CN101487101A - 一种ct70级连续油管用钢及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种CT70级连续油管用钢及其制造方法，CT70级连续油管用钢化学成分按重量百分比计为：C：0.035～0.200、Si：0.10～0.60、Mn：0.45～1.80、Cr：0.30～1.50、Nb：0.015～0.100、Ti：0.01～0.03、V：0.01～0.10、Mo：≤0.30、P：≤0.015、S：≤0.005、Cu：≤0.30、Ni：≤0.30、Al：0.01～0.05、Ca：≤0.005，余量为Fe及不可避免的夹杂。本发明通过冶炼、浇铸、板坯再加热、控制轧制、冷却和卷取工艺以及合理的工艺参数，可以获得强度级别为70ksi(千磅/平方英寸)级，并具有良好的塑性的连续油管用钢。
Description
技术领域
本发明涉及一种CT70级连续油管用钢、CT70级连续油管用钢的制造方法，特别是适合钻井、测井、完井等油田作业领域使用的连续油管用钢的化学成分和制造方法。
背景技术
连续油管(Coiled Tubing，简称CT)是一种缠绕在滚筒上，可连续下入或从油井起出的一整根无螺纹联接的长油管，又称为挠性油管、蛇形管或盘管。连续油管广泛应用于钻井、修井、测井、输油等石油行业的各领域。世界上几大连续油管主要制造商均集中在美国，它们是Quality Tubing公司(优质油管公司)，Precision Technology公司(精密管技术公司)，Southwestern Pipe公司(西南管子公司)。我国目前无连续油管用钢的生产和制造厂家。
随着我国先进连续油管作业车的不断引进，以及广泛开展与国外的技术交流，连续油管的相关技术在我国得到了迅速的发展，其应用也由当前的常规修井、测井作业发展到钻井、集输管线等领域。但是，国内所使用的连续油管主要依赖于进口，所以开发国内连续油管用钢迫在眉睫。
连续油管用材主要有碳钢、调质钢和稀有材料等，其中稀有材料，例如钛合金，有质量轻和强度高等优点，但价格贵，是普通钢制连续油管的6倍。
日本专利JP2001303206公开了一种具有抗疲劳、抗氢致裂纹和抗二氧化碳腐蚀的可以用来输送油气的连续油管用不锈钢的制造技术。该专利采用不锈钢的成分设计，其化学成分(Wt％)为：C：0.001～0.04、Si：≤1.0、Mn：0.1～3.0、P：≤0.04、S：≤0.005、Cr：9～15、Nb：0.001～0.10、V：0.005～0.10、Ti：0.005～0.10、Ni：0.7～8、Mo+W/2：0.2～3.0、Al：0.001～0.20、N：≤0.05、Zr：0.005～0.10，该专利中含有较高的Cr(9～15％)和Ni(0.7～8％)合金元素，同时还添加了稀土元素Zr，成本较高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种CT70级连续油管用钢及其制造方法。
本发明是这样实现的：一种CT70级连续油管用钢，其化学成分按重量百分比计为：C：0.035～0.200、Si：0.10～0.60、Mn：0.45～1.80、Cr：0.30～1.50、Nb：0.015～0.100、Ti：0.01～0.03、V：0.01～0.10、Mo：≤0.30、P：≤0.015、S：≤0.005、Cu：≤0.30、Ni：≤0.30、Al：0.01～0.05、Ca：≤0.005，余量为Fe及不可避免的夹杂。
本发明连续油管用钢化学成分设计的选择原因如下：
碳C：最基本的强化元素。碳溶解在钢中形成间隙固溶体，起固溶强化的作用，与强碳化物形成元素形成碳化物析出，则起到沉淀强化的作用。但太高的C对钢的延性、韧性和焊接性能不利，同时影响Nb的强化效果度，C太低降低钢的强度。所以C控制在0.035％～0.200％。
硅Si：主要是以固溶强化形式提高钢的强度，同时也是钢中的脱氧元素，但含量过高会恶化钢材的焊接性能，因此控制在0.10～0.60％。
锰Mn：通过固溶强化提高钢的强度，是钢中补偿因C含量降低而引起强度损失的最主要且最经济的强化元素。Mn还是扩大γ相区的元素，可降低钢的γ→α相变温度，有助于获得细小的相变产物，可提高钢的韧性。本钢种Mn含量为0.45％～1.80％。
铌Nb：是现代微合金钢中最主要的元素之一，对晶粒细化的作用十分明显。通过热轧过程中NbC应变诱导析出阻碍形变奥氏体的回复、再结晶，经控制轧制和控制冷却使非再结晶区轧制的形变奥氏体组织在相变时转变为细小的相变产物，使钢具有高强度和高韧性。Nb含量太低强化作用不明显，另外由于受C含量的限制，太高的Nb也发挥不了作用，因此Nb含量控制在0.015％～0.100％。
铬Cr：提高钢的淬透性的重要元素，有效提高钢的强度，而且Cr含量在0.20％以上时，能有效改善钢的耐腐蚀性能；但太高的铬和锰同时加入钢中，会导致低熔点Cr-Mn复合氧化物形成，在热加工过程中形成表面裂纹，同时会严重恶化焊接性能。本发明中Cr含量应限定在0.30％-1.50％。
钛Ti：是一种强烈的碳氮化物形成元素，Ti的未溶的碳氮化物在钢加热时可以阻止奥氏体晶粒的长大，在高温奥氏体区粗轧时析出的TiN和TiC可有效抑制奥氏体晶粒长大，同时提高Nb在奥氏体中的固溶度。另外在焊接过程中，钢中的TiN和TiC粒子能显著阻止热影响区晶粒长大，从而改善钢板的焊接性能同时对改善焊接热影响区的冲击韧性有明显作用。本发明中Ti含量控制在0.01％～0.03％。
钒V：V通过与C和N形成VN或V(CN)微细析出粒子，对钢的强化做出贡献。同时，V有利于提高调质后硬度的稳定性。但如果含量太高，则成本增加显著。故其含量控制在0.01％～0.10％。
钼Mo：提高淬透性的元素，作用仅次于Mn，Mo还能起到克服回火脆性，改善热处理性能、疲劳性能的作用。在高强度低合金钢中，屈服强度随Mo含量的增加而提高，因此太高的Mo有损塑性。本发明中Mo含量≤0.30％。
硫、磷(S、P)：是钢中不可避免的杂质元素，希望越低越好。通过超低硫(小于30ppm)及Ca处理对硫化物进行夹杂物形态控制，可保证钢板具有良好的冲击韧性，但S过高易形成损害力学性能的夹杂物MnS等，因此本发明中S含量范围为≤0.005。P含量范围为≤0.015。
铜、镍(Cu、Ni)：可通过固溶强化作用提高钢的强度，同时Cu还可改善钢的耐蚀性，Ni的加入主要是改善Cu在钢中易引起的热脆性，且对韧性有益。本发明中Cu、Ni含量范围均为≤0.30％。
铝Al：Al是为了脱氧而加入钢中的元素，添加适量的Al有利于细化晶粒，改善钢材的强韧性能。本发明中Al含量为0.01％～0.05％。
钙Ca：通过Ca处理可以控制硫化物的形态，改善钢板的各向异性，提高低温韧性。本发明中Ca含量≤0.005％。
一种CT70级连续油管用钢的制造方法，包括冶炼、浇铸、板坯再加热、控制轧制、冷却和卷取，其中，板坯再加热、控制轧制、冷却和卷取的工艺参数为：
板坯加热温度：1150～1250℃；
待温温度范围：1050～900℃；
终轧温度控制范围：780～900℃；
卷取温度控制范围：450～650℃；
冷却速度：2～18℃/s。
本发明连续油管用钢具有如下特点：(1)本发明采用Nb、Ti、V合金化设计，通过固溶强化和碳、氮化物的析出强化来提高强度；(2)合理的C含量设计，充分发挥合金成分的析出强化和细化晶粒作用；(3)应用本发明设计的成分和工艺得到的组织为细小的铁素体加珠光体，在提高强度的同时保持了良好的塑性；(4)采用低硫设计，以保证钢具有良好的冲击韧性；(5)本发明设计具有较低的碳当量(Ceq)，有利于焊接性能。(6)热轧工艺采用了控轧控冷的热机械处理技术，以获得具有较高强度和良好塑性的组织。
本发明具有如下有益效果：与现有生产钢种相比，按照上述技术方案生产出的连续油管用钢性能达到70ksi(千磅/平方英寸)级连续油管材料的要求，即：
(1)拉伸性能：Rt0.5≥483MPa，Rm≥552MPa
(2)延伸率：A50.8％≥17.5％
(3)硬度值：HRC≤22
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。
本发明实施例的化学成分(按重量百分比计)，如表1所示。
表1 本发明的实施例化学成分 wt％
| 类别 | C | Mn | Si | S | P | Nb | Ti | Cu | Ni | Mo | Cr | Ca | Alt | V | N | 0 | H | Ceq |
| 例1 | 0.036 | 1.76 | 0.25 | 0.003 | 0.009 | 0.092 | 0.015 | 0.32 | 0.0023 | 0.035 | 0.05 | 0.006 | 0.002 | 0.0002 | 0.403 | |||
| 例2 | 0.04 | 1.4 | 0.26 | 0.003 | 0.009 | 0.07 | 0.012 | 0.24 | 0.15 | 0.58 | 0.0015 | 0.02 | 0.09 | 0.004 | 0.002 | 0.0003 | 0.433 | |
| 例3 | 0.19 | 0.45 | 0.32 | 0.002 | 0.012 | 0.06 | 0.02 | 1.1 | 0.003 | 0.04 | 0.02 | 0.004 | 0.003 | 0.0003 | 0.489 | |||
| 例4 | 0.05 | 1.03 | 0.53 | 0.0034 | 0.011 | 0.05 | 0.015 | 0.25 | 0.63 | 0.0023 | 0.03 | 0.07 | 0.004 | 0.002 | 0.0002 | 0.378 | ||
| 例5 | 0.09 | 0.84 | 0.16 | 0.002 | 0.008 | 0.016 | 0.015 | 0.13 | 0.08 | 0.15 | 0.55 | 0.0018 | 0.026 | 0.06 | 0.004 | 0.396 | ||
| 例6 | 0.13 | 0.6 | 0.25 | 0.002 | 0.012 | 0.03 | 0.015 | 0.75 | 0.0023 | 0.03 | 0.04 | 0.004 | 0.003 | 0.0003 | 0.388 | |||
| 例7 | 0.075 | 0.55 | 0.25 | 0.002 | 0.012 | 0.022 | 0.015 | 1.42 | 0.0023 | 0.03 | 0.03 | 0.004 | 0.003 | 0.0003 | 0.457 |
根据本发明的工艺要求，上述各实施例的主要工艺参数范围如下：
例1、例2、例4工艺参数：(1)板坯加热温度：1250±15℃；(2)待温温度范围：1050～960℃；(3)终轧温度控制范围：860±15℃；(4)卷取温度范围：550～600℃；(5)冷却速度：5～10℃/s。
例3、例6工艺参数：(1)板坯加热温度：1150±15℃；(2)待温温度范围：980～900℃；(3)终轧温度控制范围：810±15℃；(4)卷取温度范围：550～600℃；(5)冷却速度：3～10℃/s。
例5、例7工艺参数：(1)板坯加热温度：1180±15℃；(2)待温温度范围：1020～930℃；(3)终轧温度控制范围：840±15℃；(4)卷取温度范围：550～600℃；(5)冷却速度：3～10℃/s。
实施例的力学性能见表2所示。
表2 实施例的性能结果
可见，按照本发明设计的成分和工艺，都可达到目标的要求，具有良好的综合力学性能，且碳当量较低，有利于焊接性能。另外本发明成分简单，工艺窗口较宽，比较容易在现场实施。
Claims (2)
1.一种CT70级连续油管用钢，其特征在于，其化学成分按重量百分比计为：C：0.035～0.200、Si：0.10～0.60、Mn：0.45～1.80、Cr：0.30～1.50、Nb：0.015～0.100、Ti：0.01～0.03、V：0.01～0.10、Mo：≤0.30、P：≤0.015、S：≤0.005、Cu：≤0.30、Ni：≤0.30、Al：0.01～0.05、Ca：≤0.005，余量为Fe及不可避免的夹杂。
2、如权利要求1所述的CT70级连续油管用钢的制造方法，包括冶炼、浇铸、板坯再加热、控制轧制、冷却和卷取，其特征在于：所述板坯再加热、控制轧制、冷却和卷取的工艺参数为：
板坯加热温度：1150～1250℃；
待温温度范围：1050～900℃；
终轧温度控制范围：780～900℃；
卷取温度控制范围：450～650℃；
冷却速度：2～18℃/s。
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