处理来控制。合金含量主要通过控制C、Mn、Cr、Mo、V等元素，C含量高，可以保证提高强度，同时会造成韧性下降，而且也会提高材料的开裂敏感性。但是随着碳含量的降低，材料的强度也会降低。为保证在低碳含量的条件下得到足够的强度。通过Mn、Cr、Mo、V元素和C元素的合理配合，通过调质热处理的方法来保证材料的强度。调质热处理采用淬火加高温回火的方法，保持在一定的温度以上进行回火，来保证材料的高强度和高韧性。在钢管的生产过程中，为解决高强度和高韧性这一问题，许多厂家都选用了低C、高Cr、Ni通过调质热处理的方式生产高强度油套管。低C可以保证材料的韧性，通过高合金的加入保证材料足够的强度，再通过调质热处理来达到材料的高强度和高韧性。有的厂家采用低合金钢材料生产高强度油套管，最终因材料的冲击韧性低或者强度低而放弃生产。
采用高Cr、Ni合金再进行调质热处理，材料的各项性能保证能够达到高强韧性，但对生产油套管而言相对于低合金钢管，大大增加了生产成本，会降低产品的市场竞争力。
发明内容
本发明提出一种油井用低合金高强度无缝油套管新钢种及其制造工艺，在钢管轧制后进行调质热处理。在调质状态下就可以保证油井用油套管在达到1000～1200MPa屈服强度的同时又能满足横向冲击功大于70J、冲击功大于90J以上的要求。
本发明所述的油套管钢，其成分如下：
C：0.28～0.35wt％
Si：0.1～0.4wt％
Mn：0.8～1.6wt％
Mo：0.4～0.6wt％
Cr：0.8～1.2wt％
V：0.05～0.10wt％
S：≤0.005wt％
Al：0.01～0.04％
其余为Fe和不可避免的杂质。
下面分别介绍各个合金元素的作用：
C：0.28～0.35％(wt％，以下各元素相同)，C为碳化物形成元素，可以提高钢的强度和衰透性，太低时钢的强度明显降低，太高时会大大降低钢的韧性，同时也会增加钢的开裂敏感性。
Mn：1.0～1.6，Mn为奥氏体形成元素，可以提高钢的强度，含量小于1.0时作用不明显，含量大于1.6时，组织偏析倾向加重，影响组织的均匀性。
Mo：0.4～0.6％：主要是通过碳化物及固溶强化形式来提高钢的强度和提高钢的回火稳定性，含量过高会降低钢的韧性。
V：0.05～0.10，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。
Si：0.1～0.4，能够强化基体，低于0.1，效果不明显。但含量达到超过0.4后，效果增加便不明显。
S：≤0.005％，加入量超过会增加硫化物含量，影响钢的韧性。
Al：加入适量的Al会细化钢的晶粒，但是加入量超过0.4％后会恶化钢的力学性能。
该油套管钢的制造工艺如下：
经电炉冶炼浇铸的管坯经环形加热炉加热、穿孔机穿孔后，然后在950～1050℃进行轧管，空心管脱棒后进入再加热炉，保温温度在800～1000℃之间，其目的主要是重新奥氏体化钢管更易变形，而且组织得到进一步细化。钢管经张力减径机轧制后空冷，随后再在860～1000℃温度区间进行奥氏体化并水淬火以得到过饱和的马氏体组织，然后钢管在600℃～660℃保温进行调质处理以得到均匀细小的回火索氏体组织，最终确保钢管的力学性能达到150钢级水平制成成品管。
通过查新检索到两个油井用低合金高强钢的发明专利，其化学成分与本发明的成分对比见表1。
表1专利钢与本发明钢成分对比
| 专利号 | C | Si | Mn | P | S | Cr | Mo | Al | Cu | Ni | V |
| Cn01118708.5 | 0.300.40 | 0.150.4 | 0.81.0 | ≤0.02 | ≤0.015 | 0.81.25 | ≤0.3 | ≤0.2 | ≤0.1 | ≤0.15 | |
| Cn2004100017996.3 | 0.200.30 | 0.100.5 | 0.701.5 | 0.71.5 | 0.10.4 | ||||||
| 本发明 | 0.28 | 0.1 | 1.0 | ≤ | 0.8 | 0.4 | 0.0 | 0.05 |
| 0.33 | 0.4 | 1.4 | 0.005 | 1.5 | 0.6 | 20.4 | 0.10 |
其中Cn01118708.5专利钢主要通过加入0.3～0.4％C 0.8～1.25％Cr，小于0.30Mo，0.15％V，在经过淬火加低温回火后的调质热处理后，材料的力学性能满足Rt0.7≥860Mpa-1200MPa，Rm1000-1300MPa，δ5≥15％，冲击功大于33J。冲击功很低。只能适用于钢级较低的Q125及以下产品。Cn2004100017996.3专利钢主要通过在Cr、Mo组合的合金钢通过调质热处理提高钢的性能，细化钢的晶粒。在600度回火后强度性能在S135钢级。以上专利钢种均与本发明不同。
本发明的钢种，有着良好的淬透性和较高的组织稳定性，可以保证在调质热处理后有8级以上的细晶粒。完全能保证所需要的强度要求和韧性要求。本发明除控制碳含量并加入合适的Cr、Mo、V、Mn、Al保证力学性能外，还通过纯净钢冶炼技术来提高钢的韧性。采用细化晶粒的元素，利用材料的淬透性进行完全马氏体淬火，再通过控制回火温度来控制材料的最终性能，其性能波动小于20MPa，完全满足超深油井对油套管性能的要求。
具体实施方式
由连铸或连轧得到的管坯经环形加热炉加热后，经穿孔机穿孔，然后在950～1050℃轧管，脱棒后进入再加热炉，在800～1000℃保温后，进入张力减径机或延伸机轧后空冷，再860～1000℃保温进行淬火，然后在600℃～660℃保温进行回火制成成品管。
下面就常用的低合金钢及其他钢种和本发明的低合金钢进行对比，其化学成分见表2，力学性能见表3，可见本发明钢种的高强韧性能。
表2对比钢的化学成分
| 序号 | 钢种 | C | Si | Mn | S | Cr | Mo | V | Cu | Ni | Al |
| 1 | 本发明实施例 | 0.28 | 0.15 | 0.81 | 0.002 | 0.80 | 0.40 | 0.05 | |||
| 2 | 0.30 | 0.10 | 1.60 | 0.003 | 0.90 | 0.60 | 0.010 | ||||
| 3 | 0.35 | 0.40 | 1.32 | 0.002 | 1.2 | 0.55 | 0.060 | ||||
| 4 | 0.33 | 0.35 | 1.20 | 0.005 | 1.1 | 0.51 | 0.065 | ||||
| 5 | 0.30 | 0.32 | 1.10 | 0.001 | 0.90 | 0.52 | 0.06 | ||||
| 6 | 0.28 | 0.30 | 1.15 | 0.005 | 0.92 | 0.44 | 0.067 | 0.03 |
| 7 | 0.31 | 0.31 | 1.12 | 0.002 | 0.99 | 0.44 | 0.054 | 0.02 | |||
| 8 | 0.34 | 0.22 | 1.02 | 0.005 | 0.92 | 0.40 | 0.051 | 0.03 | |||
| 1 | 对比钢 | 0.29 | 0.31 | 1.1 | 0.004 | 0.96 | 0.23 | 0.045 | 0.24 | 0.25 | 0.03 |
| 2 | 0.28 | 0.32 | 1.0 | 0.002 | 0.98 | 0.31 | 0.077 | 0.26 | 0.25 | 0.04 | |
| 3 | 0.27 | 0.30 | 1.1 | 0.008 | 0.088 | 0.42 | 0.052 | 0.03 |
表3力学性能
| 序号 | 钢种 | 屈服强度，MPa | 抗拉强度，MPa | A50.8，％ | Akv，J |
| 1 | 本发明实施例 | 1000 | 1170 | 20 | 90 |
| 2 | 1050 | 1175 | 21 | 85 | |
| 3 | 1060 | 1180 | 22 | 79 | |
| 4 | 1080 | 1190 | 23 | 91 | |
| 5 | 1090 | 1195 | 20 | 86 | |
| 6 | 1080 | 1180 | 24 | 90 | |
| 7 | 1090 | 1170 | 21 | 87 | |
| 8 | 1110 | 1190 | 19 | 76 | |
| 1 | 对比钢 | 963 | 1040 | 24 | 80 |
| 2 | 958 | 1029 | 18 | 56 | |
| 3 | 950 | 1019 | 19 | 82 |
按上述成分和工艺制造的高强套管，力学性能稳定，完全达到使用要求。
Claims (3)
1.一种油套管钢，其特征在于：
C： 0.28～0.35wt％
Si：0.1～0.4wt％
Mn：0.8～1.6wt％
Mo：0.4～0.6wt％
Cr：0.8～1.2wt％
V： 0.05～0.10wt％
S： ≤0.005wt％
Al：0.01～0.04％
其余为Fe和不可避免的杂质。
2.如权利要求1所述的油套管钢的制造工艺，其特征在于：
由连铸或连轧得到的管坯经加热炉加热后，经穿孔机穿孔，轧管，脱棒后进入再加热炉，在800～1000℃保温后，进入张力减径机或延伸机轧后空冷，再860～1000℃保温进行淬火，然后在600℃～660℃保温进行回火制成成品管。
3.如权利要求2所述的油套管钢的制造工艺，其特征在于：所述轧管温度在950～1050℃。
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