CN101200791B - 一种低成本的石油套管用钢及其生产方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及石油套管钢及其生产方法，特别涉及一种低成本的石油套管用钢及其生产方法。主要解决现有J55钢级石油套管用钢成本较高的问题。一种低成本的石油套管用钢，包括以下化学元素，单位为重量百分比：碳：0.16～0.21；硅：0.15～0.25；锰：1.0～1.2；磷≤0.020；硫≤0.009；钛：0.01～0.02；铌：0.02～0.03；其余为铁。在其生产工艺中板坯加热温度控制在1200～1250℃，终轧温度控制在880～850℃，卷取温度：560℃±20℃，层流冷却：采用后段冷却。本发明在保持J55钢级石油套管用钢力学性能、焊接性能等不变的基础上，提供了一种低成本的石油套管用钢。

Description

一种低成本的石油套管用钢及其生产方法

技术领域：

本发明涉及石油套管钢及其生产方法，特别涉及一种低成本的石油套管用钢及其生产方法。

背景技术：

石油套管是石油、天然气开采过程中的重要管线材料，根据我国石油、天然气的“十五”发展规划，到2006年油井管的年需求量将达到120万t，其中J55钢级套管约占油井管总需求量的50％以上。目前我国J55钢级套管主要采用无缝钢管和直缝焊(ERW)钢管，随着钢的微合金化技术和TMCP(热机械处理)工艺的发展，用热轧板卷制造的直缝焊套管已可逐渐替代传统的无缝钢管。

J55直缝焊石油套管钢要求材料要达到相应的强度要求外，还具有良好的焊接性能、成型性能和冲击韧性，根据J55产品微合金标准的要求：Nb，V，Ti三种元素中添加其中一种或它们三种的组合。目前J55石油套管用热轧钢带，一般采用多元合金强化的成分设计思路，主要依靠合金元素强化满足产品标准要求，V、Nb、Ti三种微合金总含量约为0.075％。但自2005年来钢铁市场剧烈振荡，市场环境总体上压力增大，矿石等原、燃材料、铁合金大幅涨价以及钢材价格的下跌，如按照传统成分设计生产J55产品，利润空间将被压缩，毛利率降低。

中国专利CN01126611.2的石油套管钢中采用了V-Ni-B微合金化，V的用量高达0.07～0.13％，Ni含量为0.05～0.25％，加入的合金元素量较多，不利于成本的降低；中国专利CN200310104862.0的石油套管钢中只加入了Nb这一种合金元素，其含量为0.007～0.015％，但它的轧后冷却速度为20～30℃/s，卷取温度为430～470℃，如此苛刻的轧制工艺条件在国内一般的热连轧机上很难实现，不利于大规模工业推广。因此，发明一种既能减少合金用量，又能在常规热连轧机上批量生产的钢种具有广阔的应用前景。

发明内容：

本发明的目的是在保持J55钢级石油套管用钢力学性能、焊接性能等不变的基础上，提供一种低成本的石油套管用钢，用于制造J55钢级无缝钢管和直缝焊(ERW)钢管或相似强度等级的管材。本发明的思路是：通过对微合金强化机理的研究，降低部分合金含量，然后通过控轧控冷来细化晶粒，可在性能保持不变的前提下实现成本降低。

本发明是按以下技术方案实现的：

本发明的一种低成本的石油套管用钢包括以下化学元素，单位为重量百分比：

碳(C)：0.16～0.21；

硅(Si)：0.15～0.25；

锰(Mn)：1.0～1.2；

磷(P)≤0.020；

硫(S)≤0.009；

钛(Ti)：0.01～0.02；

铌(Nb)：0.025～0.035；

其余为Fe。

根据需要进行喂钙。

C是钢中主要的强化元素，但随着C含量的增加，在强度提高的同时，降低了钢的塑性、韧性和焊接性能。由于J55作为石油套管用钢，其加工方式为ERW(直缝电阻焊)，所以对材料的焊接性能要求较高，同时石油套管用钢要求具有较好的机械加工性能，易于加工螺纹，所以C含量也不宜太低，同时为了避开包晶区将C含量控制在0.16～0.21％。

Mn在钢中的主要作用是固溶强化，由于J55的强度要求较高，C含量不能太高，所以应当通过Mn来起强化作用，Mn含量定为1.0～1.2％。Si在钢中的主要作用是固溶强化，在J55中加入了0.15～0.25％的Si。

Ti在钢中的主要作用是细晶强化和析出强化，钢中加入微量Ti可以改善焊接热影响区的组织，提高焊接接头的韧性。

Nb对晶粒细化的作用最明显，正为如此，Nb是微合金钢中不可缺少的微量元素，Nb无论在控轧条件下还是在加速冷却条件下，都不同程度提高钢的强度，特别是在加速冷却时，既提高了钢的强度，同时还改善了低温韧性。考虑到J55的特殊使用要求，Nb是不可缺少的元素，本发明中Nb的加入量为0.025～0.035％。

本发明材料的生产工艺流程为：

铁水脱硫→扒渣→150吨转炉冶炼→挡渣出钢、脱氧合金化→吹氩搅拌→LF炉精炼(合金化成分微调)→RH真空循环脱气处理→板坯连铸结晶器喂钙→板坯检查及清理→板坯加热→高压水除磷→粗轧→精轧→层流冷却→卷取→检验。

对钢液进行钙处理，确保板厚方向的塑性，提高抗层状撕裂能力。由于拘束条件苛刻，在焊接热影响区易产生层状撕裂，它与钢的S含量有密切关系，因此，须采用铁水脱硫预处理，使兑入转炉的铁水S含量小于0.008％，确保成品低S含量的要求。

本发明材料的热轧工艺原则：

板坯轧制前的加热温度应控制在1200～1250℃，开轧温度在1050～1150℃之间，在高温区以大变形量轧制使奥氏体充分再结晶。根据该钢种的特点，初轧后在970～850℃范围精轧，通过变形量的结合，使钢中的Nb在奥氏体中部分诱导析出，析出的Nb(C，N)呈弥散细小的质点。一方面它可以与溶解的Nb一起延迟奥氏体再结晶。另一方面，析出的Nb(C，N)会抑制奥氏体晶粒的长大，最后以较大的变形量进行终轧，终轧温度为880～850℃。这样使奥氏体晶粒充分破碎并增加奥氏体滑移带，塑性变形集中在这些滑移带中，它们是奥氏体向铁素体转变的驱动力，并加速奥氏体向铁素体转变，从而细化了相变组织。钢板轧制后还必须有较大的压缩比(一般为6倍以上)，以保证内部缺陷的焊合。

工艺技术参数：

钢坯加热温度控制在1200～1250℃。

终轧温度控制在880～850℃。

卷取温度：560℃±20℃。

层流冷却：采用前段冷却。

本发明材料的机械性能如下：

本发明的有益结果是：

(1)强化元素不同。传统设计采用的强化元素为钒(V)+铌(Nb)+钛(Ti)，本发明的强化元素为铌(Nb)+钛(Ti)，Nb、Ti为碳化物形成元素，能够细化晶粒，通过析出强化来改善强韧性。

(2)合金元素总量减少。传统设计V、Nb、Ti三种微合金总含量为0.075％左右，本发明采用无V的成分设计，减少了合金元素总量。

(3)强化方式不同。本发明采用的强化方式为细晶强化和相变强化，通过控轧控冷工艺，使晶粒得到细化，并生成了少量的贝氏体，从而保证热轧板卷在合金元素总量减少的情况下，性能保持不变。

(4)成本降低。本发明减少合金元素总量，从而降低了成本。

附图说明：

图1为传统设计成分的J55强度与板厚的关系图

图2本发明设计成分的J55强度与板厚的关系图

图3传统设计成分生产的钢种的金相组织图

图4本发明钢种的金相组织图

具体实施方式：

根据本发明所设计的化学成分重量百分比并在梅钢炼钢厂通过转炉-连铸生产了460炉7283吨，在梅钢热轧厂轧制成的不同规格的钢板，其规格和轧制工艺为：

随机取4块钢板进行化学成分分析，具体化学成分如下：

实例1-4进行力学性能检测，检测结果如下：

本发明设计成分后，不同规格钢板的力学性能均满足标准要求。附图1为传统设计成分的J55强度与板厚的关系，附图2本发明设计成分的J55强度与板厚的关系，两幅图均为大量工业生产数据的统计结果，可见成分变化前后强度无明显的变化。

传统设计成分生产的钢种的金相组织见附图3，其组织由铁素体和珠光体组成，本发明设计成分生产的钢种的金相组织见附图4，其组织由铁素体、珠光体和少量贝氏体组成。对二者进行晶粒平均截距的测定，结果表明，传统设计成分生产的钢种晶粒的平均截距为5.1μm，本发明设计成分生产的钢种晶粒的平均截距为3.7μm。

可见，采用本发明的设计成分后，晶粒有明显的细化，组织中出现了少量的贝氏体，起到了细晶强化和相变强化作用，保证了在合金总量减少的情况下，力学性能保持不变。

Claims (1)

1.一种低成本的石油套管用钢的生产方法，包括以下步骤：铁水脱硫→扒渣→150吨转炉冶炼→挡渣出钢、脱氧合金化→吹氩搅拌→LF炉精炼→RH真空循环脱气处理→板坯连铸结晶器喂钙→板坯检查及清理→板坯加热→高压水除磷→粗轧→精轧→层流冷却→卷取→检验，所述石油套管用钢成分的重量百分比为：碳：0.16～0.21；硅：0.15～0.25；锰：1.0～1.2；磷≤0.020；硫≤0.009；钛：0.01～0.02；铌：0.02～0.03；其余为铁，其特征是，板坯加热温度控制在1200～1250℃，在高温区以大变形量轧制使奥氏体充分再结晶，初轧后在970～850℃范围精轧，精轧时控制变形量：使钢中的Nb在奥氏体中部分诱导析出，析出的Nb(C，N)呈弥散细小的质点，最后以大变形量进行终轧，终轧温度控制在880～850℃，卷取温度：560℃±20℃，层流冷却：采用前段冷却。

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