CN101994061A - 一种石油套管用钢及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种石油套管用钢及其制造方法。该发明化学成分为：碳：0.16～0.21wt％；硅：0.10～0.40wt％；锰：0.60wt％～1.20wt％；铌：≤0.04wt％；钛：0.010～0.020wt％；Cr：0.30～0.40wt％；磷：≤0.020wt％；硫：≤0.008wt％；铝：0.02～0.06wt％；其它为铁和不可避免的微量杂质。生产工艺步骤：：铁水预处理→转炉炼钢→LF炉精炼→板坯浇注→钢坯精整→入库、检验→加热炉加热→控制轧制→控制冷却→卷取→检查、入库。采用本发明生产的石油套管用钢热轧板卷，降低了生产成本，且力学性能稳定，焊接使用性能优良。

Description

一种石油套管用钢及其制造方法

所属领域

本发明涉及一种石油套管用钢及其制造方法，特别涉及低成本、高品质石油套管用热轧带钢及其生产。

背景技术

石油勘探开发的钻井作业必须钻杆，固井必须套管，采油必须油管，套管、油管及钻杆、方钻杆、钻铤统称为油井管。根据统计数据，每钻进一米，约需油井管62Kg，其中套管48Kg、油管10Kg、钻杆3Kg，钻铤0.5Kg，可见套管用量在油井管中的地位。2007年我国油井管生产能力已达850万吨，实际总量达349.4万吨，其中用于表层的J55石油套管主要采用无缝钢管和直缝焊(ERW)钢管，尤其近年来随着我国新上热连轧的发展、TMCP(热机械轧制)控制和ERW焊接技术的进步，采用热轧板卷经ERW焊接制造的J55焊管替代传统的无缝钢管成为近来的发展趋势。

J55石油套管属于API SPEC 5CT标准，该标准允许J55制造方法既可以为无缝管，也可以为ERW焊管。要求J 55拉伸性能屈服强度：379～552MPa，抗拉强度：≥517MPa；对J55成分设计只规定了P(≤0.030)和S(≤0.030)的上限，其它成分未规定。

与传统无缝钢管相比，采用ERW焊接技术制造的J55焊管具有壁厚均匀、尺寸精度高、圆度好和价格低廉的优势。因此，国内油井表层套管J55级别几乎全部采用热轧板卷经ERW焊接成型，只有少量有特殊要求的油井采用J55无缝钢管。目前国内大钢厂大部分都能够生产J55石油套管用热轧板卷，申请的专利技术也较多，包括上海梅山钢铁股份有限公司申请一种低成本的石油套管用钢及其生产方法，申请号为20061014726.4；莱芜钢铁集团有限公司申请的高强韧性J55石油套管用钢带及其制造方法，申请号为200710115849.3；唐山钢铁股份有限公司申请的直缝焊石油套管用热轧板卷及其生产方法，申请号为200710061696.9；唐山建龙实业有限公司申请的制造J55级焊接石油套管的低合金高强度钢，申请号为200610048352.X；广州珠江钢铁有限责任公司申请的一种基于电炉薄板坯连铸连轧流程生产J55钢级石油套管用钢的方法，申请号为200610035802.1。以上申请专利实施化学成分如表1所示，成分体系几乎全部为C-Mn-Nb-Ti体系，未添加Cr合金元素。

表1.已申请石油套管J55用钢化学成分，wt％

另外国内几大钢厂，如宝钢、武钢、鞍钢、太钢、马钢和济钢也大批量生产J55石油套管用钢，采用的成分体系为C-Mn-Nb-Ti体系，Nb添加量为0.015～0.04％之间。

近来由于市场形势变化，一方面国内钢材严重过剩，急需开发国外市场，满足用户的多样性需求；另一方面，钢铁原材料价格，尤其锰铁和铌铁合金价格大幅度上涨。基于此，需要优化石油套管用钢的成分设计，降低合金成本，进一步提高市场竞争力。

发明内容：

本发明的目的是提供一种石油套管用钢及其制造方法，解决现有技术中合金成分设计体系单一，合金成本高的问题。

本发明的技术解决方案是：一种石油套管用钢，其特征在于，化学成分为：碳：0.16～0.21wt％；硅：0.10～0.40wt％；锰：0.60wt％～1.20wt％；铌：≤0.04wt％；钛：0.010～0.020wt％；Cr：0.30～0.40wt％；磷：≤0.020wt％；硫：≤0.008wt％；铝：0.02～0.06wt％；其它为铁和不可避免的微量杂质。

本发明的思路是：

(1)添加0.3～0.4％的Cr，替代部分Mn合金。利用Cr合金具有Mn合金相近的固溶强化效果，提高强韧性。同时，为了降低碳当量和合金成本，相应降低Mn合金添加量。

(2)添加0.3～0.4％的Cr，替代部分Nb合金。Cr合金增加淬透性，具有与固溶Nb增加淬透性，降低γ→α相变温度相同的强化效果。另外，Nb微合金在我国属于稀缺资源，需要大量进口，且价格昂贵。添加一定量的Cr合金，利用Cr合金的固溶强化效果和淬透性，可以部分替代微合金Nb添加量，降低生产成本。

本发明成分设计主要添加元素的作用和强化机理如下：

碳：钢中最经济、最基本的强化元素，通过固溶强化和析出强化显著提高钢的强度，尤其是抗拉强度，但C含量的增加显著降低钢的延性、韧性和焊接性能。同时，对于套管需要考虑接头接箍的机加工要求，本发明专利碳含量目标为0.16～0.21％。

锰：通过固溶强化提高钢的强度；其次Mn扩大相区，降低γ→α相变温度，有助于获得细小的相变产物，提高强韧性。但对于含有较高碳含量(0.16～0.21％)的产品，Mn添加量需要考虑对焊接性能的影响，一般Mn添加量不大于1.5％。本发明专利Mn添加量为0.60～1.20％。

铌：Nb微合金细晶强化效果显著，可以同时提高强韧性，是现代微合金高强度钢最基本的添加元素。同时，添加一定量的Nb微合金对于抑制ERW焊缝、热区的晶粒长大，提高焊接和热区的强韧性有显著效果。本发明专利Nb微合金添加量为≤0.04％，厚度小于10mm，Nb添加量为0.015％，厚度≥10mm的J55热轧板卷，Nb添加量为0.020％。

钛：首先Ti能够固N，改善低温冲击韧性；其次是在板坯连铸过程中形成的TiN可以有效阻碍再加热过程中奥氏体晶粒长大，提高强韧性；另外TiN改善焊接热影响区的冲击韧性。本发明Ti添加量为0.010～0.020％。

铬：首先Cr具有显著的固溶强化效果，可以弥补由于C、Mn降低引起的强度下降，尤其抗拉强度降低；其次Cr提高淬透性，降低γ→α相变温度，可以获得细小的相变产物，提高强韧性。本发明Cr添加量为0.35％，尤其适用于厚规格J55热轧板卷。

硫、磷：是钢中不可避免的杂质元素，希望尽可能的低。目前通过炉外精炼和Ca处理控制技术，一方面S可以控制为小于80ppm，一方面可以把硫化物夹杂变为不易变形的球状。磷的主要害处是偏析严重。本发明S的含量控制为≤0.0080％；P的含量控制为≤0.020％。

本发明一种石油套管用钢的制造方法，工艺为：1)炼钢工艺路线：铁水预处理→转炉炼钢→LF炉精炼→板坯浇注→钢坯精整→入库；LF精炼进行Ca处理夹杂物变性；

2)轧钢工艺路线：加热炉加热→控制轧制→控制冷却→卷取→检验、入库；加热温度：1160～1260℃；粗轧终止温度：920～1020℃；精轧终止温度：780～860℃；精轧总变形量大于75％；卷取温度：560～640℃。

根据本发明所述的生产方法生产的石油套管用钢热轧板卷力学性能要求如下：

1)拉伸性能

Rt0.5：380～520MPa，Rm：≥517，A％≥21

2)180°横向d＝2a冷弯试验不开裂。

3)V型缺口冲击性能

试验温度：-10℃，10×10×55mm，V型缺口试样的冲击功平均值≥30J，剪切面积100％。

4)硬度试验：HV10≤230

5)金相组织：晶粒度为10级或更细。

本发明生产的添加Cr合金的石油套管用钢，部分替代锰合金和铌合金，一方面优化了石油套管用钢的成分设计，满足了石油套管用钢的性能要求，降低了市场风险；另一方面降低了合金成本，提高了市场竞争力。

具体实施方式

工艺路线：铁水预处理→转炉炼钢→LF炉精炼→板坯浇注→钢坯精整→入库、检验→加热炉加热→控制轧制→控制冷却→卷取→检查、入库。

实际冶炼化学成分如表2所示，具体轧钢工艺参数如表3所示，表4为力学性能检验结果。

表2.含Cr石油套管J55用钢热轧板卷化学成分，wt％

表3.含Cr石油套管J55用钢热轧板卷轧钢工艺参数

表4.含Cr石油套管J55用钢热轧板卷力学性能检验结果

采用本发明生产的含Cr石油套管J55用钢热轧板卷金相组织为铁素体+珠光体组织，晶粒度为11级，带状为1.5级。

采用本发明，生产含Cr石油套管J55用钢热轧板卷15219吨，出口到欧洲某管厂。据用户反映，与传统合金成分体系相比，新成分体系的J55石油套管用钢制管后力学性能稳定，焊接使用性能优良。与国内申请专利J55用钢相比，添加0.30～0.40％的Cr合金替代部分昂贵合金Nb和Mn合金，吨钢合金成本降低40元。

Claims (2)

1.一种石油套管用钢，其特征在于，化学成分为：碳：0.16～0.21wt％；硅：0.10～0.40wt％；锰：0.60％～1.20wt％；铌：≤0.04wt％；钛：0.010～0.020wt％；Cr：0.30～0.40wt％；磷：≤0.020wt％；硫：≤0.008wt％；铝：0.02～0.06wt％；其它为铁和不可避免的微量杂质。

2.一种权利要求1所述的石油套管用钢的制造方法，工艺为：

1)炼钢工艺路线：铁水预处理→转炉炼钢→LF炉精炼→板坯浇注→钢坯精整→入库；LF精炼进行Ca处理夹杂物变性；

2)轧钢工艺路线：加热炉加热→控制轧制→控制冷却→卷取→检验、入库；加热温度：1160～1260℃；粗轧终止温度：920～1020℃；精轧终止温度：780～860℃；精轧总变形量大于75％；卷取温度：560～640℃。