CN101634001B - 一种ct90级连续油管用钢及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种CT90级连续油管用钢，其化学成分重量百分配比为：C：0.02～0.25％、Si：0.10～0.60％、Mn：0.50～2.0％、P≤0.015％、S≤0.005％、Cr：0.30～1.50％、Nb：0.02～0.13％、Ti：0.01～0.10％、V：0.01～0.10％、Mo：0.05～0.35％、Cu：0.10～0.50％、Ni：0.10～0.40％、Ca：0.0010～0.0050％，Al：0.01～0.05％，N≤0.012，余量为Fe及不可避免的夹杂；其制造方法是：冶炼、浇铸、板坯再加热、轧制、冷却、卷取，本发明提高了强度，有好的塑性、冲击韧性、抗腐蚀和焊接性能，钢的拉伸性能、延伸率、硬度值均达到规范规定。

Description

一种CT90级连续油管用钢及其制造方法

技术领域

本发明涉及油管钢的制造技术，特别属于CT90级高强度油管钢，一种适合钻井、测井、完井等油田作业领域使用的连续油管用钢及其制造方法。

背景技术

连续油管(Coiled Tubing，简称CT)是相对于常规螺纹联接油管而言的，它又被称为绕性油管、蛇形管或盘管。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。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。

自从1962年世界上第一台连续油管作业机问世并开始用于石油工业以来，经过40多年的发展，连续油管作业现已成为世界油气工业技术研究和应用中的一个热点。在国外，连续油管技术主要是作为传输流体的通道，基本用于洗井、基质酸化和氮气举升，2001年占到连续油管服务收入的77％。目前连续油管技术已经扩展到钻井、修井、测井、射孔以及增产措施等领域。连续油管修井已代表着当今世界修井技术的发展方向，并将作为一种常规、高效的作业技术在世界范围内普及。目前连续油管最大钻井深度已超过6900m，其外径由最初的33.4mm发展到168.27mm，随着连续油管技术的发展，在钻井领域的应用将进一步扩大。可以说，世界石油工业正在经历一次连续油管技术革命。

我国引进和利用连续油管技术始于70年代。1977年，我国引进了第一台Bowen Oil Tools(波恩工具公司)的产品。

随着连续油管技术的不断进步和发展，连续油管的使用已扩展到石油行业的各领域，尤其是近年来在钻井领域和输油领域的应用，应用范围的扩展对连续油管提出了更高的要求，所以开发出高级别实用的连续油管是当前的重要任务。我国的连续油管起步较慢，目前宝鸡石油钢管公司于去年开工建设连续油管生产线，预计今年年底完工，是国内第一条连续油管制造厂家，但国内无钢厂生产连续油管用钢，因此开发出国内连续油管用钢迫在眉睫。

对关键词“coiled tubing+steel+strip”、“reeled tubing+steel+strip”和“连续+油管”进行检索分类，其分析结果如下：

经光盘和计算机国内、国际联机检索表明：与本申请最接近的专利有3个(见表1)，其它关于连续油管的专利主要是和作业设备相关或者和焊接性能相关，无可比性。

表1现有连续油管用钢的化学成分(Wt％)

元素	对比专利1	对比专利2	对比专利3
				C	0.001~0.04％	0.04～0.14％	0.34~0.38％
Si	≤1.0％	0.15~0.40％	0.25~0.35％

Mn	0.1~3.0％	0.20~1.20％	1.65~1.85％
				P	≤0.04％	0.008~0.022％	≤0.025
S	≤0.005％	0.001~0.004％	≤0.020
				Cr	9~15％	0.20~0.50％	-
Nb	0.001~0.100％	0.015~0.060％	-
				V	0.005~0.10％	-	0.08~0.12％
Ti	0.005~0.10％	0.008~0.025％	0.015~0..020％
				Cu	-	0.015~0.30％	-
Ni	0.7~8％	-	-
				Mo	Mo+W/2：0.2	0~0.20％	-
Alt	0.001~0.20％	-	0.02~0.05％
				N	≤0.05％	-	0.0130~0.0145％
Zr	0.005~0.10％	-	-

对比专利1：

名称：STAINLESS STEEL FOR COILED TUBING

专利号：JP2001303206

该专利描述了一种具有抗疲劳、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，含有较高的Cr(9.0～15％)和Ni(0.7～8.0％)元素，同时加入了稀土等其它元素。

对比专利2：

名称：一种高塑性连续油管用钢及其制造方法

专利号：200710168545.3

该专利提供了一种高塑性连续油管用钢及其制造方法，通过炼钢工艺控制及控轧空冷工艺控制，生产出强韧性适中、组织均匀的连续油管用钢，该钢轧制过程中变形抗力小，对轧制损耗小。该专利未添加析出强化元素V以提高连续油管的强度级别，未复合添加Cu和Ni元素来改善该钢种的韧性和抗腐蚀性能。

对比专利3：

名称：非调质钢生产N80级石油管及工艺

专利号：20010085972.5

该专利通过合适的V、N微合金元素在钢中的含量控制，结合控轧控冷工艺，发明了用非调质钢34Mn2VN生产的符合API标准要求的N80钢级无缝石油管，取消了在线常化工艺，缩短了周期及成本。该专利是无缝钢管的生产工艺，添加了较高的C含量(0.34～0.38％)以提高钢管强度。不是连续油管用钢带制造方法，C的含量较低。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种CT90级连续油管用钢及其制造方法，它能够具有高强度和良好塑性，能抑制脆性、能改善焊接性能。

为解决上述技术问题，本发明的一种CT90级连续油管用钢，其化学成分重量百分配比(Wt％)为：C：0.02～0.25、Si：0.10～0.60、Mn：0.50～2.0、P≤0.015、S≤0.005、Cr：0.30～1.50、Nb：0.02～0.13、Ti：0.01～0.10、V：0.01～0.10、Mo：0.05～0.35、Cu：0.10～0.50、Ni：0.10～0.40、Ca：0.0010～0.0050，Al：0.01～0.05，N≤0.012；余量为Fe及不可避免的夹杂。

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0.02％～0.25％。

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0.50％～2.00％。

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，以使钢具有高强度和高韧性。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0.02％～0.13％。

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％～0.10％。

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还能起到克服热处理过程中的回火脆性，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含量控制在0.05％～0.35％。

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。

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含量范围分别控制为0.10％～0.50％、0.10％～0.40％。

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。

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；

因此，以晶粒细化、相变强化、析出强化和位错强化等材料强化理论为基础，对具有铁素体+少量珠光体+贝氏体CT90连续油管用钢采用了较低的碳含量、高Cr、低S以及Nb、V、Ti等合金化的成分。

一种CT90级连续油管用钢的制造方法，其包括如下步骤：

1)根据下列化学成分重量百分配比冶炼、浇铸成板坯：C：0.02～0.25％、Si：0.10～0.60％、Mn：0.50～2.0％、P≤0.015％、S≤0.005％、Cr：0.30～1.50％、Nb：0.02～0.13％、Ti：0.01～0.10％、V：0.01～0.10％、Mo：0.05～0.35％、Cu：0.10～0.50％、Ni：0.10～0.40％、Ca：0.0010～0.0050％，Al：0.01～0.05％，N≤0.012余量为Fe及不可避免的夹杂；

2)对上述板坯加热，板坯再加热温度为：1150～1250℃；保温系数为0.8～1.7min/mm；

3)控制轧制，待温温度范围为：900～1050℃；

4)控制轧制，终轧温度：750～870℃；

5)终轧后立即进入冷却系统，控制冷却，冷却速度：4～18℃/s，停冷温度根据卷取温度确定；

6)卷取，卷取温度为：400～650℃。

本发明与现有技术相比，具有以下优点和有益效果：由于采用Nb、V微合金化，通过Nb的细化晶粒以及Nb、V的析出强化来提高强度；添加适量Mo元素以改善或抑制后续热处理脆性；采用的钢成分和工艺得到的组织为铁素体+少量珠光体+贝氏体，提高了强度，保持了良好的塑性；采用低硫，保证钢具有良好的冲击韧性；用较低的碳当量，有利于焊接性能。低C、高Cr保证钢具有良好的抗腐蚀能力。

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90ksi(千磅/平方英寸)级连续油管材料的要求，即：

(1)拉伸性能：σ0.5≥620MPa，σb≥676MPa；

(2)延伸率：A50.8％≥15％；

(3)硬度值：HRC≤22。

具体实施方式

表2实施例1-7的熔炼成分(Wt％)

类别	C	Mn	Si	S	P	Nb	Ti	Cu	Ni	Mo	Cr	Ca	Alt	V	N	0	H	Ceq
																			例1	0.025	1.92	0.22	0.003	0.008	0.12	0.015	0.23	0.14	0.11	0.32	0.0023	0.035	0.052	0.006	0.0020	0.0002	0.466
例2	0.04	1.38	0.24	0.003	0.009	0.11	0.012	0.24	0.15	0.33	0.58	0.0015	0.020	0.095	0.004	0.0020	0.0003	0.497
																			例3	0.23	0.52	0.32	0.002	0.013	0.02	0.028	0.15	0.10	0.08	0.95	0.003	0.040	0.011	0.004	0.0030	0.0003	0.542
例4	0.05	1.13	0.56	0.003	0.011	0.09	0.015	0.45	0.25	0.16	0.63	0.0023	0.030	0.070	0.004	0.0020	0.0002	0.457
																			例5	0.12	0.84	0.13	0.002	0.005	0.05	0.055	0.13	0.18	0.15	1.02	0.0018	0.026	0.060	0.004			0.527
例6	0.16	0.62	0.25	0.002	0.011	0.04	0.015	0.10	0.36	0.20	0.72	0.0023	0.030	0.029	0.004	0.0030	0.0003	0.484
																			例7	0.08	0.55	0.35	0.002	0.012	0.02	0.045	0.36	0.20	0.05	1.41	0.0023	0.030	0.030	0.004	0.0030	0.0003	0.507

根据上表所述的实施例1-7的不同化学配比成分分别进行以下工艺步骤：

1)浇铸成板坯；

2)对上述板坯再加热；

3)控制轧制；

4)控制轧制，终轧温度为750～870℃；

5)终轧后立即进入冷却系统，控制冷却；

6)卷取。

实施例1、实施例4：

板坯再加热温度为1220℃；保温系数：1.0min/mm；终轧温度为840℃；卷取温度控制范围：500～550℃；d、冷却速度：12～18℃/s。

实施例2、实施例6、实施例7：

板坯再加热温度为1180℃；保温系数：1.3min/mm；终轧温度控制范围为800℃；卷取温度控制范围为450～500℃；冷却速度为8～14℃/s。

实施例3、实施例5：

板坯再加热温度为1150℃；保温系数：1.6min/mm；终轧温度控制范围为770℃；卷取温度控制范围为550~600℃；冷却速度为4～10℃/s。

表3实施例1-7的力学性能

编号	Rt0.5MPa	RmMPa	A50.8％	HRC
					例1	635	690	25.2	17
例2	650	710	23.4	18

例3	680	748	18.0	22
					例4	625	681	25.0	16
例5	679	730	20.0	21
					例6	643	702	24.0	18
例7	654	722	22.5	19

从表3的试验结果可以看出本发明的成分和工艺，都可达到规范规定要求，具有良好的综合力学性能。

要注意的是，以上列举的仅为本发明的具体实施例，显然本发明不限于以上实施例，随之有着许多的类似变化。本领域的技术人员如果从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应属于本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种CT90级连续油管用钢的制造方法，其包括如下步骤：

1)根据下列化学成分重量百分配比冶炼、浇铸成板坯：C：0.02～0.25％、Si：0.10～0.60％、Mn：0.50～2.0％、P≤0.015％、S≤0.005％、Cr：0.30～1.50％、Nb：0.02～0.13％、Ti：0.01～0.10％、V：0.01～0.10％、Mo：0.05～0.35％、Cu：0.10～0.50％、Ni：0.10～0.40％、Ca：0.0010～0.0050％，Al：0.01～0.05％，N≤0.012，余量为Fe及不可避免的夹杂；

2)对上述板坯加热，板坯加热的再加热温度为：1150～1250℃；保温系数为0.8～1.7min/mm；

3)控制轧制，待温温度范围为：900～1050℃；

4)控制轧制，终轧温度为750～870℃；

5)终轧后立即进入冷却系统，控制冷却，冷却速度：4～18℃/s，停冷温度根据卷取温度确定；

6)卷取，卷取温度为：400～650℃，制得的CT90级连续油管用钢的微

观组织为铁素体+少量珠光体+贝氏体。