CN101845586A - 一种石油套管用钢、电阻焊石油套管及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种石油套管用钢和电阻焊石油套管，其成分质量百分比为：C：0.18-0.31、Si：0.1-0.35、Mn：0.3-1.2、P：≤0.015、S：≤0.005、Mo：0.1-0.4、Ti：0-0.04、Nb：0-0.04、V：0.07-0.16、Cr：0-1.0、Al：0.01-0.05、Ca：0.0005-0.009，余量为Fe和不可避免杂质，并且其碳当量Ceq≤0.6。所述石油套管用钢能够适用于剪切对焊工序，所述电阻焊石油套管的管体和焊缝处于同一钢级，满足API标准的要求。本发明还公开了所述石油套管用钢和电阻焊石油套管的制造方法。
Description
技术领域
本发明涉及一种石油套管用钢，具体地说，涉及一种石油套管用钢及其制造方法，和用该钢种制成的电阻焊石油套管及其制造方法。
背景技术
石油及天然气开采用套管是适用于深井、超深井等油气井完井作业不可缺少的专用管材，在下井及固井过程中，起着保护井眼、加固井璧、隔绝井下油、气、水层及封固各种复杂地层的作用，通常要求其具有高抗挤性能。在产品的研发与实践中，人们逐步认识到控制材质的屈服强度、残余应力、套管外径不圆度以及套管壁厚偏差等是提高套管抗挤毁性能的关键因素。一般而言，随着不圆度以及壁厚不均度的降低、以及套管屈服强度的增加，套管的抗挤性能近似呈线性比例增加。
API标准规定，石油套管分为无缝管和焊接套管两种类型。相对于无缝管而言，焊接套管的最显著特点之一是壁厚尺寸精度好，因此将其用于生产具有高抗挤性能的石油套管具有先天的优越性，同时焊接套管还具有生产效率高、规格范围宽、成本低等优点，因此焊接套管成为生产厂家与油田用户的首选品种，一直受到市场的青睐。
焊接套管的基本生产工艺是：钢管成型-在线焊接-焊缝热处理或整管热处理-管加工-出厂检验等。焊接过程会对套管的抗挤毁性能产生不利的影响。例如高频电阻焊ERW(Electric Resistance Welding)是一种通过高频电流的集肤效应(Skin Effect)和临近效应(Proximity Effect)，利用高频电流或感生高频电流的电阻热将板边对接、边缘加热熔化、并施以挤压而焊合的焊接方法，然而板边的加热熔化过程伴随着氧化与脱碳现象，致使焊接熔合线及其热影响区的微观组织与基体存在差异。因而，一般情况下，焊缝处的屈服强度较母材低50-100MPa，导致焊接套管周向强度分布得不均匀，严重时会导致管体和焊缝处于不同的钢级，降低焊接套管的抗挤性能，通常还需要淬火、高温回火和张力减径等工序使焊缝和管体的强度达到相当的水平。
为了实现多卷连续生产，进一步提高焊接套管的生产效率，在钢管成型之前，通常还需要对板卷与板卷的头尾进行剪切对焊，但是剪切对焊要求钢种的碳当量须低，否则容易造成钢板断带，严重影响生产效率，一般而言，要求材料的碳当量不宜超过0.6，然而普遍用于制造高抗挤套管的CrMo钢如34CrMo4碳当量均已超过0.6。
CN1619005A公开了一种高抗挤毁的石油天然气开采中深井、超深井石油套管，其成分见表1，但这种石油套管为非API钢级无缝管，因此不能满足油田超高抗挤毁的性能要求。
目前抗挤毁焊接套管只有Lone Star Steel Company可以生产，其美国专利US4354882公开了一种用于高压、深井的套管，其成分见表1，主要添加了Cr、Mo、V等化学成分，但其生产抗挤焊接套管的方法包括张力减径工序，因此生产厂家需要具有配套设备，否则无法生产。
发明内容
本发明的第一个目的在于提供一种石油套管用钢，其能够制造出满足API要求的电阻焊石油套管，并且还能够适用于剪切对焊工序，提高后续的电阻焊石油套管生产效率。
本发明的第二个目的在于提供一种所述石油套管用钢的制备方法。
本发明的第三个目的在于提供一种电阻焊石油套管，其管体和焊缝处于同一钢级，满足API标准的要求。
本发明的第四个目的在于提供一种所述电阻焊石油套管的制备方法，其省去了张力减径工序，进一步提高了电阻焊石油套管生产效率。
本发明所提供的石油套管用钢，其成分质量百分比为C：0.18-0.31、Si：0.1-0.35、Mn：0.3-1.2、P：≤0.015、S：≤0.005、Mo：0.1-0.4、Ti：0-0.04、Nb：0-0.04、V：0.07-0.16、Cr：0-1.0、Al：0.01-0.05、Ca：0.0005-0.009，余量为Fe和不可避免杂质，并且其碳当量Ceq≤0.6。
本发明所提供的石油套管用钢，其成分质量百分比优选为：C：0.25-0.31、Si：0.1-0.25、Mn：0.8-1.2、P：≤0.015、S：≤0.003、Mo：0.1-0.3、Ti：0.005-0.04、Nb：0.005-0.04、V：0.07-0.14、Cr：0-1.0、Al：0.02-0.05、Ca：0.001-0.003，余量为Fe和不可避免杂质，并且其碳当量Ceq≤0.6。
优选地，钙硫含量的比值Ca/S＞1。
本发明所提供的石油套管用钢可以采用以下方法制造，包括：
(1)钢水经转炉或电炉冶炼，并浇铸制成板坯；
(2)板坯经1200-1300℃加热后轧成板带，板带的终轧温度850-950℃；
(3)轧后板带经层流冷却，以2-30℃/s的速度冷却到550-700℃卷取成板卷。
优选地，步骤(2)中控制壁厚S范围为-5.5％S/+12.5％S。
本发明所提供的电阻焊石油套管，其成分质量百分比为C：0.18-0.31、Si：0.1-0.35、Mn：0.3-1.2、P：≤0.015、S：＜0.005、Mo：0.1-0.4、Ti：0-0.04、Nb：0-0.04、V：0.07-0.16、Cr：0-1.0、Al：0.01-0.05、Ca：0.0005-0.009，余量为Fe和不可避免杂质，并且其碳当量Ceq≤0.6。
本发明所提供的电阻焊石油套管，其成分质量百分比优选为C：0.25-0.31、Si：0.1-0.25、Mn：0.8-1.2、P：≤0.015、S：≤0.003、Mo：0.1-0.3、Ti：0.005-0.04、Nb：0.005-0.04、V：0.07-0.14、Cr：0-1.0、Al：0.02-0.05、Ca：0.001-0.003，余量为Fe和不可避免杂质，并且其碳当量Ceq≤0.6。
优选地，钙硫含量的比值Ca/S＞1。
本发明所提供的电阻焊石油套管可以采用以下方法制造，包括：
(1)钢管成型和ERW制管，控制外径D范围为0D/+0.75％D；
(2)水淬，温度880-940℃，保温时间按钢管壁厚计算为3-6min/mm；
(3)回火，温度580-700℃，保温时间按钢管壁厚计算为3-6min/mm；
(4)热定径，温度580-700℃，控制外径不圆度＜0.4％；
(5)热矫直，温度500-600℃，控制直度＜0.15％。
优选地，上述电阻焊石油套管的制备方法还包括：
(6)冷却后进行管加工。
优选地，在步骤(1)之前还包括板卷剪切对焊的步骤。
以下将本发明合金成分的设计机理作详细说明：
C：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0.18-0.31％；
Si：固溶于铁素体以提高钢的屈服强度，但同时要损失塑性和韧性，按重量百分比计宜采用硅含量为0.1-0.35％；
Mn：主要固溶于铁素体以提高材料强度，含量过高时，钢中的组织偏析严重，影响焊接以及抗挤性能，按重量百分比计宜采用含量0.3-1.2％；
Mo：提高淬透性元素，可以有效的提高钢的回火稳定性，回火时析出碳化物提高钢的强度，有利于延缓压溃失稳过程，含量过高时不利于焊接，同时价格昂贵，从而丧失套管经济性的特征，按重量百分比计宜采用含量0.1-0.4％；
Ti：强碳氮化物形成元素，形成TiN、TiC在焊接重结晶以及再加热过程中均可以阻止奥氏体晶粒长大，有利于提高焊缝以及抗挤性能，若含量太高，易形成粗大的TiN，按重量百分比计宜采用含量0-0.04％；
Nb：热轧时可以推迟奥氏体再结晶而达到细化晶粒，在随后焊接重结晶以及再加热过程中，可以阻碍奥氏体晶粒长大，有利于提高焊缝以及抗挤性能，按重量百分比计宜采用含量0-0.04％；
V：钒的碳氮化物在铁素体中细小弥散析出，可以在回火的过程中进一步达到析出强化的效果，有利于提高焊缝强度，按重量百分比计宜采用含量0.07-0.16％；
Cr：强烈提高淬透性元素，回火时析出碳化物提高钢的强度，有利于延缓压溃失稳过程，但含量过高时不利于焊接，按重量百分比计宜采用含量0-1.0％；
Al：传统脱氧固氮元素，形成AlN可以细化奥氏体晶粒，有利于提高焊缝性能，同时延缓压溃失稳过程，按重量百分比计宜采用含量0.01-0.05％；
Ca：可净化钢液，促使MnS球化，提高材料的抗挤性能，但含量过高时易形成粗大非金属夹杂物，按重量百分比计宜采用含量0.0005-0.009％；
P：≤0.015％、S：≤0.005％，S和P是钢中的有害杂质元素，含量过高会恶化钢的韧性且不利于焊接，因此应尽量降低钢中的硫、磷含量。
碳当量Ceq≤0.6，满足剪切对焊工序的要求，有利于实现多卷连续生产，提高生产效率。
本发明与现有技术相比具有的优点是：
(1)本发明提供的石油套管用钢能够制造出满足API要求的电阻焊石油套管，同时其碳当量适中，还能够适用于剪切对焊工序，提高后续的电阻焊石油套管生产效率；
(2)本发明提供的电阻焊石油套管，其管体和焊缝处于同一钢级，满足API的要求；
(3)本发明提供的电阻焊石油套管的生产方法能够在焊接制管后，仅需经淬火和高温回火而不需张力减径，就使焊缝和管体的强度达到相当的水平，进一步提电阻焊套管的生产效率；
(4)本发明所使用的材料合金成本低，具有重大的经济效益。
表1国内外类似产品的成份与本发明钢的成份对比(wt.％)
| 本发明 | CN1619005 | US4354882 | |
| C | 0.18-0.31 | 0.2-0.3 | 0.26-0.33 |
| Si | 0.1-0.35 | 0.15-0.4 | 0.25-0.35 |
| Mn | 0.3-1.2 | 0.3-1.2 | 0.4-0.8 |
| P | ≤0.015 | ＜0.015 | ＜0.02 |
| S | ≤0.005 | ＜0.012 | ＜0.025 |
| Cr | 0-1.0 | 0.5-1.5 | 0.75-1.3 |
| Mo | 0.1-0.4 | 0.4-1.2 | 0.2-0.6 |
| Ni | ＜0.8 | ＜0.25 | |
| V | 0.07-0.16 | ＜0.15 | 0.06-0.15 |
| Cu | ＜0.2 | ＜0.25 | |
| Al | 0.01-0.05 | ||
| Ti | 0-0.04 | ||
| Nb | 0-0.04 | ||
| Ca | 0.0005-0.009 |
具体实施方式
实施例化学成分见表2，碳当量均小于0.6。以生产φ244.48*11.99规格高抗挤焊接套管为例，经转炉炼钢、炉外精炼后，钢水经过Ca处理。连铸坯经1200-1300℃加热后热轧成厚12.5mm的板带，终轧温度大于850℃，轧后板带经层流冷却到700℃以下卷取，工艺参数和力学性能见表3。经剪切对焊、板卷成型、ERW制管后，外径D为245.2mm，将钢管切分成10m长的等长钢管；在880-940℃淬火，在580-700℃回火后热定径，控制外径不圆度＜0.4％，在500-600℃热矫直，控制直度＜0.15％，工艺参数和力学性能见表4。
实施例1-5的管体和焊缝的强度相差不大，均在API标准同一钢级要求的强度范围之内(80钢级：屈服强度范围552-758MPa，抗拉强度大于689MPa；110钢级：屈服强度范围758-965MPa，抗拉强度大于862MPa)。比较例1的V含量稍低，且没有Ti、Nb等合金元素对焊缝的强化作用，管体和焊缝隶属不同的钢级；比较例2为传统的32CrMo4钢，由于碳当量过高，无法满足连续生产对钢板剪切对焊的要求。
由此可见，本发明通过控制钢种的碳当量以及选择性地添加Mo、V、Ti、Nb等合金元素，可以不经减径工序生产出满足API标准的、价格便宜的电阻焊石油套管。
Claims (11)
1.一种石油套管用钢，其成分质量百分比为：C：0.18-0.31、Si：0.1-0.35、Mn：0.3-1.2、P：≤0.015、S：≤0.005、Mo：0.1-0.4、Ti：0-0.04、Nb：0-0.04、V：0.07-0.16、Cr：0-1.0、Al：0.01-0.05、Ca：0.0005-0.009，余量为Fe和不可避免杂质，并且其碳当量Ceq≤0.6。
2.如权利要求1所述的石油套管用钢，其特征在于，其成分质量百分比为：C：0.25-0.31、Si：0.1-0.25、Mn：0.8-1.2、P：≤0.015、S：≤0.003、Mo：0.1-0.3、Ti：0.005-0.04、Nb：0.005-0.04、V：0.07-0.14、Cr：0-1.0、Al：0.02-0.05、Ca：0.001-0.003，余量为Fe和不可避免杂质，并且其碳当量Ceq≤0.6。
3.如权利要求1或2所述的石油套管用钢，其特征在于，钙硫含量的比值Ca/S＞1。
4.如权利要求1、2或3所述的石油套管用钢的制造方法，包括：
(1)钢水经转炉或电炉冶炼，并浇铸制成板坯；
(2)板坯经1200-1300℃加热后轧成板带，板带的终轧温度为850-950℃；
(3)轧后板带经层流冷却，以2-30℃/s的速度冷却到550-700℃卷取成板卷。
5.如权利要求4所述的石油套管用钢的制造方法，其特征在于，步骤(2)中还包括控制壁厚S范围为-5.5％S/+12.5％S。
6.一种电阻焊石油套管，其成分质量百分比为：C：0.18-0.31、Si：0.1-0.35、Mn：0.3-1.2、P：≤0.015、S：≤0.005、Mo：0.1-0.4、Ti：0-0.04、Nb：0-0.04、V：0.07-0.16、Cr：0-1.0、Al：0.01-0.05、Ca：0.0005-0.009，余量为Fe和不可避免杂质，并且其碳当量Ceq≤0.6。
7.如权利要求6所述的电阻焊石油套管，其特征在于，其成分质量百分比为：C：0.25-0.31、Si：0.1-0.25、Mn：0.8-1.2、P：≤0.015、S：≤0.003、Mo：0.1-0.3、Ti：0.005-0.04、Nb：0.005-0.04、V：0.07-0.14、Cr：0-1.0、Al：0.02-0.05、Ca：0.001-0.003，余量为Fe和不可避免杂质，并且其碳当量Ceq≤0.6。
8.如权利要求6或7所述的电阻焊石油套管，其特征在于，钙硫含量的比值Ca/S＞1。
9.如权利要求6、7或8所述的电阻焊石油套管的制造方法，包括：
(1)钢管成型和ERW制管，控制外径D范围为0D/+0.75％D；
(2)水淬，温度880-940℃，保温时间按钢管壁厚计算为3-6min/mm；
(3)回火，温度580-700℃，保温时间按钢管壁厚计算为3-6min/mm；
(4)热定径，温度580-700℃，控制外径不圆度＜0.4％；
(5)热矫直，温度500-600℃，控制直度＜0.15％。
10.如权利要求9所述的电阻焊石油套管的制造方法，其特征在于，还包括：
(6)冷却后进行管加工。
11.如权利要求9或10所述的电阻焊石油套管的制造方法，其特征在于，还包括在步骤(1)之前的板卷剪切对焊。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C12 | Rejection of a patent application after its publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20100929 |