CN101328559B - 低屈强比石油套管用钢、石油套管及其制法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种低屈强比石油套管用钢及用该石油套管用钢制成的石油套管，其化学成分质量百分比为：C：0.19～0.27；Si：0.3～1.6；Mn：1.2～1.7；P：≤0.02；S：<0.012；Al：0.02～0.8；其余为Fe和不可避免杂质。本发明的生产方法包括合金熔炼、连铸成坯、制管和钢管热处理，其中所述钢管热处理包括于750～840℃两相区保温和淬火及600℃以上高温回火。本发明的材料成本很低，通过两相区淬火与高温回火工艺，使所设计的材料具有低的屈强比；本发明的工序简单、整管力学性能稳定，而且表面质量好，确保了产品的高附加值特性。

Description

低屈强比石油套管用钢、石油套管及其制法

技术领域

本发明涉及低屈强比石油套管用钢及低屈强比石油套管，具体涉及通过亚温淬火加高温回火生产低屈强比K55钢级石油套管。

背景技术

K55钢级石油套管是一种高附加值产品，不仅要满足材料力学性能的要求，而且对钢管表面质量的要求也高。该套管用钢的屈服强度须在379～552MPa之间，抗拉强度须大于655MPa，其特点是材料的屈强比低，其屈强比小于0.85。石油及天然气开采用套管一般而言是根据API标准组织生产与供货的。API标准规定，K55钢级石油套管有无缝管和焊管两种类型。相对于无缝管而言，焊管具有生产效率高、尺寸精度好、规格范围宽、成本低等显著特点，因此是生产厂家与油田用户的首选品种，一直受到市场的青睐。但是对于K55电阻焊套管(K55ERW套管)，由于生产难度高，目前仅有国外少数厂家可以生产。

考虑到构件的安全性，追求材料的低屈强比一直是材料科学工作者孜孜追求的目标之一。从材料的成分设计而言，实际上普通的碳锰钢是实现低屈强比的理想选择，如广泛用于生产K55无缝钢管的37Mn5钢种，其含C约0.37％、Mn约1.5％。37Mn5轧后材料屈服强度在450MPa左右，抗拉强度在700MPa以上，可以非常好的满足K55钢级无缝钢管力学性能的要求。然而，ERW套管的生产工艺是：炼钢—连铸—热轧成板卷—板卷头尾剪切对焊—板带成型—在线焊接—焊缝热处理或整管热处理—管加工—出厂检验等。板卷头尾剪切对焊工序是实现多卷连续生产、体现ERW焊管生产效率的关键工序。但是由于板卷头尾对焊要求材料的碳当量须低，否则容易造成钢板断带，严重影响生产效率。显而易见，37Mn5钢种碳当量超过了0.6，结合焊管的生产工艺特点，这一钢种显然不适宜用于生产K55ERW套管。因此，K55ERW套管生产的难度之一在于，在材料设计上须保证在较低的碳当量下获得低的屈强比。

K55ERW套管生产的另一难点是板带成型工序带来的。通过采取降低碳含量、采用合金化以及热轧时控制冷却等手段，生产出力学性能满足K55要求的热轧板卷在材料设计上还是可行的。但是，由于制管时板带成型而引入的加工硬化的作用，与板卷相比，管体屈服强度会有所提高，抗拉强度会因材料损伤而略有降低。实践表明，成型后管体屈服强度较板卷升高约50-100MPa，抗拉强度可以下降约10-30MPa，这样，理想的板卷屈服强度应该控制在400MPa左右而抗拉强度应该控制在680MPa以上，这样要求材料的屈强比小于0.6。对于普碳或低合金钢来说很难达到这一要求。另外，即使通过控制热轧而获得性能满意的K55热轧板卷，板带成型后，即使管体性能满足K55性能要求，ERW焊缝以及热影响区的力学性能合格的几率也是微乎其微，因为焊缝在线热处理根本不可能和热轧时的热机械过程相匹配。

毫无疑问，相变诱发塑性的trip技术可以解决这一难题。Trip钢主要为硅锰铝钢，用于汽车制造行业，其屈服强度可以方便地控制在400MPa左右而抗拉强度控制在680MPa以上。如中国专利公开说明书CN1729307A公开了一种合金，该合金除了硅锰铝合金化外，还着重添加了磷，见表1，而这一元素是石油行业API标准规定的需严格控制的元素之一，这一专利申请所涉及的合金产品冷轧钢板厚度约1mm左右，在760-850℃两相区退火，以大于2℃/s的速度淬火至460-490℃保温。主要采用Mn、Al合金化的中国专利200510023375.0(CN1644746A)公开了碳含量小于0.2的低碳低硅冷轧相变塑性钢(表1)。然而，一般而言，碳含量低的石油套管，其抗粘扣性能差。

更重要的是，trip钢技术需要采用临界区中温淬火热处理，得到铁素体、贝氏体及稳定残余奥氏体的混合组织，这样形变时才能相变诱发塑性。这样一来，采用trip钢技术生产石油套管存在两个问题。其一，因为石油套管壁厚可高达20mm，从800℃左右的临界区淬火到400℃左右的贝氏体温度区间很难获得整管分布均匀的组织，力学性能难以控制稳定；其二，即使获得理想的铁素体、贝氏体及稳定残余奥氏体的混合组织，但是，在套管使用过程中，残余的奥氏体必然会因形变而转变为马氏体。低合金钢石油套管订货与使用的技术要求一般不允许钢管中存在马氏体。

英国钢铁公司(BSC)的Corby钢管厂采用2种成分生产K55套管，其成分设计见表1的成分1和2。成分1因碳含量较低，故加入了V、Nb等元素来弥补强度的不足，其制造特点是焊管制管后需再次加热经张力减径，在降低其屈服强度的同时，去除了表面的氧化皮，从而制成K55套管，因此在设备上要求生产厂家具有相关配套的张力减径设备。如果生产厂家没有张力减径设备，则不能生产K55；成分2碳当量接近0.6，制管后需再次加热到880℃正火处理制成K55套管，正火后管壁内外的氧化皮难以去除，表面质量较差。成份3为美国产品的成分，和成分2存在同样的问题。

由此可见，国外厂家对板卷成型焊接后均采取了后处理。焊管整管热处理不仅可以消除材料的加工硬化以及板卷本身性能的波动对力学性能的影响，同时也使焊缝处的力学性能和组织形貌和管体接近，整管力学性能稳定性好。通过降低碳当量，采用合金化的手段以弥补强度的不足，从而仅通过正火的手段生产出性能合格的K55套管也是可行的。实践表明，在880-1100℃保温30-60min可以生成厚0.5-1mm的氧化皮，正火后很难去除，不仅影响套管的表面质量，而且更严重的是，当套管在油田下井使用的过程中，遗留的氧化皮的边缘在介质中形成腐蚀电池，加速套管的腐蚀破坏。用于生产K55无缝钢管的37Mn5钢种，交货状态是轧制态，表面也存在氧化铁皮。这种由于氧化皮引入的表面质量问题，对于附加值很高的K55石油套管来说，无疑是一个严重的问题。

因此，本发明的一个目的在于提供一种低屈强比石油套管用钢。

本发明的另一个目的在于提供一种低屈强比石油套管。

本发明的再一个目的在于提供一种低屈强比石油套管的生产方法。

发明内容

为达到上述目的，本发明的技术方案是，在材料设计上主要使用Si、Mn、Al等炼钢常用脱氧元素为主要合金元素，适当配以V、Ti、Nb微合金化。通过两相区保温获得一定比例的铁素体和奥氏体组织，水淬使得奥氏体转变为马氏体，最后高温回火，获得铁素体和回火索氏体组织。

本发明提供的低屈强比石油套管用钢其基本组成为如下质量百分比的成分：

C：0.19～0.27

Si：0.3～1.6

Mn：1.2～1.7

P：≤0.02

S：<0.012

Al：0.02～0.8

其余为Fe和不可避免杂质。

本发明的低屈强比石油套管用钢的一个优选实施方案为：在上述化学成分中添加V：0～0.12％和Ti：0～0.02％。

本发明的低屈强比石油套管用钢的另一个优选实施方案为：在上述化学成分中添加Nb：0～0.04％和Ti：0～0.02％。

上述成分碳当量小于0.6，可以满足剪切对焊的要求。

本发明提供的低屈强比石油套管由本发明的低屈强比石油套管用钢制成，其化学成分质量百分比为：C：0.19～0.27；Si：0.3～1.6；Mn：1.2～1.7；P：≤0.02；S：<0.012；Al：0.02～0.8；其余为Fe和不可避免杂质。

本发明的低屈强比石油套管的一个优选实施方案为：在上述化学成分中添加V：0～0.12％和Ti：0～0.02％。

本发明的低屈强比石油套管的另一个优选实施方案为：在上述化学成分中添加Nb：0～0.04％和Ti：0～0.02％。

本发明的低屈强比石油套管的碳当量小于0.6，可以满足剪切对焊的要求。

下面，对本发明的低屈强比石油套管用钢及以该钢种制成的低屈强比石油套管的化学成分作用作详细叙述。

C：决定钢的显微组织构成，可以显著提高钢的强度，过高时会大大降低焊接性能，按重量百分比计，宜采用含量0.19～0.27；

Mn：固溶于铁素体与奥氏体相中起固溶强化作用，为扩大奥氏体区最有效元素之一，但含量过高时，钢中的组织偏析严重，影响焊接性能，按重量百分比宜采用含量1.2～1.7；

Si：稳定铁素体元素，促进先共析铁素体生成同时抑制渗碳体的形成，固溶于铁素体而起到强化的效果，按重量百分比，宜采用硅含量为0.3～1.6；

Al：和Si具有相似的作用，促进先共析铁素体生成可以抑制渗碳体的形成，但含量过高有损强塑性，按重量百分比，宜采用含量0.02～0.8；

V：钒的碳氮化物在铁素体中以细小弥散形式均匀析出，可以显著提高材料的抗拉强度而不明显增加屈服强度，按重量百分比宜采用含量0～0.14；

Ti：强碳氮化物形成元素，显著细化奥氏体晶粒，可弥补因碳降低而引起的强度的下降。若含量太高，易形成粗大的TiN，降低材料性能。按重量百分比，宜采用含量0～0.02；

Nb：细晶和析出强化元素，可弥补因碳降低而引起的强度的下降。按重量百分比，宜采用含量0～0.04。

采用本发明所使用的化学成分可以生产出表面质量良好的电阻焊或无缝K55石油套管。

本发明的低屈强比电阻焊(ERW)K55石油套管的制造方法是，经转炉或电炉炼钢，连铸成坯。连铸坯经1200～1250℃加热后热轧成板带，终轧温度大于850℃，轧后板带经层流冷却到650℃以下卷取成板卷，经ERW制管。ERW套管的生产工艺是：炼钢—连铸—热轧成板卷—板卷头尾剪切对焊—板带成型—在线焊接—焊缝热处理等。

生产低屈强比、高强塑积无缝管的方法是，合金熔炼后，连铸成圆坯，在1220-1260℃环形炉内均热，穿孔温度1200-1240℃，在1050-1150℃轧管，930-1000℃平整，850-900℃三辊定径。

将根据上述方法制备好的钢管在750～840℃两相区保温。在这一温度区间，将发生铁素体再结晶和珠光体向奥氏体转变的过程，随着保温时间的延长，奥氏体量将不断的增加直至平衡。合适的保温时间按钢管壁厚计算取3-7min/mm。在两相区保温的目的是获得一定比例的铁素体与奥氏体，温度越低获得的铁素体量越多，材料最终的强度越低，塑性越好。铁素体量可按公式：1-240X/(912-T)估算，其中，X为钢的C含量，T为加热温度；随后水淬，钢管中的奥氏体将转变为马氏体，铁素体将在马氏体相变应力的作用下产生位错；淬火后钢管在600以上高温回火处理，马氏体分解成强韧性最好的回火索氏体组织，铁素体将发生回复与碳化物析出，强度进一步下降，塑性进一步提高。这样，经两相区淬火与高温回火，将获得一定比例的铁素体和回火索氏体组织，从组织控制上，确保了材料具有低的屈强比。

另一方面，在800℃左右保温生成的氧化皮很薄，表面氧化脱碳的程度很轻。淬火时氧化皮脱落，在回火时仅形成极薄的氧化膜，钢管的表面质量好。在钢管冷却后经过管加工，制造出性能稳定、表面质量好的K55石油套管。

本发明与现有技术相比具有显而易见的突出特点是：本发明主要合金成分为炼钢常用的脱氧元素，材料成本很低，通过两相区淬火与高温回火工艺，使得所设计的材料具有低的屈强比。其显著的优点是钢管最后经两相区淬火与高温回火工艺，工序简单、整管力学性能稳定，而且表面质量好，确保了该产品高附加值的特性。

附图说明

图1是实施例2套管的金相组织图。

具体实施方式

表1示出了本发明与现有技术的成分对比。由表1可知，国内外类似产品的成份与本发明所用成份对比，两者有很大的不同。实施例为API标准的焊管，规格为Φ219.08×11.43，化学成分见表2。本发明所用化学成分的质量百分比是C：0.19～0.27，Si：0.3～1.6，Mn：1.2～1.7，P：≤0.02，S：<0.012，Al：0.02～0.8，V：0～0.12，Nb：0～0.04，Ti：0-0.02，其余为Fe和不可避免杂质。

无缝管生产流程是合金熔炼后，连铸成圆坯，在1220-1260℃环形炉内均热，穿孔温度1200-1240℃，在1050-1150℃轧管，930-1000℃平整，850-900℃三辊定径，生产出规格为Φ219.08×11.43的钢管。ERW焊管生产流程是经电炉炼钢，连铸成坯。连铸坯经1200～1250℃加热后热轧成厚11.43mm的板带，终轧温度大于850℃，轧后板带经层流冷却到560-700℃卷取。

实施例热轧态力学性能见表3。

经剪切对焊、板卷成行、ERW制管，生产出规格为Φ219.08×11.43的钢管。

将制备好的钢管在750～840℃两相区退火，保温60min后淬火，在600-650℃高温回火。

经两相区保温和高温回火处理后，生成的套管表面质量好，氧化皮很薄。热处理后力学性能见表4。实施例的屈服强度均小于552MPa，抗拉强度≥655MPa，屈强比小于0.8。

本发明制备的钢管，其金相组织为铁素体和回火索氏体。图1所示为实施例2的金相组织，该实施例碳含量0.2，两相区退火温度800℃，按公式1-240X/(912-T)，其铁素体区域所占比例约55％。

比较例1的Al含量过高而比较例3的Mn含量过低，致使材料的抗拉强度达不到要求。比较例2的V含量则过高，致使材料的强度过高。

可见，采用本发明所设计的化学成分和热处理制度，可以稳定生产出低屈强比附加值高的电阻焊K55石油套管。

表2实施例和对比例套管化学成分

C

Si

Mn

Al

P

S

V

Ti

Nb

实施例1	0.19	1.55	1.61	0.036	0.009	0.004
										实施例2	0.20	0.99	1.53	0.57	0.008	0.001
实施例3	0.22	1.03	1.58	0.8	0.015	0.006
										实施例4	0.26	0.38	1.55	0.023	0.019	0.012		0.016	0.034
实施例5	0.21	0.3	1.3	0.02	0.011	0.005	0.11	0.015
										实施例6	0.22	0.3	1.3	0.03	0.012	0.007	0.11		0.015
比较例1	0.22	0.52	1.61	1.21	0.008	0.004
										比较例2	0.27	0.3	1.2	0.2	0.010	0.006	0.03
比较例3	0.25	0.3	1.1	0.03	0.009	0.005			0.03

表3实施例热轧态力学性能

表4热处理后实施例和对比例力学性能

Claims (9)

1.一种低屈强比石油套管，其特征在于：其组成为如下质量百分比的成分：

C：0.19～0.27

Si：0.3～1.6

Mn：1.2～1.7

P：≤0.02

S：＜0.012

Al：0.02～0.8

其余为Fe和不可避免杂质；

所述低屈强比石油套管的生产方法包括钢管热处理，所述钢管热处理包括于750～840℃两相区保温和淬火；及600℃以上高温回火。

2.一种低屈强比石油套管，其特征在于：其组成为如下质量百分比的成分：

C：0.19～0.27

Si：0.3～1.6

Mn：1.2～1.7

P：≤0.02

S：＜0.012

Al：0.02～0.8

V：0～0.12％

Ti：0～0.02％

其余为Fe和不可避免杂质；

所述低屈强比石油套管的生产方法包括钢管热处理，所述钢管热处理包括于750～840℃两相区保温和淬火；及600℃以上高温回火。

3.一种低屈强比石油套管，其特征在于：

其组成为如下质量百分比的成分：

C：0.19～0.27

Si：0.3～1.6

Mn：1.2～1.7

P：≤0.02

S：＜0.012

Al：0.02～0.8

Nb：0～0.04％

Ti：0～0.02％

其余为Fe和不可避免杂质；

所述低屈强比石油套管的生产方法包括钢管热处理，所述钢管热处理包括于750～840℃两相区保温和淬火；及600℃以上高温回火。

4.如权利要求1所述的低屈强比石油套管，其特征在于：其碳当量＜0.6。

5.权利要求1-3所述低屈强比石油套管的生产方法，包括合金熔炼、连铸成坯、制管和钢管热处理，其特征在于：所述钢管热处理包括于750～840℃两相区保温和淬火；及600℃以上高温回火。

6.如权利要求5所述的低屈强比石油套管生产方法，其中所述两相区保温的时间以钢管厚度计取3-7min/mm。

7.如权利要求5所述的低屈强比石油套管生产方法，其中所述淬火采用水淬。

8.如权利要求5所述的低屈强比石油套管生产方法，其中当套管为ERW套管时，所述连铸成坯后，经1200～1250℃热轧成板带，板带经层流冷却至650℃以下卷取成板卷，经ERW制管。

9.如权利要求5所述的低屈强比石油套管生产方法，其中当套管为无缝管时，所述连铸成坯为连铸成圆坯，在1220-1260℃环形炉内均热，1200-1240℃穿孔，1050-1150℃轧管，930-1000℃平整，850-900℃三辊定径。

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