CN101892443A - 屈服强度170～180ksi钢级的高强高韧性石油套管及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种屈服强度170～180ksi钢级的高强高韧性石油套管，采用C、Si、Mn、Cr、Mo、Ni等合金作为主要强化元素，同时添加少量V、Nb等微合金元素。生产的钢管具有：常温屈服强度在1172～1241MPa之间；0℃温度条件下夏比V型横向冲击功70～90J，纵向冲击功100～120J；洛氏硬度HRC在40～45；延伸率≥16％；晶粒度9～11级。本发明的效果是在合金元素设计上采用较低的C、Si保证冲击韧性，改善钢管的强韧性匹配；在炼钢工艺上严格控制S、P、气体、五害残留元素；精炼后期VD真空脱气后再适当喂入铝丝，使得酸溶铝占全铝的比重保持在90％以上，提高了钢铁的纯净度；连铸圆坯采用结晶器电磁搅拌，热轧完成后的热处理水冷系统，保证钢管的淬透性，提高材料的强度和韧性。本发明还提供一种该石油套管的制造方法。

Description

屈服强度170～180ksi钢级的高强高韧性石油套管及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种石油套管，特别是屈服强度170～180ksi钢级的高强高韧性石油套管及其制造方法。

背景技术

随着石油工业的深入发展，地球上储存的石油资源越来越少，剩余的石油资源埋藏越来越深，工况环境越来越恶劣。例如在中国的新疆等地区，越来越多的深井、超深井相继被开发，有的油井开采深度已经达到8000米以上。在深层地下，容易出现地压变化、泥岩蠕变、疏松砂岩坍塌、地层岩石滑移、以及地震、地壳运动等等，使石油套管承受着深层高压和高温及自重等恶劣复杂的环境作用。因此，用于深井、超深井、地质复杂等开采难度大油田使用的石油套管为了保证其使用安全性，必须在保证石油套管具有超高的屈服强度、抗拉强度的同时，还必须具有良好的冲击韧性和拉伸塑性。这也是油井专用管中公认的技术难度最大、要求最高的产品之一。

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。分析表明国内外在应用超高强度套管历史上出现的严重事故几乎都与材料强度与韧性的匹配有关。因此如何协调(超)高强度钢管的强度和韧性之间的匹配关系，保证超高强度钢管在深井下的安全服役，是摆在当今钢铁冶金工作者面前非常棘手的难题。

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屈服强度170～180ksi钢级的高强高韧性石油套管及其制造方法，以利于达到目的之一，常温下管材的屈服强度在1172～1241MPa之间；目的之二，0℃温度条件下夏比V型横向冲击功70～90J，纵向冲击功100～120J；目的之三，洛氏硬度HRC在40～45；延伸率≥16％；晶粒度9～11级。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是提供一种屈服强度170～180ksi钢级的高强高韧性石油套管，其中：该套管组成以质量％计，含有C：0.18～0.35％，Si：0.20～0.50％，Mn：0.45～1.25％，Cr：0.95～1.45％，Mo：0.65～1.25％，Ni：0.30～0.85％，V：0.01～0.20％，Nb：0.01～0.08％，Ca：0.0015～0.0050％，Al：0.010～0.060％，Ti≤0.02％，B≤0.0005％，0≤0.003％，N≤0.012％，H≤0.0003％，P≤0.010％，S≤0.002％，包括As、Sn、Pb、Sb、Bi的五害元素的总含量≤0.02％，其余为铁。

同时还提供一种屈服强度170～180ksi钢级的高强高韧性石油套管的制造方法。

本发明的效果是：该方法(1)在合金元素设计上采用较低的C、Si保证冲击韧性，添加适量的Si、Mn、Cr、Mo、Ni等合金元素来提高材质的强度，同时辅助V、Nb等微合金化元素细化晶粒，改善钢管的强韧性匹配。(2)在炼钢工艺上严格控制S、P、气体、五害残留元素。(3)精炼后期VD真空脱气后再适当喂入铝丝，使得酸溶铝占全铝的比重保持在90％以上，保证良好的脱氧效果同时又不造成氧化铝的夹杂，提高了钢铁的纯净度；(4)喂入铝丝并吹氩弱搅拌五分钟以后再适当喂入CaSi丝，使得夹杂物充分变性球化，并快速上浮；(5)喂入CaSi丝深度脱氧后，再保持镇定时间10～15分钟，然后上连铸平台；(6)连铸圆坯采用结晶器电磁搅拌来减少成分偏析。(7)热轧完成后采用先进的热处理水冷系统，保证钢管的淬透性，提高材料的强度和韧性。

具体实施方式

结合实施例详细说明本发明的屈服强度170～180ksi钢级的高强高韧性石油套管及其制造方法。

本发明的屈服强度170～180ksi钢级的高强高韧性石油套管，该套管组分以质量％计，含有C：0.18～0.35％，Si：0.20～0.50％，Mn：0.45～1.25％，Cr：0.95～1.45％，Mo：0.65～1.25％，Ni：0.30～0.85％，V：0.01～0.20％，Nb：0.01～0.08％，Ca：0.0015～0.0050％，Al：0.010～0.060％，Ti≤0.02％，B≤0.0005％，0≤0.003％，N≤0.012％，H≤0.0003％，P≤0.010％，S≤0.002％，包括As、Sn、Pb、Sb、Bi的五害元素的总含量≤0.02％，其余为铁。

所述的屈服强度170～180ksi钢级的高强高韧性石油套管的常温屈服强度在1172～1241MPa之间；0℃温度条件下夏比V型横向冲击功70～90J，纵向冲击功100～120J；洛氏硬度HRC在40～45；延伸率≥16％；晶粒度9～11级。

本发明的屈服强度170～180ksi钢级的高强高韧性石油套管的制造方法，该方法包括以下步骤：

炼钢：

(1)按权利要求1的组分采用优质废钢+铁水或生铁，精炼后使As、Sn、Pb、Sb、Bi的五害总含量≤0.02％；

(2)精炼后采取50～100帕斯卡的真空VD脱气处理，脱气时间10～20分钟；吹氩气搅拌，吹氩搅拌时流量控制应确保不吹开渣面；

(3)真空脱气后再喂入铝丝，使得酸溶铝占全铝的比重保持在90％以上；

(4)喂入铝丝并搅拌5分钟以后再喂入CaSi丝，使得钢液中Ca含量≥0.0015％，S含量≤0.002％；

(5)浇注前保持10～15分钟的镇定时间，促进夹杂物上浮，并控制钢水浇铸前过热度在40～60℃；

(6)结晶器末端采用电磁搅拌，搅拌频次和幅度确保不荡开钢液表面的保护渣层；

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；

热处理：

(1)步进式加热炉加热保温，淬火炉设定温度AC₃+50℃，其中AC₃为该钢管的完全奥氏体化温度；钢管入炉后在炉内的总时间为30+3.5t分钟，其中t为该钢管的壁厚毫米值；

(2)钢管出淬火炉后进行水淬处理，淬火方式采用外淋、内喷、管子旋转的方式水冷，控制水量和水温为确保钢管在30秒钟之内从奥氏体状态冷却到室温；

(3)经过淬火后的钢管进入步进式回火炉，回火炉加热温度520℃～580℃，钢管入炉后在炉内的总时间为60+4.5t分钟，其中t为该钢管的壁厚毫米值；

(4)钢管出回火炉后进入矫直机架热矫直，控制钢管运行速度，确保矫直温度在400～450℃，出矫直机架后钢管空冷至室温。

本发明的屈服强度170～180ksi钢级的高强高韧性石油套管是这样实现的：

屈服强度170～180ksi钢级的高强高韧性石油套管组分以质量％计，含有C：0.18～0.35％，Si：0.20～0.50％，Mn：0.45～1.25％，Cr：0.95～1.45％，Mo：0.65～1.25％，Ni：0.30～0.85％，V：0.01～0.20％，Nb：0.01～0.08％，Ca：0.0015～0.0050％，Al：0.010～0.060％，Ti≤0.02％，B≤0.0005％，0≤0.003％，N≤0.012％，H≤0.0003％，P≤0.010％，S≤0.002％，包括As、Sn、Pb、Sb、Bi的五害元素的总含量≤0.02％，其余为铁。

所述套管的性能指标是：常温下其屈服强度在1172～1241MPa之间；0℃温度条件下夏比V型横向冲击功70～90J，纵向冲击功100～120J；洛氏硬度HRC在40～45；延伸率≥16％；晶粒度9～11级。

本发明的屈服强度170～180ksi钢级的高强高韧性石油套管的制造方法，包括以下步骤：

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，同时选用优质的耐火材料作炉衬，尽可能减少耐火材料带入夹杂物的可能性。

(2)精炼后采取50～100帕斯卡的高真空VD脱气处理，吹氩气弱搅拌，脱气时间10～20分钟；吹氩搅拌时流量控制应确保不吹开渣面。

(3)严格控制五害元素As、Sn、Pb、Sb、Bi，精炼后使五害总含量≤0.02％。

(4)真空脱气后再适量喂入铝丝，使得酸溶铝占全铝的比重保持在90％以上，并控制全铝的含量在0.010～0.060％之间，这样既保证良好的脱氧效果同时又不造成氧化铝的夹杂，提高了钢铁的纯净度；若一次喂入铝丝后成分达不到上述结果，可以再补喂适当铝丝，搅拌5分钟后再次检测化学成分，直至满足要求为止。

(5)喂入铝丝并弱搅拌5分钟以后再适当喂入CaSi丝，务必保证喂入的CaSi丝优质、新鲜、未被氧化，最终使钢液中Ca含量≥0.0015％，S含量≤0.002％；这样使得钢水被深度脱氧后，进一步降低了氧化物夹杂，并促使形成的夹杂物充分变性球化，快速上上浮。

(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。并控制钢水浇铸前过热度在40～60℃；

(7)采用结晶器末端电磁搅拌，以便于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。搅拌频次和幅度确保不荡开钢液表面的保护渣层；

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在回火过程中为碳化物形成元素，在奥氏体淬火硬化时候是固溶强化元素，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。在本发明中C的推荐含量在0.18％以上，0.35％以下。

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0.2％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的市场价格较高，从降成本角度考虑应尽量减少其使用量。本发明中，Ni的推荐含量在0.30～0.85％。

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。本发明中Cr是主要合金强化元素，推荐含量：0.95～1.45％。

Mo：在低碳低合金钢中能显著提高钢的淬透性和淬硬性，并且是碳化物形成元素，能提高钢的强度和韧性。同时Mo合金成本也较高，本发明中推荐含量：0.65～1.25％。

V：能够细化晶粒，形成碳化物，提高钢的强度、改善韧性和提高回火稳定性，但由于其价格也较高，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，所以要严格限制其含量。

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，淬火炉设定温度AC₃+50℃，其中AC₃为该钢管的完全奥氏体化温度；钢管入炉后在炉内的总时间为30+3.5t分钟，其中t为该钢管的壁厚毫米值；

(2)钢管出淬火炉后进行水淬处理，淬火方式采用外淋、内喷、管子旋转的方式水冷，控制水量和水温，确保钢管在30秒钟之内从奥氏体状态冷却到室温；

(3)经过淬火后的钢管进入步进式回火炉，回火炉加热温度520℃～580℃，钢管入炉后在炉内的总时间为60+4.5t分钟，其中t为该钢管的壁厚毫米值；

(4)钢管出回火炉后快速入矫直机架进行热矫直，确保矫直温度400～450℃。

(5)钢管冷却后再经过探伤，定尺等工序，最终得成品管。

表1～3为本发明的最终成品管的常规力学性能及微观组织结果：

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)	断后延伸率	硬度(HRC)	横向冲击功(J)	纵向冲击功(J)	金相组织	平均晶粒度
												(夏比V，0℃)	(夏比V，0℃)
1225	1292	19％	41.5	73	103	回火索氏体	10.0级
								1218	1288	18％	40.8	76	107	回火索氏体	10.0级
1201	1259	19％	40.5	89	119	回火索氏体	10.0级

表2非金属夹杂物评级结果

	A(级)	B(级)	C(级)	D(级)
					细系	0	0.5	0	0.5
粗系	0	0	0	0

表3冲击断口评定(夏比V型，0℃)

	横向冲击断口	纵向冲击断口
			韧性面积	100％	100％
脆性面积	0	0

从表1～3可以看出，本发明的最终成品管具有良好的强韧性匹配，常温屈服强度在1172～1241MPa之间；0℃温度条件下夏比V型横向冲击功70～90J，纵向冲击功100～120J；洛氏硬度HRC在40～45；延伸率≥16％；晶粒度细小，组织均匀，非金属夹杂物非常低，在保证钢管具有超高屈服强度的同时，其冲击韧性和拉伸延伸性也较好。

为了说明本发明中对Ti、B、O、N、H、P、S残留元素进行严格控制的必要性，下表4列举了上述残留元素超标后对最终成品管力学性能的影响，其余化学成分均在权利要求1之规定)。

表4残留元素超标对成品管力学性能的影响

残留元素	含量(％)	屈服强度(MPa)	抗拉强度(MPa)	断后延伸	横向冲击功(J)(夏比V，0℃)	纵向冲击功(J)(夏比V，0℃)	平均冲击断口韧性面积
								Ti	0.04	1175	1252	16％	40	62	25％
B	0.0007	1179	1248	17％	58	70	30％
								O	0.0042	1181	1255	16％	41	59	20％
N	0.015	1189	1258	17％	52	69	30％
								H	0.0005	1173	1241	16％	42	53	20％
P	0.015	1177	1239	17％	49	61	30％
								S	0.004	1183	1257	16％	40	64	20％

从表4可以看出，有害残留元素超标以后严重恶化了钢管的冲击韧性；屈服强度和抗拉强度相比表1中的值有所下降；横纵向冲击功下降显著，冲击断口形貌为脆性断口，平均冲击断口韧性面积只有20～30％。

高强高韧性钢管的制造过程是一个复杂的系统工程，必须对每个环节进行严格控制，包括从矿料选择、纯净钢冶炼、夹杂物分离、残留元素控制、控制轧制与控制冷却、热处理工艺优化等等；且每个生产过程都是相互衔接、相辅相成、缺一不可的整体，只有各个环节都严格控制，才能最终得到性能优良的高强高韧性石油套管。

Claims (3)

1.一种屈服强度170～180ksi钢级的高强高韧性石油套管，其特征是：该套管组分以质量％计，含有C：0.18～0.35％，Si：0.20～0.50％，Mn：0.45～1.25％，Cr：0.95～1.45％，Mo：0.65～1.25％，Ni：0.30～0.85％，V：0.01～0.20％，Nb：0.01～0.08％，Ca：0.0015～0.0050％，Al：0.010～0.060％，Ti≤0.02％，B≤0.0005％，0≤0.003％，N≤0.012％，H≤0.0003％，P≤0.010％，S≤0.002％，包括As、Sn、Pb、Sb、Bi的五害元素的总含量≤0.02％，其余为铁。

2.根据权利要求1所述的屈服强度170～180ksi钢级的高强高韧性石油套管，其特征是：所述套管的常温屈服强度在1172～1241MPa之间；0℃温度条件下夏比V型横向冲击功70～90J，纵向冲击功100～120J；洛氏硬度HRC在40～45；延伸率≥16％；晶粒度9～11级。

3.按照权利要求1所述的屈服强度170～180ksi钢级的高强高韧性石油套管的制造方法，该方法包括以下步骤：

炼钢：

(1)按权利要求1的组分采用优质废钢+铁水或生铁，精炼后使As、Sn、Pb、Sb、Bi的五害总含量≤0.02％；

(2)精炼后采取50～100帕斯卡的真空VD脱气处理，脱气时间10～20分钟；吹氩气搅拌，吹氩搅拌时流量控制应确保不吹开渣面；

(3)真空脱气后再喂入铝丝，使得酸溶铝占全铝的比重保持在90％以上；

(4)喂入铝丝并搅拌5分钟以后再喂入CaSi丝，使得钢液中Ca含量≥0.0015％，S含量≤0.002％；

(5)浇注前保持10～15分钟的镇定时间，促进夹杂物上浮，并控制钢水浇铸前过热度在40～60℃；

(6)结晶器末端采用电磁搅拌，搅拌频次和幅度确保不荡开钢液表面的保护渣层；

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；

热处理：

(1)步进式加热炉加热保温，淬火炉设定温度AC₃+50℃，其中AC₃为该钢管的完全奥氏体化温度；钢管入炉后在炉内的总时间为30+3.5t分钟，其中t为该钢管的壁厚毫米值；

(2)钢管出淬火炉后进行水淬处理，淬火方式采用外淋、内喷、管子旋转的方式水冷，控制水量和水温为确保钢管在30秒钟之内从奥氏体状态冷却到室温；

(3)经过淬火后的钢管进入步进式回火炉，回火炉加热温度520℃～580℃，钢管入炉后在炉内的总时间为60+4.5t分钟，其中t为该钢管的壁厚毫米值；

(4)钢管出回火炉后进入矫直机架热矫直，控制钢管运行速度，确保矫直温度在400～450℃，出矫直机架后钢管空冷至室温。