CN101629476A - 耐-40～-80℃低温的高强高韧性石油套管 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种耐－40～－80℃低温的高强高韧性石油套管，其中：该套管组成以质量％计，含有C：0.16％～0.35％、Si：0.10％～0.50％、Mn：0.15％～1.45％、P：0.001％～0.010％、S：0.0001％～0.003％、Ni：0.15％～1.45％、Cr：0.25％～1.50％、Mo：0.15％～1.25％、V：0.01％～0.20％、Nb：0.01％～0.08％。本发明的效果是该套管在合金元素设计上采用较低的C元素保证冲击韧性，添加适量的Cr、Mo、Mn、Ni等合金元素来提高材质的强度，同时辅助V、Nb、Ti等微合金化元素细化晶粒，改善钢管的强韧性匹配。使该套管在具有较高的屈服强度的同时，还具有较低的韧脆转变温度和优良的低温冲击韧性。
Description
技术领域
本发明涉及一种石油套管，特别是一种耐-40～-80℃低温的高强高韧性石油套管。
背景技术
钢铁的强韧化技术是低合金调质钢中最重要的研究课题。在低合金调质钢中，由于强度和韧性的矛盾关系：为了获得较高的强度，则必须降低回火温度或者缩短回火时间，材料的冲击韧性受到影响；而为了改善钢铁的冲击韧性，在调质热处理中必须提高回火温度或者延长回火时间，钢铁材料的屈服强度则会显著的降低。
钢铁材料的冲击韧性还会受到温度的影响，通常情况下，随着温度的下降，材料的冲击韧性会越来越差，冲击断口剪切面积也逐渐降低。
在实际使用和生产检测过程中，通常将冲击断口剪切面积为50％时候的冲击测试温度称为该材料的韧脆转变温度。因此衡量钢铁材料低温韧性的指标有两个：韧脆转变温度以及韧脆转变温度下的冲击值。
在地球的一些极端地区(高寒，两极，荒漠等)，蕴藏着丰富的石油天然气资源，例如俄罗斯的北极地区，加拿大的北部，以及美国的阿拉斯加州等。为了开发这些地区的资源，相应的对石油套管、油管、管线管等产品提出了高强、高韧、耐低温的性能要求。
在无缝钢管生产过程中，由于轧制工艺的限制，通常钢管材料的纵向冲击韧性要高于管材的横向冲击韧性，而在套管特别的低温环境下使用的高钢级套管，裂纹的萌生和扩展通常都是沿管材的纵向进行。因此改善低温使用套管的冲击韧性，减小套管在低温条件下的沿纵向开裂倾向性，必须在保证钢管材料具有较高屈服强度的同时还要具有较好的低温冲击韧性特别的横向冲击韧性，以及较低的韧脆转变温度。才能保证套管在低温环境下的使用安全。
发明内容
本发明是鉴于上述技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种耐-40～-80℃低温的高强高韧性石油套管，以利于达到目的之一，常温下管材的屈服强度1034～1172MPa；目的之二，韧脆转变温度在-40℃～-80℃；目的之三，在韧脆转变温度下夏比V型横向冲击功50～80J，纵向冲击功80～120J。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是提供一种耐-40～-80℃低温的高强高韧性石油套管，其中：该套管组成以质量％计，含有C：0.16％～0.35％、Si：0.10％～0.50％、Mn：0.15％～1.45％、P：0.001％～0.010％、S：0.0001％～0.003％、Ni：0.15％～1.45％、Cr：0.25％～1.50％、Mo：0.15％～1.25％、V：0.01％～0.20％、Nb：0.01％～0.08％。
所述套管组成中，以质量％计，还含有选自W：0.01％～0.85％，B：0.001％～0.005％，Ti：0.001％～0.08％，Al：0.005％～0.06％中的一种或一种以上。
所述套管组成中，以质量％计还含有O：0.0001％～0.004％，N：0.001％～0.012％，H：0.0001％～0.005％。
所述套管组成中，以质量％计还含有Ca：0.0005％～0.0050％。
所述套管常温下管材的屈服强度1034～1172MPa；韧脆转变温度在-40℃～-80℃；在韧脆转变温度下夏比V型横向冲击功50～80J，纵向冲击功80～120J；平均晶粒度为8.5～10级。
本发明的效果是：该套管在合金元素设计上采用较低的C元素保证冲击韧性，添加适量的Cr、Mo、Mn、Ni等合金元素来提高材质的强度，同时辅助V、Nb、Ti等微合金化元素细化晶粒，改善钢管的强韧性匹配。本发明的套管在具有较高的屈服强度的同时，还具有较低的韧脆转变温度和优良的低温冲击韧性。
具体实施方式
下面，结合实施例详细说明本发明的耐-40～-80℃低温的高强高韧性石油套管加以说明。
本发明的耐-40～-80℃低温的高强高韧性石油套管是这样实现的：
耐-40～-80℃低温的高强高韧性石油套管组成以质量％计，含有C：0.16％～0.35％、Si：0.10％～0.50％、Mn：0.15％～1.45％、P：0.001％～0.010％、S：0.0001％～0.003％、Ni：0.15％～1.45％、Cr：0.25％～1.50％、Mo：0.15％～1.25％、V：0.01％～0.20％、Nb：0.01％～0.08％。
所述套管组成中，以质量％计，还可以含有选自W：0.01％～0.85％，B：0.001％～0.005％，Ti：0.001％～0.08％，Al：0.005％～0.06％。
所述套管组成中，以质量％计还含有O：0.0001％～0.004％，N：0.001％～0.012％，H：0.0001％～0.005％。
所述套管组成中，以质量％计还含有Ca：0.0005％～0.0050％。
所述套管的性能指标是：常温下管材的屈服强度1034～1172MPa；韧脆转变温度在-40℃～-80℃；在韧脆转变温度下夏比V型横向冲击功50～80J，纵向冲击功80～120J；平均晶粒度为8.5～10级。
本发明的耐-40～-80℃低温的高强高韧性石油套管是这样制造的：
炼钢：
(1)采用P、S含量低的优质废钢+铁水(或生铁)，以利于降低钢中有害元素及夹杂物含量。
(2)精炼后高真空VD(50～100帕斯卡)脱气处理，吹氩气弱搅拌，脱气时间10～20分钟。
(3)严格控制五害元素As、Sn、Pb、Sb、Bi，五害总含量≤0.02％。
(4)采用夹杂物变形的Ca处理手段。精炼、脱气后喂CaSi丝，促进夹杂物球化变形。
(5)真空脱气后再适量补Al，提高Als占全Al的百分含量，又不造成过量的氧化铝夹杂。
(6)浇注前保持10～15分钟的镇定时间，促进夹杂物上浮，提高钢的纯净度。
(7)采用结晶器电磁搅拌来改善铸坯表面质量和提高合金元素分布均匀性，降低成分偏析。
严格控制化学成分准确度和成分精度，减少主要合金成分的波动范围。现在介绍主要合金元素的作用：
C：C为碳化物形成元素，可以提高钢的强度，太低时效果不明显，太高则会大大降低钢的韧性。
Si：Si是起脱氧剂作用的元素，但含量超过0.5％时降低钢的热塑性。在本发明中Si的含量在0.1％以上，0.5％以下。
Mn：Mn为奥氏体形成元素，可以提高钢的淬透性，太高则会增大钢中的残余奥氏体量，影响热轧组织的均匀性。
Ni：Ni为奥氏体形成元素，可以提高钢的淬透性，同时改善钢的低温冲击韧性。但由于Ni的价格很高，所以限制使用量。本发明中，Ni的含量在0.15～1.45％。
Cr：Cr是提高钢的淬透性元素，提高钢的强度。含量太高则会降低钢的高温热塑性，给连铸和热轧造成困难。
Mo：提高钢的淬透性，并且是碳化物形成元素，能提高钢的强度和韧性。
V：能够细化晶粒，形成碳化物，提高钢的强度和韧性，但由于价格很高，所以要限制使用量，本发明中V质量百分比在0.01～0.20％。
Nb：能够细化晶粒，形成碳化物，提高钢的强度和韧性，但降低钢的热塑性，影响热轧态钢管的表面质量，又由于价格较高，所以要限制使用量。
Ti：能够细化晶粒，形成碳化物，提高钢的强度和韧性，但含量过多容易引起粗大的碳氮化钛的夹杂物，降低钢的韧性，所以要限制使用量。
Cu：碳化物形成元素，适量加入能提高钢的强度和韧性。含量太高则会增加钢液粘稠度，给炼钢造成困难。所以严格控制使用量。
Al：较好的脱氧元素，但加入太多容易造成氧化铝夹杂，要尽量提高酸溶铝占全铝的比重，真空脱气后再适量喂Al丝。
Ca：主要是促进夹杂物球化变性，真空脱气后再适量喂CaSi丝。
B：晶界强化元素，含量过多则会增大钢的脆性，所以要严格控制使用量。
轧管：
(1)铸坯环形炉加热，加热温度1200～1350℃，加热保温时间2.0～3.5小时。
(2)穿孔连轧，穿孔温度1100～1150℃，穿孔后温度1250～1300℃，PQF三辊轧机开轧温度1100～1150℃，出脱管机温度1050～1100℃。
(3)定径、冷却，出脱管机后进入张力减径机在920～950℃下定径成最终的成品管规格，出机架后再空冷至室温。
管加工热处理：
(1)步进式加热炉加热保温。淬火炉加热温度860～920℃，保温时间45～70分钟。
(2)钢管出淬火炉后进行水淬处理，淬火方式采用外淋、内喷、管子旋转的方式加快冷却速度，提高淬火效果。
(3)经过淬火后的钢管再进入回火炉，回火炉加热温度600℃～650℃，保温时间60～90分钟。
(4)钢管出回火炉后快速入矫直机架进行热矫直，矫直温度500～550℃，提高矫直温度有利于减少钢管最终的残余应力。
(5)钢管冷却后再经过探伤，定尺等工序，最终得成品管。
下表为本发明的最终成品管的常规力学性能和低温系列冲击试验结果：
表1最终成品管的力学性能及微观组织
| 屈服强度(MPa) | 抗拉强度(MPa) | 硬度(HRC) | 横向冲击功(J)(夏比V，0℃) | 纵向冲击功(J)(夏比V，0℃) | 金相组织 | 品粒度 |
| 1092 | 1165 | 38.8 | 105 | 131 | 回火索氏体 | 9.0级 |
表2 最终成品管的低温系列冲击试验结果
从表1可以看出，本发明的最终成品管具有良好的强韧性匹配，实际屈服强度1092MPa，达到了最小屈服强度1034MPa的设计指标；0℃的横向夏比V型冲击功105焦耳，纵向冲击功131焦耳，强韧性俱佳。
表2列出了本发明的最终成品管低温系列冲击试验结果，以剪切断口百分比50％作为韧脆转变临界温度，韧脆转变温度在-60℃～-75℃之间，具有较低的韧脆转变温度。-60℃时横向夏比V型冲击功64焦耳，纵向冲击功118焦耳，在-75℃时横向夏比V型冲击功60焦耳，纵向冲击功103焦耳，低温冲击韧性较好。
Claims (5)
1、一种耐-40～-80℃低温的高强高韧性石油套管，其特征是：该套管组成以质量％计，含有C：0.16％～0.35％、Si：0.10％～0.50％、Mn：0.15％～1.45％、P：0.001％～0.010％、S：0.0001％～0.003％、Ni：0.15％～1.45％、Cr：0.25％～1.50％、Mo：0.15％～1.25％、V：0.01％～0.20％、Nb：0.01％～0.08％。
2、根据权利要求1所述的一种耐-40～-80℃低温的高强高韧性石油套管，其特征是：所述套管组成中，以质量％计，还含有选自W：0.01％～0.85％，B：0.001％～0.005％，Ti：0.001％～0.08％，Al：0.005％～0.06％中的一种或一种以上。
3、根据权利要求1所述的一种耐-40～-80℃低温的高强高韧性石油套管，其特征是：所述套管组成中，以质量％计还含有O：0.0001％～0.004％，N：0.001％～0.012％，H：0.0001％～0.005％。
4、根据权利要求1所述的一种耐-40～-80℃低温的高强高韧性石油套管，其特征是：所述套管组成中，以质量％计还含有Ca：0.0005％～0.0050％。
5、根据权利要求1所述的一种耐-40～-80℃低温的高强高韧性石油套管，其特征是：所述套管常温下管材的屈服强度1034～1172MPa；韧脆转变温度在-40℃～-80℃；在韧脆转变温度下夏比V型横向冲击功50～80J，纵向冲击功80～120J；平均晶粒度为8.5～10级。
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