CN101906586A - 一种高强度直缝焊管用钢及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高强度直缝焊管用钢及其制造方法，钢的化学成分的重量百分比为：C：0.15％-0.20％，Si：0.10％-0.30％，Mn：1.40％-1.60％，P：≤0.020％，S：≤0.008％，Ti：0.008％-0.030％，Als：0.02％-0.05％，Cr：0.20％-0.30％，N：≤0.008％，其余为Fe和不可避免杂质。其制造方法包括连铸板坯经加热炉加热至1200-1300℃，随后经热连轧机组采用两阶段控制轧制，第一阶段开轧温度为1250±30℃，终轧温度大于1020℃，第二阶段开轧温度小于970℃，终轧温度为800-860℃，随后轧后板卷以15-20℃/s的速度进行快速冷却，在500-570℃温度进行板卷卷取。本发明解决现有技术中添加贵重合金元素，生产成本高；制管后整管热处理的工艺复杂，碳含量高时板卷冲击韧性偏低，碳含量过低时钢管管端车丝性能不好等问题。

Description

一种高强度直缝焊管用钢及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种石油套管用钢及其制造方法，特别是涉及一种高强度直缝电阻焊(ERW)石油套管用钢及其制造方法，石油套管用钢强度可达API Spec5CT标准中N80钢级。

背景技术

石油套管是油田最常用的石油专用管材之一，是油气田钻采作业中必不可少的施工材料，在油气田生产开发过程中占有非常突出的地位。

API Spec 5CT标准规定，可以采用无缝管和ERW直缝焊管制造石油套管。ERW石油套管，又称高频直缝电阻焊套管。具有壁厚均匀、尺寸精度高、射孔性能好、抗挤毁能力强、成本低等显著优势，可以替代同钢级无缝套管在油田使用。

直缝焊石油套管传统的生产工艺是：根据石油套管性能的需要，设计合适的化学成分，冶炼并轧制成热轧板卷，将板卷通过成型和直缝电阻焊方式制成焊管，对焊管焊缝或焊管整体进行热处理，并对管端进行适当的螺纹加工，最终生产出合格的石油套管。

按API Spec 5CT标准规定，上述N80钢级石油套管管体的屈服强度为552～785MPa，抗拉强度≥689MPa。考虑到制管成型的加工硬化作用和包辛格效应，供N80钢级石油套管用热轧卷板的屈服强度应控制为560～700MPa，抗拉强度≥690MPa。

为得到这种高强度N80钢级石油套管钢，从成分设计角度考虑，一般应采用高碳当量的碳锰钢。比如N80钢级无缝管，国际上基本采用含0.41％C，1.6％Mn的42Mn2V材料。但直缝焊管生产还必须考虑两个卷板头尾之间采用CO₂气体保护焊对接，以实现多卷热轧板卷连续成形焊接生产。因此，直缝焊管用钢生产应采用在较低碳当量条件下获得高强度。

目前国内外公开的资料有宝钢研制出N80钢级石油套管用钢(公开号CN101096737A)，其成分设计见表1。

表1 宝钢N80成分设计(wt，％)

其工艺为，钢水经转炉或电炉冶炼，并浇铸制成板坯。板坯经1200-1300℃加热后轧成板带，板带的终轧温度在800-900℃之间，轧后板带经层流冷却到500-600℃卷取成板卷，生产出供制造N80焊管用的热轧板卷。

此专利的成分设计中，添加贵重金属Mo和V，钢厂生产成本高。在工艺上，该专利没有限制冷却速度，无法实现工艺的再现性；在性能上，由于其高C设计，板卷的韧性一般。

论文“石油套管钢N80的显微组织分析”(《焊管》第25卷第1期，2002年1月)，其N80套管钢为用武汉钢铁集团研发，具体成分见表2。

表2 武钢N80成分(wt，％)

C	Si	Mn	P	S	Ni	Cr	Cu	Nb	V	Ti	Al	Mo
													0.05	0.23	1.4	0.016	0.006	0.18	0.03	0.048	0.043	0.012	0.019	0.015	0.19

此文献的成分设计中，采用超低碳贝氏体组织设计。该成分生产N80钢，C含量过低，无法满足管厂对管端车丝的要求，容易造成粘扣，给油井使用中带来安全隐患。

日本专利1油井用直缝钢管的制造方法(公开号昭58-93821)中，其成分设计见表3。

表3 专利1成分(wt，％)

其工艺为，钢水经转炉或电炉冶炼，并浇铸制成板坯。板坯加热到1250℃以上轧制成板卷，热的板卷被卷成管状，两侧进行加热压力焊接成管。钢管经过正火或正火加回火的热处理，从而生产出满足API SPEC 5CT要求的N80焊管。

日本专利2高强度油井用钢管的制造方法(公开号昭58-199818)中，其成分设计见表4。

表4 专利2成分(wt，％)

其工艺为，钢水经转炉或电炉冶炼，并浇铸制成板坯。板坯加热到1270℃以上轧制成板卷，板卷被卷成管状，两侧进行加热焊接成管。钢管经过800-1100℃正火热处理，从而生产出满足API SPEC 5CT要求的N80焊管。

日本专利3高强度油井用钢管的制造方法(公开号昭58-199819)中，其成分设计见表5。

表5 专利3成分(wt，％)

其工艺为，钢水经转炉或电炉冶炼，并浇铸制成板坯。板坯加热到1270℃轧制成板卷，板卷被卷成管状，两侧进行加热焊接成管。钢管经过830-1100℃正火热处理，从而生产出满足API SPEC 5CT要求的N80焊管。

该3篇日本专利采用不同的合金设计，工艺上都是制管后对整管进行正火或正火加回火的热处理达到N80的性能要求。由于制管后需要整管热处理，增加了额外的工艺过程，提高了生产成本。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高强度直缝焊管用钢及其制造方法，采用焊接工艺制造API SPEC 5CT标准N80钢级石油套管用热轧板卷，特别是只需进行焊管焊缝热处理的直缝电阻焊(ERW)石油套管用热轧板卷及其制造方法。解决现有技术中添加贵重合金元素(Mo、V等)，生产成本高；制管后整管热处理的工艺复杂，碳含量高时板卷冲击韧性偏低，碳含量过低时钢管管端车丝性能不好等问题。

针对目前生产ERW-N80生产存在的技术问题，例如：宝钢公开专利成分设计中，添加贵重金属Mo和V，生产成本高。在性能上，由于其高C(0.20％-0.30％)设计，板卷的韧性一般。武钢公开文献的成分设计中，采用超低碳贝氏体组织设计，C含量过低(0.05％)，无法满足管厂对管端车丝的要求，容易造成粘扣，给油井使用中带来安全隐患。日本专利成分设计中，添加贵重金属Mo或V，生产成本高。在性能上，由于其高C(0.20％-0.30％)设计，板卷的韧性一般，且焊管后需进行整管热处理，工艺复杂，增加了生产成本。特提出本发明的技术方案。

本发明的技术方案：一种制造N80钢级直缝电阻焊(ERW)石油套管用钢，其特别之处是：化学成分配比如下：C：0.15％-0.20％，Si：0.10％-0.30％，Mn：1.40％-1.60％，P：≤0.020％，S：≤0.008％，Ti：0.008％-0.030％，Als：0.02％-0.05％，Cr：0.20％-0.30％，N：≤0.008％，其余为Fe和不可避免杂质。

与现有技术相比，本方案C含量适中，用适量Cr和微量Ti取代贵金属Mo和V，降低钢厂的生产成本，生产的板卷同时具有良好的韧性和车丝性能，板卷制管后不需要整管热处理工艺。

C：0.15％-0.20％，碳为碳化物形成元素，是保证强度的最有效元素。碳含量低于0.15％，进入包晶区，增加冶炼连铸难度。但碳含量超过0.20％，影响产品的冲击韧性和焊接性能。

Mn：1.40％-1.60％，锰具有固溶强化作用，可降低γ-α相变温度，进而细化铁素体晶粒，有效保证钢的强度。锰含量小于1.40％难以保证产品具有较高的强度和硬度，但锰含量大于1.60％可增加连铸坯的中心偏析倾向，影响热轧钢材的组织均匀性。

Cr：0.20％-0.30％，铬可通过固溶强化和晶粒细化来有助于强度的增加，晶粒细化是由转变温度降低引起的。本范围铬含量可以提高钢的强度和硬度，过低无法有效提高产品强度，过高降低塑性和韧性，显著提高钢的脆性转变温度。

Ti：0.008％-0.030％，钛是强的固氮元素，加入0.015％左右Ti时，可在板坯连铸时形成高温稳定细小的TiN析出相，这种细小的TiN析出相可有效阻止连铸坯在加热过程中奥氏体晶粒的长大，同时对改善钢焊接时热影响区的韧性有明显作用。

Si：0.10％-0.30％，硅作为还原剂和脱氧剂，增加过热敏感性，使C曲线右移，提高淬透性，提高钢的低温回火稳定性，该元素能溶于铁素体中起固溶强化作用提高强度和硬度。但硅含量过高，会降低钢的焊接性能。含量过低无法有效提高强度和硬度。

P：≤0.020％，磷在钢中是有害元素，可溶于铁素体中，使钢的强度、硬度显著增加。但使钢脆化，产生冷脆性，使焊接性能变坏，降低塑性，使冷弯性能变坏。因此应尽量控制磷的含量处于较低的水平。

S：≤0.008％，硫在钢中是有害元素。使钢产生热脆性，降低钢的延展性和韧性，在轧制时造成裂纹。同时降低硫含量，有利于改善产品冲击韧性。所以必须严格控制硫含量小于0.008％。

Als：0.02％-0.05％，铝是钢中的脱氧剂，对钢材性能的影响，是强烈缩小γ相的元素，它与氧、氮有很大的亲和力，具有固氮作用，同时适量的酸溶铝可形成弥散细小的AlN阻止奥氏体晶粒长大，细化晶粒，提高冲击韧性。过量的铝降低钢的焊接性能。

N：≤0.008％，氮对钢有一定的危害，造成钢的时效，损害钢材的塑性、韧性、焊接性和冷成型性能，而且通常与钢的各种脆断有关。所以要控制其含量不能过高。

一种高强度N80钢级直缝电阻焊石油套管用钢的制造方法，包括铁水预处理、钢水冶炼、炉外精炼和板坯连铸、连铸坯加热、轧制、冷却、卷取和检验。其特征是：

1)冶炼连铸工艺：铁水预处理，转炉冶炼-经顶吹或顶底复合吹炼，炉外精炼-经RH真空处理、LF炉轻脱硫处理、及进行钙处理以控制夹杂物形态和提高钢的延展性、韧性和冷弯性能，板坯连铸制成连铸板坯-连铸采用电磁搅拌或动态轻压下、以提高连铸板坯的质量。

2)轧制工艺：连铸板坯经加热炉加热至1200-1300℃，随后经热连轧机组采用两阶段控制轧制，第一阶段开轧温度为1250±30℃，终轧温度大于1020℃，第二阶段开轧温度小于970℃，终轧温度为800-860℃，随后轧后板卷以15-20℃/s的速度进行快速冷却，在500-570℃温度进行板卷卷取。

本发明生产上述N80钢级热轧板卷可供制造直缝电阻焊石油套管，具有良好的强度和韧性匹配。上述板卷可采用CO₂气体保护焊方接式进行板卷头尾的对接，保证多卷连续生产。板卷经连续成形、电阻焊(ERW)制成直缝焊管，随后焊管进行在线焊缝热处理，不需要整管热处理。最后对管端进行螺纹加工，生产出合格N80钢级ERW石油套管。

本发明与表1-表5钢种相比，采用不同的合金设计。主要不同之处在于：其一，以C-Mn钢为基础，碳含量0.15％-0.20％适中，比表1、表3-5中碳含量低，而比表2中碳含量高，有效保障该钢种具有高强度、良好的韧性、焊接性能和管端车丝性能等。其二，添加0.20％-0.30％的Cr和0.008％-0.030％的Ti元素，其主要作用是通过固溶强化和晶粒细化来增加强度，保证良好的焊接性能，取代贵重合金元素(Mo或V等)，降低钢厂生产成本。

本发明生产板卷，制管后不需要进行钢管整体热处理工艺，仅需进行钢管焊缝热处理工艺。

本发明生产板卷，-10℃冲击功高于标准要求，具有更好的安全性。

本发明生产板卷制成钢管后，可实现车丝，不会发生粘扣现象，满足管厂要求和油田的使用要求。

具体实施方式

下面列举本发明的实施例，试验钢化学成分见表6，力学性能见表7。

表6 试验钢化学成分(wt，％)

实施例	C	Si	Mn	P	S	Ti	Cr	Als	N
										1	0.16	0.23	1.57	0.015	0.0038	0.021	0.26	0.022	0.0046
2	0.16	0.24	1.60	0.016	0.0062	0.030	0.24	0.026	0.0056
										3	0.17	0.22	1.40	0.008	0.0064	0.014	0.26	0.039	0.0030
4	0.18	0.20	1.49	0.013	0.0076	0.009	0.25	0.024	0.0061

5	0.20	0.28	1.59	0.007	0.0071	0.020	0.29	0.027	0.0064
										6	0.20	0.26	1.58	0.010	0.0068	0.022	0.22	0.047	0.0061

表7 试验钢工艺和力学性能

由表7可见，采用本发明的钢种和工艺，可以生产出满足N80钢级性能要求的焊接石油套管用热轧板卷。

Claims (3)

1.一种高强度直缝焊管用钢，其特征在于化学成分的重量百分比为：C：0.15％-0.20％，Si：0.10％-0.30％，Mn：1.40％-1.60％，P：≤0.020％，S：≤0.008％，Ti：0.008％-0.030％，Als：0.02％-0.05％，Cr：0.20％-0.30％，N：≤0.008％，其余为Fe和不可避免杂质。

2.根据权利要求1所述的高强度直缝焊管用钢，其特征在于化学成分的重量百分比为：C：0.15％-0.19％，Mn：1.51％-1.60％，Ti：0.010％-0.025％，Cr：0.25％-0.30％。

3.一种用于权利要求1或2所述的高强度直缝焊管用钢的制造方法，包括铁水预处理、钢水冶炼、炉外精炼和板坯连铸、连铸板坯加热、轧制、冷却、卷取，其特征在于连铸板坯经加热炉加热至1200-1300℃，随后经热连轧机组采用两阶段控制轧制，第一阶段开轧温度为1250±30℃，终轧温度大于1020℃，第二阶段开轧温度小于970℃，终轧温度为800-860℃，随后轧后板卷以15-20℃/s的速度进行快速冷却，在500-570℃温度进行板卷卷取。