CN101168823B - 一种高塑性连续油管用钢及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种高塑性连续油套用钢及其制造方法。钢的化学成分(熔炼分析)按重量百分计为：C 0.11～0.14％，Si 0.15～0.40％，Mn 0.20～1.20％，Nb 0.015～0.06％，Ti 0.008～0.025％，Mo 0～0.20％，Cu 0.15～0.30％，Cr 0.20～0.40％，P 0.008～0.022％，S 0.001～0.004％，其它为铁及不可避免的夹杂元素。具体制造方法中涉及炼钢工艺控制及控轧控冷工艺控制两方面。通过本发明所述方法所得钢材成本大大降低，不但生产出的钢强韧性适中，而且由于采用微合金化钢控轧控冷工艺生产，生产简便易行，钢的组织均匀性好，并且由于微合金钢的轧制过程变形抗力小，对轧机损耗小，利于推广应用。
Description
技术领域
本发明涉及一种石油管用钢及其制造方法。
背景技术
早在上世纪70年代中期，世界石油能源危机的出现，使广大石油科技人员警觉到不可再生的地下油气资源耗尽的日子已为期不远，因而开始重视那些更深、更小、更复杂、勘探开发难度更大的地下构造。发展新的钻采工艺技术、开发利用更深的地下资源已成为一项十分迫切的任务。
自从60年代初，连续油管引入油井作业以后，由于它改变了传统的钻机作业方式，使油田酝酿着一场技术革命。特别是进入90年代以来，连续油管作业技术飞速发展，由于其搬迁安装方便，占地面积小，作业成本低，保护油层、增加油井产量等诸多优势，其应用范围几乎扩展到石油行业上游的各个部门，被广泛应用于钻井、完井、试油、采油、测井、增产、管道集输等20多种作业。预计未来十年，其应用将更加广泛。
连续油管是一种强度和韧性良好的钢管，由若干段长度在百米以上的柔性管焊接成长达几百米至几千米的一种没有接头的连续管子，缠绕在大直径(一般约在1米以上)卷筒上。连续油管的管外径一般为0.75英寸～3.5英寸，壁厚为1.90～5.16mm。一个卷筒连续油管的长度可达到5000多米。由于钢带需经纵剪、焊接、筒卷成管状、热处理等工序而制成连续油管，因此，要求钢带具有高的塑性(A50≥23％)、低的屈强比(≤0.85)以及良好的焊接性能。同时要求钢材具有一定的抗低周疲劳特性以及抗腐蚀能力。
低强度级别连续油管的材料主要为碳钢。碳钢主要依靠C的固溶强化效果来获得钢的强度，虽然价格低廉，但这种钢焊接性能差，塑韧性不好。高塑性连续油管的材料主要为不锈钢和钛合金钢。不锈钢虽具有良好的抗腐蚀等能力，但成本高、合金消耗量大。
不锈钢连续油管的化学成分(重量百分数)如下：
| 钢种 | C | Si | Mn | Cr | Ni | Mo | W | P | S |
| 1 | ≤0.03 | ≤1.0 | ≤1.5 | 23-27 | 5-9 | 2-4 | 1.5-5.0 | ≤0.04 | ≤0.008 |
| 2 | 0.001-0.04 | ≤1.0 | 0.1-3.0 | 9-15 | 0.7-8.0 | 0.2-3.0 | 0.1-1.5 | ≤0.04 | ≤0.005 |
不锈钢由于合金含量高，成本上升，冶炼难度加大，同时轧制过程变形抗力大，对设备和工艺的要求非常高，使生产难度加大。这些都导致不锈钢的制作成本非常高。
发明内容
针对现有不锈钢连续油管合金含量高，制作昂贵等不足，发明提供一种高塑性连续油套管用钢，调整合金种类，减少贵重金属的添加量，利用微合金化钢生产工艺技术，获得所需的组织与性能，可使钢的成本有效降低。
一种高塑性连续油管用钢，钢的化学成分(熔炼分析)按重量百分计为：钢的化学成分(熔炼分析)按重量百分计为：C 0.11～0.14％，Si 0.15～0.40％，Mn 0.20～1.20％，Nb 0.015～0.06％，Ti 0.008～0.025％，Mo 0～0.20％，Cu 0.15～0.30％，Cr 0.20～0.40％，P 0.008～0.022％，S 0.001～0.004％，其它为铁及不可避免的夹杂元素。
该发明的C含量限制在0.11～0.14％。C元素是钢的主要固溶强化元素。但含量过高，则恶化焊接和冲击韧性。含量过低，钢的屈强比将上升。本发明合理选择了钢中的含碳量，既保证了它的固溶强化效果，使钢通过控轧后获得较低的屈强比，同时又不降低钢的焊接和冲击韧性。
本发明的Si含量在0.15％～0.40％，Si主要以固溶强化形式提高钢的强度，对提高钢的抗疲劳性能有一定作用。但含量不可过高，以免降低钢的焊接性能。
本发明的Mn含量控制在0.20％～1.20％。Mn在该钢中是作为固溶强化元素，提高钢的强度。由于Mn在连铸过程中，易于在铸坯中心产生偏析，对钢的抗HIC腐蚀性能带来非常不利的影响，因此Mn的含量不宜超过1.20％。
本发明的P、S含量为：P 0.008～0.022％，S 0.001～0.004％，低的P、S含量是为了保证高的钢质纯净度，获得该钢良好的冲击韧性和抗腐蚀性能。
Cu在钢中主要起固溶及沉淀强化作用，但当Cu含量小于0.30％，其沉淀强化作用不明显。Cu在本钢中主要是通过固溶强化来提高钢的强度。
Mo的含量控制在0～0.20％内。Mo能增加淬透性，显著提高钢的强度。同时Mo能提高连续油管钢的抗回火稳定性。由于Mo合金较昂贵，添加量不宜高。
Cr的含量控制在0.20～0.40％范围内。Cr在本钢中主要弥补Mo元素含量的不足，起固溶强化作用。
Nb的含量为0.015～0.06％。Nb在钢中主要通过提高再结晶温度来细化晶粒，提高钢的强度。但Nb含量过高，钢的屈强比上升。因此该钢将Nb的含量限制在0.06％以下。
Ti的加入有利于焊接时热影响区的晶粒控制，这对改善焊接热影响区的韧性是非常有利的。同时Ti是强氮化物形成元素，Ti的氮化物能有效地钉扎奥氏体晶界，因此有助于控制奥氏体晶粒的长大，细化晶粒。Ti的含量控制在0.008～0.025％范围内。
上述高塑性连续油管用钢的制造方法，包括以下步骤：转炉冶炼-RH真空脱气-LF炉精炼-连铸-板坯加热-轧制-控冷-卷取，具体参数控制为：
炼钢工艺控制：
(1)铁水预处理：保证入炉铁水S含量≤0.004％；
(2)炉外精炼：RH真空处理，处理时间不少于15分钟；
(3)夹杂物变性处理：在钢包炉中喂入CaSi线，喂入量700～800克/吨，喂线速度250～300m/min；
连续油管由于在油井等复杂环境作业，要求钢具有良好的抗腐蚀性能。也许对钢的纯净度和组织均匀度提出了更高的要求。因此，炼钢工艺的控制就是要通过炉外精炼、夹杂物充分变性处理来提高铸坯质量，尽量减少钢材缺陷。入炉铁水S含量≤0.004％是为了保证原材料的洁净度。RH真空处理时间不足，则脱气不充分。而CaSi线喂入方式不合适，那么夹杂物变性就不充分。
控轧控冷工艺控制：
(1)板坯再加热温度1250±20℃；
(2)终轧温度750～880℃；
(3)卷取温度450～630℃；
(4)冷却速度15～30℃/s。
控轧控冷工艺控制首先是控制钢坯的再加热过程。防止再加热温度过高，以免奥氏体晶粒粗化；过低，则合金元素未充分固溶。精轧阶段通过在奥氏体未再结晶区轧制，获得具有较高位错密度的形变奥氏体，终轧时一部分奥氏体转变成珠光体和先共析铁素体，同时未相变的奥氏体在随后的冷却和卷取过程中，转变成贝氏体。铁素体软相和珠光体、贝氏体硬相的结合使该钢获得低的屈强比和高的延伸率。
利用本发明，可以制成屈服强度为485MPa和555MPa级高塑性连续油管，本发明大大降低了成本，不但生产出的钢强韧性适中，而且由于采用微合金化钢控轧控冷工艺生产，生产简便易行。钢的组织均匀性好。并且由于微合金钢的轧制过程变形抗力小，对轧机损耗小。该钢由于纯净度高，还具有良好的抗腐蚀性能，因此利于推广应用。
具体实施方式
实施例1
屈服强度为485Mpa级的高塑性连续油管用钢，钢的化学成分(熔炼分析)按重量百分计为：C 0.14％，Si 0.15％，Mn 0.20％，Nb 0.015％，Ti 0.025％，Mo0％，Cu 0.30％，Cr 0.20％，P 0.022％，S 0.001％，其它为铁及不可避免的夹杂元素。其化学成分见表1中的钢1。
上述钢的制造方法包括以下步骤：转炉冶炼-RH真空脱气-LF炉精炼-连铸-板坯加热-轧制-控冷-卷取，具体参数控制为：
炼钢工艺控制：
(1)铁水预处理：入炉铁水S含量为≤0.004％；
(2)炉外精炼：RH真空处理，处理时间为15分钟；
(3)夹杂物变性处理：在钢包炉中喂入CaSi线，喂入量700克/吨，喂线速度300m/min；
控轧控冷工艺控制：
(1)板坯再加热温度1270℃；
(2)终轧温度880℃；
(3)卷取温度450℃；
(4)冷却速度30℃/s。
本实施例所述方法生产热轧钢带的厚度为3.2mm，其机械性能见表2中的钢1。
实施例2
屈服强度为485Mpa级的高塑性连续油管用钢，与实施例1不同的是，钢的化学成分(熔炼分析)按重量百分计为：C 0.11％，Si 0.30％，Mn 0.50％，Nb 0.04％，Ti 0.008％，Mo 0.05％，Cu 0.15％，Cr 0.40％，P 0.008％，S0.004％，其它为铁及不可避免的夹杂元素。其化学成分见表1中的钢2。
上述钢的制造方法与实施例1中的步骤相同，不同在于具体参数控制为：
炼钢工艺控制：
(1)铁水预处理：入炉铁水S含量为0.003％；
(2)炉外精炼：RH真空处理，处理时间为20分钟；
(3)夹杂物变性处理：在钢包炉中喂入CaSi线，喂入量750克/吨，喂线速度270m/min；
控轧控冷工艺控制：
(1)板坯再加热温度为1230℃；
(2)终轧温度为810℃；
(3)卷取温度为540℃；
(4)冷却速度为25℃/s。
本实施例所述方法生产热轧钢带的厚度为3.2mm，其机械性能见表2中的钢2。
实施例3
屈服强度为555Mpa级的高塑性连续油管用钢，钢的化学成分(熔炼分析)按重量百分计为：C 0.04％，S i 0.40％，Mn 1.20％，Nb 0.06％，Ti 0.01％，Mo 0.20％，Cu 0.25％，Cr 0.40％，P 0.008％，S 0.003％，其它为铁及不可避免的夹杂元素。其化学成分见表1中的钢3。
上述钢的制造方法与实施例1中的步骤相同，不同在于具体参数控制为：
(1)铁水预处理：入炉铁水S含量为0.001％；
(2)炉外精炼：RH真空处理，处理为30分钟；
(3)夹杂物变性处理：在钢包炉中喂入CaSi线，喂入量800克/吨，喂线速度250m/min；
控轧控冷工艺控制：
(1)板坯再加热温度为1270℃；
(2)终轧温度为750℃；
(3)卷取温度为630℃；
(4)冷却速度为15℃/s。
本实施例所述方法生产热轧钢带的厚度为3.2mm，其机械性能见表2中的钢3。
实施例4
屈服强度为555Mpa级的高塑性连续油管用钢，与实施例3不同的是，钢的化学成分(熔炼分析)按重量百分计为：C 0.07％，Si 0.30％，Mn 0.60％，Nb 0.05％，Ti 0.020％，Mo 0.15％，Cu 0.30％，Cr 0.50％，P 0.009％，S 0.003％，其它为铁及不可避免的夹杂元素。其化学成分见表1中的钢4。
上述钢的制造方法和具体参数控制与实施例3相同。本实施例所述方法生产热轧钢带的厚度为3.2mm，其机械性能见表2中的钢4。
表1连续油管用钢的熔炼化学成分(Wt％)
| 实施例 | C | Mn | P | S | Si | Cr | Cu | Mo | Nb | Ti |
| 钢1 | 0.14 | 0.20 | 0.022 | 0.001 | 0.15 | 0.20 | 0.30 | 0 | 0.015 | 0.025 |
| 钢2 | 0.11 | 0.50 | 0.008 | 0.004 | 0.30 | 0.40 | 0.15 | 0.05 | 0.04 | 0.008 |
| 钢3 | 0.04 | 1.20 | 0.008 | 0.003 | 0.40 | 0.40 | 0.25 | 0.20 | 0.06 | 0.01 |
| 钢4 | 0.07 | 0.60 | 0.009 | 0.003 | 0.30 | 0.50 | 0.30 | 0.15 | 0.05 | 0.020 |
表2本发明钢的机械性能
| 实施例 | 板厚/mm | R<sub>p0.2</sub>/MPa | R<sub>m</sub>/MPa | R<sub>p0.2</sub>/R<sub>m</sub> | A<sub>50</sub>/％ | HV<sub>300</sub> | 0℃Akv，J |
| 钢1 | 3.2 | 520 | 615 | 0.84 | 31.0 | 180-210 | 30-48 |
| 钢2 | 3.2 | 530 | 650 | 0.82 | 28.0 | 190-220 | 25-40 |
| 钢3 | 3.2 | 590 | 695 | 0.85 | 32.0 | 210-230 | 60-80 |
| 钢4 | 3.2 | 587 | 700 | 0.84 | 29.6 | 200-230 | 28-42 |
注：冲击试样尺寸为55×10×3.0mm。
上述实施例中钢的抗腐蚀能力：按NACE TM0284规定进行抗HIC(氢致裂纹)试验，试验溶液为A溶液。试验结果全部满足：CSR≤2％，CLR≤15％，CTR≤5％。
Claims (7)
1.一种高塑性连续油管用钢，其特征在于钢的化学成分按熔炼分析的重量百分计为：C 0.11～0.14％，Si 0.15～0.40％，Mn 0.20～1.20％，Nb0.015～0.06％，Ti 0.008～0.025％，Mo 0～0.20％，Cu 0.15～0.30％，Cr0.20～0.40％，P 0.008～0.022％，S 0.001～0.004％，其它为铁及不可避免的夹杂元素。
2.根据权利要求1所述的高塑性连续油管用钢，其特征在于钢的化学成分(熔炼分析)按重量百分计为：C 0.14％，Si 0.15％，Mn 0.20％，Nb 0.015％，Ti 0.025％，Mo0％，Cu 0.30％，Cr 0.20％，P 0.022％，S 0.001％，其它为铁及不可避免的夹杂元素。
3.根据权利要求1所述的高塑性连续油管用钢，其特征在于钢的化学成分(熔炼分析)按重量百分计为：C 0.11％，Si 0.30％，Mn 0.50％，Nb 0.04％，Ti 0.008％，Mo 0.05％，Cu 0.15％，Cr 0.40％，P 0.008％，S 0.004％，其它为铁及不可避免的夹杂元素。
4.一种权利要求1～3之一所述高塑性连续油管用钢的制造方法，其特征在于包括以下步骤：转炉冶炼-RH真空脱气-LF炉精炼-连铸-板坯加热-轧制-控冷-卷取，具体参数控制为：
炼钢工艺控制：
(1)铁水预处理：保证入炉铁水S含量≤0.004％；
(2)炉外精炼：RH真空处理，处理时间不少于15分钟；
(3)夹杂物变性处理：在钢包炉中喂入CaSi线，喂入量700～800克/吨，喂线速度250～300m/min；
控轧控冷工艺控制：
(1)板坯再加热温度1250±20℃；
(2)终轧温度750～880℃；
(3)卷取温度450～630℃；
(4)冷却速度15～30℃/s。
5.根据权利要求4所述的一种高塑性连续油管用钢的制造方法，其特征在于具体参数控制为：
炼钢工艺控制：
(1)铁水预处理：入炉铁水S含量为0.004％；
(2)炉外精炼：RH真空处理，处理时间为15分钟；
(3)夹杂物变性处理：在钢包炉中喂入CaSi线，喂入量700克/吨，喂线速度300m/min；
控轧控冷工艺控制：
(1)板坯再加热温度为1270℃；
(2)终轧温度为880℃；
(3)卷取温度为450℃；
(4)冷却速度为30℃/s。
6.根据权利要求4所述的一种高塑性连续油管用钢的制造方法，其特征在于具体参数控制为：
炼钢工艺控制：
(1)铁水预处理：入炉铁水S含量为0.003％；
(2)炉外精炼：RH真空处理，处理时间为20分钟；
(3)夹杂物变性处理：在钢包炉中喂入CaSi线，喂入量750克/吨，喂线速度270m/min；
控轧控冷工艺控制：
(1)板坯再加热温度为1230℃；
(2)终轧温度为810℃；
(3)卷取温度为540℃；
(4)冷却速度为25℃/s。
7.根据权利要求4所述的一种高塑性连续油管用钢的制造方法，其特征在于具体参数控制为：
炼钢工艺控制：
(1)铁水预处理：入炉铁水S含量为0.001％；
(2)炉外精炼：RH真空处理，处理为30分钟；
(3)夹杂物变性处理：在钢包炉中喂入CaSi线，喂入量800克/吨，
喂线速度250m/min；
控轧控冷工艺控制：
(1)板坯再加热温度为1270℃；
(2)终轧温度为750℃；
(3)卷取温度为630℃；
(4)冷却速度为15℃/s。
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| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| TR01 | Transfer of patent right | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20170705 Address after: 430080 Qingshan District stock company of Hubei, Wuhan Province Patentee after: Wuhan iron and Steel Company Limited Address before: 430083 Qingshan District, Hubei, Wuhan factory before the door No. 2 Patentee before: Wuhan Iron & Steel (Group) Corp. |