CN102367560A - 一种高强度耐腐蚀直缝焊管用钢及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种石油套管用钢及其制造方法，是一种高强度耐腐蚀直缝焊管用钢及其制造方法，按重量百分比包括以下成分：C：0.09～0.14%，Mn：1.35～1.55%，Si：0.10～0.20%，P：≤0.012%，S：≤0.003%，Nb：0.040～0.055%，V：0.02～0.04%，Cr：0.050～0.075%，Mo：0.020～0.030%，Ni：0.035～0.050%，Ti：0.02～0.04%，Alt：0.020～0.045%，N：0.001～0.0015%，余量为Fe及不可避免的杂质。本发明通过高纯净冶炼工艺(S、P与N的控制)、过热度控制在15℃以下；轧制采用奥氏体再结晶区和未再结晶区两阶段控制轧制；控冷并卷曲。本发明所述方法采用微合金元素设计，不仅有利于加快生产节奏，也可以省去传统的调质处理；提高其使用强度；并有效地解决直缝焊管的耐蚀性与焊接性。
Description
技术领域
本发明涉及一种石油套管用钢及其制造方法，具体的说是一种高强度耐腐蚀直缝焊管用钢及其制造方法。
背景技术
我国石油套管目前绝大部分使用的是无缝钢管，但其有着很多的使用缺点：力学性能较差、成本高、偏心、圆度误差大、壁厚不均匀、管内壁质量不佳等一系列问题，生产高强度大口径钢管的质量也难以得到保证。相比之下，直缝电阻焊管是采用高频电阻焊，该技术具有生产效率高、制造成本低、力学强度优良和钢管尺寸精度高等优点，得到很大的关注。目前直缝电阻焊管的使用越来越广泛，它是国外70年代末期开发并逐步成熟起来的一种新型管材，以其品质优良而在越来越多的领域取代无缝套管。我国直焊缝管的生产以前一直是空白，而直焊缝管的实际使用则已有10多年的历史。传统的直缝焊管用钢在焊接方面有着明显的缺点，且强度级别较低；另外传统的石油套管用钢在轧后多采用调质热处理工艺，这样不仅工艺繁琐，而且加大了生产成本；另外作为石油套管用钢，对其冶炼水平有着极高的要求。
发明内容
本发明的目的是：提供一种高强度耐腐蚀直缝焊管用钢及其制造方法，达到强度和韧性相匹配的条件下，使焊管的焊接性能得到保证，在中厚板卷轧机上采用控轧控冷工艺生产出高强度耐腐蚀直缝焊管用钢。
本发明实现以上发明目的的技术方案是：
一种高强度耐腐蚀直缝焊管用钢，按重量百分比包括以下成分：C：0.09～0.14%，Mn：1.35～1.55%，Si：0.10～0.20%，P：≤0.012%，S：≤0.003%，Nb：0.040～0.055%，V：0.02～0.04%，Cr：0.050～0.075%，Mo：0.020～0.030%，Ni：0.035～0.050%，Ti：0.02～0.04%，Alt：0.020～0.045%，N：0.001～0.0015%，余量为Fe及不可避免的杂质。
本发明化学成分的设计依据是：
C是低碳钢的传统强化元素，显著地影响所有的相变过程和最终的组织和力学性能及钢板的焊接性能。含C量增加、抗拉强度增加，但塑性下降。但考虑到焊接性等要求，限制C含量在0.15%以下。
Mn在钢中可降低γ→α 相变温度，推迟奥氏体相变，减少珠光体量和细化铁素体晶粒尺寸，高锰可促进针状铁素体形核。高的Mn/C是提高强度同时获得好的韧性的有效方法。钢的强度随Mn的含量增加而提高，但超出一定范围时，韧性会降低。而且随着钢中锰含量的增加，钢的抗HIC 性能将恶化。因此该钢选择的Mn含量在1.35～1.50%。
Si元素容易偏聚于晶界，降低晶界表面能，使钢产生沿晶断裂。此外，加热时当Si的含量大于0.22%，就会容易在基体与氧化铁皮界面处生成尖晶橄榄石（Fe2SiO4），使钢板的氧化铁皮难以除去。因此，硅含量应尽量控制在0.10～0.20%的范围内。
Mo能推迟网状铁素体的形成，有利于提高钢的淬透性。钢种含有一定量的Mo元素，有利于保持钢的高强度高韧性，并可降低钢的屈强比，保持塑性不变。Mo元素具有的这些作用，使其成为生产油套管钢不可缺少的合金元素，但实际生产中Mo的价格较昂贵，考虑成本因素，将其添加量控制在0.3%以下。
Cr 是奥氏体稳定化元素，尤其中温范围稳定作用更为强烈，当Cr和Mn配合时可强烈地阻碍贝氏体转变，降低贝氏体转变温度。此外，Cr是中强碳化物形成元素，它与C原子有较强的亲和力，可阻碍碳原子的扩散，加上Mo增加稳定性的综合作用，显著提高钢的淬透性，强烈推迟珠光体转变。其中铬对珠光体转变的推迟作用远小于对贝氏体转变的影响，铬含量越高贝氏体转变孕育的时间越长。而且Cr元素还能提高钢的耐腐蚀性。所以Cr的含量可控制在0.50～0.75%。
V是钢中的强化元素。V在奥氏体中析出可阻止晶粒长大和奥氏体再结晶，从而细化晶粒；通过V在奥氏体相中析出可以起到显著的析出强化作用；同时V在奥氏体相中固溶可延缓珠光体转变。此外结合控制轧制充分发挥V的作用，可使钢的强度明显提高。钒能显著地改善低碳合金钢的焊接性能。在Nb、V和Ti共存的情况下，适当的钒含量对提高和焊缝韧性具有良好的作用。所以V的含量可控制在0.02～0.04%。
Nb在钢中最重要的作用是延迟奥氏体的再结晶过程，提高再结晶温度。它是通过高温固溶于奥氏体中的微合金原子和高温轧制过程中应变诱导析出的Nb(CN)等沉淀质点来抑制奥氏体的再结晶过程，选择的Nb含量在0.040～0.055%，主要是与Ti结合成TiN细小颗粒，来提高后续焊管焊接性能。
Ti在钢中由于可以细化晶粒和固定碳和氮，对提高钢的强度和焊接性有利，其含量控制在0.02～0.04%。
Ni为提高钢的塑性和韧性，特别是低温韧性，为主要奥氏体形成元素并改善钢的耐蚀性能，其含量控制在0.35～0.50%。
高强度耐腐蚀直缝焊管用钢的制备方法，包括：
冶炼：经过铁水预处理、炉外精炼和连铸，入炉铁水S含量低于0.003%，RH真空处理时间不小于10小时；对于P、S的控制进行监测：P：≤0.010%，S：≤0.003%；对于五害元素的控制：[As]+[Sn]+[Pb]+[Sb]+[Bi]≤0.045%～0.050%；连铸时过热度小于15℃，以减轻板坯的中心偏析程度；
轧制：具有以上化学成分的连铸坯料加热，加热温度为1240±20℃，保温时间为230～260min，出炉温度为1200～1220℃；轧制采用奥氏体再结晶区和奥氏体未再结晶区两阶段控制轧制，粗轧总压下率70%，终轧温度1030～1060℃；精轧的开轧温度为950～980℃，终轧温度为870～910℃；
轧后冷却：采用层流冷却，终冷温度650～700℃，卷曲温度为550～600℃，冷却速率15～25℃/s。
本发明进一步限定的技术方案是：
前述的高强度耐腐蚀直缝焊管用钢，按重量百分比包括以下成分：C：0.14%，Mn：1.48%，Si：0.19%，P：0.011%，S：0.002%，Nb：0.045%，V：0.026%，Cr：0.058%，Mo：0.020%，Ni：0.038%，Ti：0.028%，Alt：0.020%，N：0.001%，余量为Fe及不可避免的杂质。
前述的高强度耐腐蚀直缝焊管用钢，按重量百分比包括以下成分：C：0.10%，Mn：1.54%，Si：0.15%，P：0.012%，S：0.001%，Nb：0.046%，V：0.027%，Cr：0.069%，Mo：0.028%，Ni：0.047%，Ti：0.032%，Alt：0.035%，N：0.0012%，余量为Fe及不可避免的杂质。
前述的高强度耐腐蚀直缝焊管用钢，按重量百分比包括以下成分：C：0.11%，Mn：1.46%，Si：0.17%，P：0.009%，S：0.001%，Nb：0.045%，V：0.039%，Cr：0.067%，Mo：0.025%，Ni：0.039%，Ti：0.031%，Alt：0.045%，N：0.0013%，余量为Fe及不可避免的杂质。
前述的高强度耐腐蚀直缝焊管用钢，按重量百分比包括以下成分：C：0.11%，Mn：1.50%，Si：0.20%，P：0.009%，S：0.003%，Nb：0.044%，V：0.036%，Cr：0.065%，Mo：0.028%，Ni：0.041%，Ti：0.027%，Alt：0.030%，N：0.0014%，余量为Fe及不可避免的杂质。
前述的高强度耐腐蚀直缝焊管用钢，按重量百分比包括以下成分：C：0.13%，Mn：1.55%，Si：0.17%，P：0.010%，S：0.002%，Nb：0.047%，V：0.032%，Cr：0.070%，Mo：0.022%，Ni：0.037%，Ti：0.028%，Alt：0.025%，N：0.0015%，余量为Fe及不可避免的杂质。
本发明的有益效果是：⑴本发明的高强度耐腐蚀直缝焊管用钢，通过合理的成分设计，采用适当的控轧控冷工艺，适合推广应用，且生产工艺简便；⑵本发的高强度耐腐蚀直缝焊管用钢轧后省去调质处理工序，节省能源，降低了生产成本；⑶本发的高强度耐腐蚀直缝焊管用钢的综合性能为：屈服强度ReL： 635～685MPa，抗拉强度Rm ：742～793MPa，屈强比：0.856～0.870，断后伸长率δ≥25%，0℃冲击功Akv ≥78J；⑷本发明的高强度耐腐蚀直缝焊管用钢具有高强度以及良好的耐腐蚀性与焊接性能。
附图说明
图 1是实施例1钢板卷曲后的金相组织。
图2是实施例1进行应力腐蚀的形貌图。
图3是实施例1进行HIC试验的形貌图。
具体实施方式
实施例1
本实施例的高强度耐腐蚀直缝焊管用钢，按重量百分比包括以下成分：C：0.14%，Mn：1.48%，Si：0.19%，P：0.011%，S：0.002%，Nb：0.045%，V：0.026%，Cr：0.058%，Mo：0.020%，Ni：0.038%，Ti：0.028%，Alt：0.020%，N：0.001%，余量为Fe及不可避免的杂质。
高强度耐腐蚀直缝焊管用钢的制备方法，包括：
冶炼：经过铁水预处理、炉外精炼和连铸，入炉铁水S含量低于0.003%，RH真空处理时间不小于10小时；对于P、S的控制进行监测：P：0.011%，S：0.002%；对于五害元素的控制：[As]+[Sn]+[Pb]+[Sb]+[Bi]：0.045%；连铸时过热度14℃，以减轻板坯的中心偏析程度；
轧制：具有以上化学成分的连铸坯料加热，加热温度为1220℃，保温时间为230min，出炉温度为1200℃；轧制采用奥氏体再结晶区和奥氏体未再结晶区两阶段控制轧制，粗轧总压下率70%，终轧温度1030℃；精轧的开轧温度为950℃，终轧温度为870℃；
轧后冷却：采用层流冷却，终冷温度650℃，卷曲温度为550℃，冷却速率15℃/s。
图 1是实施例1钢板卷曲后的金相组织，由图1可看出主要是板条贝氏体和针状及多边形铁素体组织。图2是实施例1进行应力腐蚀的形貌图，由图2可知，无断裂现象。图3是实施例1进行HIC试验的形貌图，由图3可知，无鼓泡现象。
实施例2
本实施例的高强度耐腐蚀直缝焊管用钢，按重量百分比包括以下成分：C：0.10%，Mn：1.54%，Si：0.15%，P：0.012%，S：0.001%，Nb：0.046%，V：0.027%，Cr：0.069%，Mo：0.028%，Ni：0.047%，Ti：0.032%，Alt：0.035%，N：0.0012%，余量为Fe及不可避免的杂质。
高强度耐腐蚀直缝焊管用钢的制备方法，包括：
冶炼：经过铁水预处理、炉外精炼和连铸，入炉铁水S含量低于0.003%，RH真空处理时间不小于10小时；对于P、S的控制进行监测：P：0.012%，S：0.001%；对于五害元素的控制：[As]+[Sn]+[Pb]+[Sb]+[Bi]：0.047%；连铸时过热度13℃，以减轻板坯的中心偏析程度；
轧制：具有权利要求1所述化学成分的连铸坯料加热，加热温度为1240℃，保温时间为240min，出炉温度为1210℃；轧制采用奥氏体再结晶区和奥氏体未再结晶区两阶段控制轧制，粗轧总压下率70%，终轧温度1040℃；精轧的开轧温度为960℃，终轧温度为890℃；
轧后冷却：采用层流冷却，终冷温度670℃，卷曲温度为5700℃，冷却速率18℃/s。
实施例3
本实施例的高强度耐腐蚀直缝焊管用钢，按重量百分比包括以下成分：C：0.11%，Mn：1.46%，Si：0.17%，P：0.009%，S：0.001%，Nb：0.045%，V：0.039%，Cr：0.067%，Mo：0.025%，Ni：0.039%，Ti：0.031%，Alt：0.045%，N：0.0013%，余量为Fe及不可避免的杂质。
高强度耐腐蚀直缝焊管用钢的制备方法，包括：
冶炼：经过铁水预处理、炉外精炼和连铸，入炉铁水S含量低于0.003%，RH真空处理时间不小于10小时；对于P、S的控制进行监测：P：0.009%，S：0.001%；对于五害元素的控制：[As]+[Sn]+[Pb]+[Sb]+[Bi]：0.048%；连铸时过热度12℃，以减轻板坯的中心偏析程度；
轧制：具有权利要求1所述化学成分的连铸坯料加热，加热温度为1250℃，保温时间为245min，出炉温度为1215℃；轧制采用奥氏体再结晶区和奥氏体未再结晶区两阶段控制轧制，粗轧总压下率70%，终轧温度1045℃；精轧的开轧温度为970℃，终轧温度为900℃；
轧后冷却：采用层流冷却，终冷温度680℃，卷曲温度为585℃，冷却速率21℃/s。
实施例4
本实施例的高强度耐腐蚀直缝焊管用钢，按重量百分比包括以下成分：C：0.11%，Mn：1.50%，Si：0.20%，P：0.009%，S：0.003%，Nb：0.044%，V：0.036%，Cr：0.065%，Mo：0.028%，Ni：0.041%，Ti：0.027%，Alt：0.030%，N：0.0014%，余量为Fe及不可避免的杂质。
高强度耐腐蚀直缝焊管用钢的制备方法，包括：
冶炼：经过铁水预处理、炉外精炼和连铸，入炉铁水S含量低于0.003%，RH真空处理时间不小于10小时；对于P、S的控制进行监测：P：0.009%，S：0.003%；对于五害元素的控制：[As]+[Sn]+[Pb]+[Sb]+[Bi]：0.049%；连铸时过热度13℃，以减轻板坯的中心偏析程度；
轧制：具有权利要求1所述化学成分的连铸坯料加热，加热温度为1255℃，保温时间为255min，出炉温度为1217℃；轧制采用奥氏体再结晶区和奥氏体未再结晶区两阶段控制轧制，粗轧总压下率70%，终轧温度1055℃；精轧的开轧温度为975℃，终轧温度为900℃；
轧后冷却：采用层流冷却，终冷温度685℃，卷曲温度为590℃，冷却速率23℃/s。
实施例5
本实施例的高强度耐腐蚀直缝焊管用钢，按重量百分比包括以下成分：C：0.13%，Mn：1.55%，Si：0.17%，P：0.010%，S：0.002%，Nb：0.047%，V：0.032%，Cr：0.070%，Mo：0.022%，Ni：0.037%，Ti：0.028%，Alt：0.025%，N：0.0015%，余量为Fe及不可避免的杂质。
高强度耐腐蚀直缝焊管用钢的制备方法，包括：
冶炼：经过铁水预处理、炉外精炼和连铸，入炉铁水S含量低于0.003%，RH真空处理时间不小于10小时；对于P、S的控制进行监测：P：0.010%，S：0.002%；对于五害元素的控制：[As]+[Sn]+[Pb]+[Sb]+[Bi]：0.050%；连铸时过热度12℃，以减轻板坯的中心偏析程度；
轧制：具有权利要求1所述化学成分的连铸坯料加热，加热温度为1260℃，保温时间为260min，出炉温度为1220℃；轧制采用奥氏体再结晶区和奥氏体未再结晶区两阶段控制轧制，粗轧总压下率70%，终轧温度1060℃；精轧的开轧温度为980℃，终轧温度为910℃；
轧后冷却：采用层流冷却，终冷温度700℃，卷曲温度为600℃，冷却速率25℃/s。
按国标对各实施例钢板进行力学性能检测结果如表1所示：
表1 实施例试验钢的力学性能
| 试样编号 | ReL/MPa | Rm/MPa | 屈强比ReL/ Rm | δ/% | Akv(0℃纵向)/J |
| 实施例1 | 685 | 793 | 0.864 | 25 | 82 |
| 实施例2 | 635 | 742 | 0.856 | 30 | 111 |
| 实施例3 | 647 | 752 | 0.860 | 27 | 106 |
| 实施例4 | 652 | 754 | 0.867 | 27 | 98 |
| 实施例5 | 677 | 778 | 0.870 | 28 | 92 |
除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。
Claims (8)
1.一种高强度耐腐蚀直缝焊管用钢，其特征在于：按重量百分比包括以下成分：C：0.09～0.14%，Mn：1.35～1.55%，Si：0.10～0.20%，P：≤0.012%，S：≤0.003%，Nb：0.040～0.055%，V：0.02～0.04%，Cr：0.050～0.075%，Mo：0.020～0.030%，Ni：0.035～0.050%，Ti：0.02～0.04%，Alt：0.020～0.045%，N：0.001～0.0015%，余量为Fe及不可避免的杂质。
2.如权利要求1所述的高强度耐腐蚀直缝焊管用钢，其特征在于：按重量百分比包括以下成分：C：0.14%，Mn：1.48%，Si：0.19%，P：0.011%，S：0.002%，Nb：0.045%，V：0.026%，Cr：0.058%，Mo：0.020%，Ni：0.038%，Ti：0.028%，Alt：0.020%，N：0.001%，余量为Fe及不可避免的杂质。
3.如权利要求1所述的高强度耐腐蚀直缝焊管用钢，其特征在于：按重量百分比包括以下成分：C：0.10%，Mn：1.54%，Si：0.15%，P：0.012%，S：0.001%，Nb：0.046%，V：0.027%，Cr：0.069%，Mo：0.028%，Ni：0.047%，Ti：0.032%，Alt：0.035%，N：0.0012%，余量为Fe及不可避免的杂质。
4.如权利要求1所述的高强度耐腐蚀直缝焊管用钢，其特征在于：按重量百分比包括以下成分：C：0.11%，Mn：1.46%，Si：0.17%，P：0.009%，S：0.001%，Nb：0.045%，V：0.039%，Cr：0.067%，Mo：0.025%，Ni：0.039%，Ti：0.031%，Alt：0.045%，N：0.0013%，余量为Fe及不可避免的杂质。
5.如权利要求1所述的高强度耐腐蚀直缝焊管用钢，其特征在于：其特征在于：按重量百分比包括以下成分：C：0.11%，Mn：1.50%，Si：0.20%，P：0.009%，S：0.003%，Nb：0.044%，V：0.036%，Cr：0.065%，Mo：0.028%，Ni：0.041%，Ti：0.027%，Alt：0.030%，N：0.0014%，余量为Fe及不可避免的杂质。
6.如权利要求1所述的高强度耐腐蚀直缝焊管用钢，其特征在于：按重量百分比包括以下成分：C：0.13%，Mn：1.55%，Si：0.17%，P：0.010%，S：0.002%，Nb：0.047%，V：0.032%，Cr：0.070%，Mo：0.022%，Ni：0.037%，Ti：0.028%，Alt：0.025%，N：0.0015%，余量为Fe及不可避免的杂质。
7.如权利要求1—6中任一权利要求所述的高强度耐腐蚀直缝焊管用钢，其特征在于：屈服强度ReL：635～685MPa，抗拉强度Rm ：742～793MPa，屈强比：0.856～0.870，断后伸长率δ≥25%，0℃冲击功Akv ≥78J。
8.制备权利要求1所述高强度耐腐蚀直缝焊管用钢的方法，其特征在于：包括：
冶炼：经过铁水预处理、炉外精炼和连铸，入炉铁水S含量低于0.003%，RH真空处理时间不小于10小时；对于P、S的控制进行监测：P：≤0.010%，S：≤0.003%；对于五害元素的控制：[As]+[Sn]+[Pb]+[Sb]+[Bi]≤0.045%～0.050%；连铸时过热度小于15℃，以减轻板坯的中心偏析程度；
轧制：具有权利要求1所述化学成分的连铸坯料加热，加热温度为1240±20℃，保温时间为230～260min，出炉温度为1200～1220℃；轧制采用奥氏体再结晶区和奥氏体未再结晶区两阶段控制轧制，粗轧总压下率70%，终轧温度1030～1060℃；精轧的开轧温度为950～980℃，终轧温度为870～910℃；
轧后冷却：采用层流冷却，终冷温度650～700℃，卷曲温度为550～600℃，冷却速率15～25℃/s。
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2011
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