CN102373368A

CN102373368A - 一种石油套管用钢及其制造方法

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Publication number: CN102373368A
Application number: CN201010260439XA
Authority: CN
Inventors: 史宏德; 田青超; 叶欢; 洪辉胜
Original assignee: Baoshan Iron and Steel Co Ltd
Current assignee: Baoshan Iron and Steel Co Ltd
Priority date: 2010-08-23
Filing date: 2010-08-23
Publication date: 2012-03-14

Abstract

本发明涉及一种石油套管用钢，其成分质量百分比为：C：0.14～0.20％，Si：0.10～0.25％，Mn：0.75～1.20％，P≤0.018％，S≤0.005％，Nb：0.010～0.030％，Ti：0.008～0.025％，Ca：0.0015～0.0045％，Al：0.015～0.045％，其余为Fe和不可避免的杂质。该石油套管用钢的制造方法，包括：转炉冶炼，炉外精炼，并经钙处理后浇铸制成板坯；板坯经1100～1250℃加热后轧成板带，壁厚控制在-5％T～+10％T；板带的终轧温度在800℃以上；轧后板带经层流冷却，以5～30℃/s的速度冷却到650℃以下卷取成钢卷。钢卷经成型并焊接得到的HFWJ55套管具有优异的冲击韧性。

Description

一种石油套管用钢及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种石油天然气井石油套管用钢，特别是涉及一种HFWJ55厚壁套管用钢、高频直缝焊套管及其制造方法。

背景技术

API标准规定，石油套管有无缝钢管和焊管两种类型。相对于无缝钢管而言，焊接套管的最显著特点是壁厚尺寸精度高；具有高抗挤毁性，同时还具有制造流程短生产效率高、规格范围宽、节能、生产成本低，产品性价比高等优点，因此，国外如美、德、日、韩等国普遍采用HFW焊管替代无缝钢管，国内油田也在逐步推广使用，其中，J55钢级相对于其它钢级的套管是规格最多、用量最多、使用最广泛的一个钢级。

HFWJ55套管的生产工艺流程是：炼钢→连铸→热轧→钢带剪切对焊→铣边→成型→高频焊接→超声波探伤→中频焊缝热处理→空冷/水冷→定径→飞锯→水压/通径→超声波探伤→外观尺寸检查→磁粉探伤→管加工→喷涂/标记→入库。

HFW套管是一种通过高频电流的集肤效应(Skin Effect)和临近效应(Proximity Effect)把管坯边缘加热熔化、并施以挤压而锻合的焊接方法。与其它焊接方法相比，其显著特点是无金属填充物(如焊丝)。因此，在焊接工艺稳定的情况下，焊接质量很大程度取决于钢带质量。

HFW厚壁套管在钢带成形过程中会发生较大的加工硬化，制管后制作拉伸样时又会产生包申格效应(屈服强度上、下波动)，成份设计需要考虑这二个因素。

申请号为CN200610035802.1的中国专利申请公开了一种J55石油套管用钢，其化学成份为C：0.15～0.22％，Si≤0.45％，Mn：0.70～1.60％，P≤0.025％，S≤0.020％，Nb≤0.060％，Ti：≤0.035％。该成份以碳、锰为主要强化元素，加入铌、钛微量元素。由于碳、锰含量高，中心偏析严重，加工硬化显著。加入的铌、钛元素含量较高，导致成本上升。未加钙处理，对夹杂物球化不利。较高的硫、磷含量，降低了钢液洁净度，会降低套管的冲击韧性。

申请号为CN200610048352.X的中国专利申请介绍了一种J55焊接石油套管用钢，其化学成份为C：0.16～0.21％，Si：0.10～0.35％，Mn：1.00～1.30％，P≤0.020％，S≤0.012％，V：0.020～0.070％，Al：0.008～0.060％。该专利介绍了二种成份，一种成份碳含量为0.16～0.21％，锰含量为1.00～1.30％并加入0.02～0.07％钒，不含铌。由于碳、锰含量较高，中心偏析较严重，加工硬化较显著。未加钙处理，对夹杂物球化不利。较高的硫、磷含量，降低了钢液洁净度，会降低套管的冲击韧性。

另一种成份碳含量为0.07～0.12％，锰含量1.40～1.55％，加入铌0.015～0.030％。因碳含量较低，加入较高的锰和微量铌来提高强度。由于锰含量较高，带状偏析严重。又因碳含量较低，套管会发生粘扣。未加钙处理，对夹杂物球化不利。较高的硫、磷含量，降低了钢液洁净度，会降低套管的冲击韧性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种碳、锰含量适中，加入微量铌、钛、钙，具有较高冲击韧性的HFWJ55厚壁套管用钢。

本发明的另一个目的是提供上述HFWJ55厚壁套管用钢的制造方法。

本发明还有一个目的是提供一种HFWJ55厚壁套管的制造方法。

为了达到上述目的，本发明在材料设计上通过降碳、降锰来减轻钢带中心偏析，降低加工硬化效应；加入微量铌、钛补偿因降碳、降锰而导致的强度损失，改善管加工工艺性并防止粘扣；加入微量钙可净化钢液，促使MnS球化，提高材料的冲击性能和综合性能。为此，本发明的HFWJ55厚壁套管用钢，其成分质量百分比如下：

C：0.14～0.20％，Si：0.10～0.25％，Mn：0.75～1.20％，P≤0.018％，S≤0.005％，Nb：0.010～0.030％，Ti：0.008～0.025％，Ca：0.0015～0.0045％，Al：0.015～0.045％，其余为Fe和不可避免杂质。

优选地，Si：0.15～0.25％，Nb：0.010～0.026％，Ti：0.010～0.020％，Ca：0.0015～0.0035％，Al：0.025～0.035％。优选P≤0.015％，S≤0.004％。

以下对合金成分设计机理作详细说明：

C：可以显著提高钢的强度，过高时会提高碳当量降低焊接性能，并加剧碳偏析，按重量百分比计，宜采用含量0.14～0.20％。

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，影响焊接性能，按重量百分比宜采用含量0.75～1.20％，优选为0.80～1.20％。

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，宜采用硅含量为0.10～0.25％，优选0.15～0.25％。

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，有利于提高焊缝性能，按重量百分比，宜采用含量0.010～0.030％，优选0.010～0.026％。

Ti：强碳氮化物形成元素，形成TiN、TiC可以细化奥氏体晶粒，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，有利于提高焊缝性能，按重量百分比，宜采用含量0.008～0.025％，优选0.010～0.020％。

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，按重量百分比，宜采用含量0.015～％0.045，优选0.025～0.035％。

Ca：可净化钢液，促使MnS球化，提高材料的综合性能，但含量过高时易形成粗大非金属夹杂物，宜采用含量0.0045～0.0015％，优选0.0015～0.0035％。

本发明的HFWJ55石油套管的制造方法是根据上述合金设计方案，钢水经转炉冶炼、炉外精炼，并经钙处理后浇铸制成板坯；板坯经1100～1250℃加热后轧成板带，壁厚T控制范围为-5％T～+10％T；板带的终轧温度在800℃以上，优选为800～950℃，轧后板带经层流冷却，以5～30℃/s的速度冷却到650℃以下，优选500～650℃，卷取成钢卷。钢卷经成型及在1250℃以上焊接，优选1250～1500℃焊接，然后使用中频加热对焊缝进行在线正火热处理，加热温度为850～1000℃。按上述要求可以制造出性能稳定的、符合API标准的、高冲击韧性的HFWJ55厚壁套管。

本发明合金成分碳、锰含量适中，加入微量铌，组织和强度均满足API标准并具有很高的冲击韧性。由于HFW焊接套管生产效率高且材料合金成本低。由于HFW焊接套管生产效率高且材料合金成本低，我国有几百条HFW焊管机组，因此，本发明的技术具有重大的经济和社会效益。

具体实施方式

采用本发明成份进行三次工艺试验，化学成份(熔炼成份)结果如表1。

表1实施例的化学成份(熔炼成份)，wt％

	C	Si	Mn	P	S	Nb	Ti	Ca	T.AL
										实施例1	0.20	0.153	0.75	0.013	0.0028	0.010	0.011	0.0016	0.026
实施例2	0.165	0.185	0.91	0.011	0.0038	0.015	0.016	0.0028	0.030
										实施例3	0.14	0.241	1.19	0.012	0.0025	0.026	0.020	0.0035	0.033

以生产508×16.13(mm)规格的HFWJ55厚壁套管为例，钢水经转炉冶炼、炉外精炼和钙处理后连铸成板坯；板坯经1100～1250℃加热后轧成板带，壁厚为16.10mm；板带的终轧温度小于800～950℃，轧后板带经层流冷却，到500～650℃卷取成钢卷。钢卷经成型、1250～1500℃焊接后，使用中频加热对焊缝进行在线正火热处理，加热温度850～1000℃。J55热轧钢卷、HFW套管管体及焊缝的机械性能、冲击功见表2。

表2钢卷、管材、焊缝机械性能和冲击功

	屈服极限	抗拉极限	延伸率	夏比冲击1	夏比冲击2	夏比冲击3	备注
									Mpa	Mpa	％	J	J	J
实施例1	412	573	45	132	134	136	钢卷
								实施例1	434	550	44	190	177	184	管体
实施例1		565		205	227	168	焊缝
								实施例2	389	563	50	176	196	160	钢卷
实施例2	434	555	44	176	181	193	管体
								实施例2		560		201	208	127	焊缝
实施例3	410	574	45	162	156	159	钢卷

本发明HFW套管的管体和焊缝的晶粒度、金相组织见表3。

表3晶粒度、金相组织

试验结果：

本发明的热轧钢卷机械性能控制较好，屈服强度为389～412MPa，抗拉强度为563～574MPa，延伸率为45～47％。热轧板卷焊成套管后，管体屈服强度为434～442MPa，管体抗拉强度为550～560MPa，管体延伸率为41～44％。焊缝抗拉强度为560～565MPa。

本发明的热轧钢卷的冲击功(T-10-21)可达132～196J。HFW套管的管体冲击功(T-10-21)为176～228J，焊缝冲击功(T-10-21)为110～228J，可见冲击功较高。

本发明的HFW套管的管体晶粒度均为10.0级，焊缝晶粒度均为9.5级。管体和焊缝的金相组织均为铁素体和珠光体(F+P)。这说明本发明的HFW套管的晶粒度和金相组织都很好。

虽然以上仅通过具体实施例对本发明进行了描述，但不仅仅限于这些实施例，本领域技术人员应了解，在不脱离本发明构思的前提下，还可以有更多变化或改进的其他实施例，而这些变化和改进都属于本发明的权利要求所要求的范围。

Claims

1.一种石油套管用钢，其成分质量百分比为：C：0.14～0.20％，Si：0.10～0.25％，Mn：0.75～1.20％，P≤0.018％，S≤0.005％，Nb：0.010～0.030％，Ti：0.008～0.025％，Ca：0.0015～0.0045％，Al：0.015～0.045％，其余为Fe和不可避免的杂质。

2.如权利要求1所述的石油套管用钢，其特征在于，Si：0.15～0.25％，Nb：0.010～0.026％，Ti：0.020～0.010％，Ca：0.0035～0.0015％，Al：0.035～0.025％。

3.如权利要求1所述的石油套管用钢卷的制造方法，包括：

转炉冶炼，炉外精炼，并经钙处理后浇铸制成板坯；

板坯经1100～1250℃加热后轧成板带，壁厚控制在-5％T～+10％T；

板带的终轧温度在800℃以上；

轧后板带经层流冷却，以5～30℃/s的速度冷却到650℃以下卷取成钢卷。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，终轧温度为800～950℃。

5.如权利要求3或4所述的方法，其特征在于，轧后板带经层流冷却，冷却到550～650℃。

6.如权利要求3～5任一所述的方法，其特征在于，钢卷经成型及在1250℃以上温度焊接。

7.如权利要求3～6任一所述的方法，其特征在于，钢卷经成型及在1250～1500℃温度焊接。

8.如权利要求6或7所述的方法，其特征在于，焊接后，使用中频加热对焊缝进行在线正火热处理，加热温度为850～1000℃。

9.如权利要求3～5任一所述的方法制造的石油套管用钢卷，其屈服强度为389～412MPa，抗拉强度为563～574MPa，延伸率为45～47％；冲击功(T-10-21)为132～196J。

10.如权利要求6～8任一所述的方法制造的石油套管，其管体屈服强度为434～442MPa，管体抗拉强度为550～560MPa，管体延伸率为41～44％；其焊缝抗拉强度为560～565MPa；焊缝冲击功(T-10-21)为110～228J。