CN102816974B - 高频焊h40套管用钢及其制造方法及制造套管的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高频焊H40套管用钢，其各化学元素的质量百分配比为C：0.12-0.18％；Si：0.10-0.35％；Mn：0.55-0.69％；P≤0.015％；S≤0.005％；Ti：0.008-0.030％；Ca：0.0010-0.0040％；Al：0.010-0.040％；余量为Fe和其他不可避免的杂质。相应地，本发明还公开了该高频焊H40套管用钢的制造方法，以及采用该高频焊H40套管用钢制造套管的方法。制得的套管中无马氏体，符合API标准的要求。
Description
技术领域
本发明涉及一种钢种及其制造方法，尤其涉及一种石油套管用钢及其制造方法。
背景技术
根据API标准，石油套管分为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。其中H40钢级相对于其它钢级的套管是规格较多、用量较多、使用较广泛的一个钢级。
高频焊(HFW)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的质量。由于H40钢强度等级与J55钢接近，一般直接用J55钢的成分来生产H40套管。表1中列出了目前生产H40套管的化学元素成分。
现有成分1是一种以碳、锰为主要强化元素的钢种，不含铌、钛元素，由于目前H40套管的可制造范围为219.08～508.00，其中219.08和244.48二个规格所用钢带宽分别为700MM和770MM，属于窄带，为了不浪费热轧产能，通常使用热轧1420MM、1560MM宽带沿中心线纵剖而成。由于热轧钢带存在成份偏析，且二分之一部位(钢带中心)偏析最严重，制管后中心偏析带位于焊缝处，在线焊缝正火热处理后，在焊缝热影响区偏析带上有条状马氏体存在(如图1所示)。而API标准不允许套管存在未回火马氏体，所以需增加整管热处理来消除条状马氏体，由此而增加了生产成本。
现有成份2的碳含量0.20～0.17，比现有成份1低0.075，减轻了碳偏析，对抑制马氏体有利，硅、锰含量与现有成份1相同，用现有成份2试制后，发现钢带中心偏析减轻，但焊缝正火热处理后热影响区偏析带上仍然存在少量马氏体(如图2所示)。
表1.
公开日为2006年12月27日，公开号为CN1884787，名称为“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”的中国专利文献公开了一种J55石油套管用钢，其成份以碳、锰为主要强化元素，加入铌、钛微量元素。发明人认为由于该钢种中碳、锰含量较高会造成中心偏析较严重，用它作纵剖料，焊缝正火热处理后热影响区会产生马氏体。此外由于该钢种中的铌、钛元素含量较高，故会导致制造成本上升。
公开日为2007年3月7日，公开号为CN1924061，名称为“制造J55级焊接石油套管的低合金高强度钢”的中国专利文献公开了一种J55焊接石油套管用钢，其介绍了二种成份，一种成份碳含量为0.16-0.21，锰含量为1.00-1.30并加入了0.02-0.07的钒，不含铌元素。发明人认为这种成份与表1所列的现有成份2相近，因此用它作纵剖料，焊缝正火热处理后热影响区会产生马氏体。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。发明人认为由于锰含量较高，其带状偏析会严重，用它作纵剖料，焊缝正火热处理后热影响区也会产生马氏体。
发明内容
本发明的目的是提供一种高频焊H40套管用钢及其制造方法，以及采用该高频焊H40套管用钢制造套管的方法，采用该钢种制得的套管，焊缝正火热处理后热影响区不存在马氏体。
本技术方案通过降低碳、锰的含量来减轻钢带中心偏析，使焊管在线正火热处理后不存在马氏体组织，通过加入适量的钛元素来补偿因碳、锰含量的降低而导致的强度损失，并改善套管加工工艺性，以及防止发生粘扣。本技术方案中加入适量的钙元素可以实现净化钢液的目的，其促使MnS球化，能够提高材料的综合性能。
本发明根据上述发明目的，提供了一种高频焊H40套管用钢，其各化学元素的质量百分配比为：
C：0.12-0.18％
Si：0.10-0.35％
Mn：0.55-0.69％
P≤0.015％
S≤0.005％
Ti：0.008-0.030％
Ca：0.0010-0.0040％
Al：0.010-0.040％
余量为Fe和其他不可避免的杂质。
本发明所述的高频焊H40套管用钢中几种主要化学元素的设计原理为：
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，焊缝正火热处理后在热影响区偏析带上出现马氏体，为了防止热影响区出现马氏体，本技术方案C元素含量设计为0.12-0.18％。
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，并在焊缝正火热处理后，在热影响区偏析带上出现马氏体，因此，本技术方案中将Mn元素控制在0.55-0.69％。
Si：固溶于铁素体以提高钢的屈服强度，但同时会损失钢的塑性和韧性，本技术方案中宜采用0.10-0.35％。
Ti：热轧时可以推迟奥氏体再结晶而达到细化晶粒的效果，在随后的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，因此本技术方案中将Ti元素控制在0.008-0.030％。
Al：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，因此本技术方案中将Al元素控制在0.010-0.040％。
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，因此本技术方案中将Ca元素控制在0.0010-0.0040％。
相应地，本发明还提供了该高频焊H40套管用钢的制造方法，其包括下列步骤：
(1)钢水经转炉冶炼、炉外精炼后浇铸制成板坯；
(2)板坯经≥1180℃的温度加热后轧制成板带，终轧温度大于800℃，轧后板带以2-30℃/s的速度冷却到650℃以下。
此外，本发明还提供了采用该高频焊H40套管用钢制造套管的方法，其包括下列步骤：
(1)钢水经转炉冶炼、炉外精炼后浇铸制成板坯；
(2)板坯经≥1180℃的温度加热后轧制成板带，终轧温度大于800℃，轧后板带以2-30℃/s的速度冷却到650℃以下；
(3)将板带卷取成钢卷；
(4)将钢卷沿中心线纵剖为钢带，成型后以≥1300℃的温度焊接；
(5)对焊缝进行正火热处理，加热温度小于980℃，制得套管的焊接热影响区微观组织为铁素体+珠光体。
优选地，所述步骤(5)中使用中频感应加热对焊缝进行正火热处理。
本技术方案较之现有技术，其合金成分碳、锰含量适中，且含有适量的钛和钙，制得的套管焊缝热影响区的微观组织为F+P，不出现马氏体，此外其强度也满足API标准。
附图说明
图1显示了采用现有成分1制得的套管焊缝热影响区的显微组织。
图2显示了采用现有成分2制得的套管焊缝热影响区的显微组织。
图3显示了采用本发明实施例1的成分获得的套管焊缝热影响区的显微组织。
具体实施方式
实施例1-3
按照表2所示的化学元素成分配比进行配料，然后按照下列步骤制造规格为244.48*7.92的高频焊H40套管(各实施例的制造工艺见表3)：
(1)钢水经转炉冶炼、炉外精炼后浇铸制成板坯；
(2)板坯经≥1180℃的温度加热后轧制成板带，终轧温度大于800℃，轧后板带以2-30℃/s的速度冷却到650℃以下，制得高频焊H40套管用钢热轧板；
(3)将板带(即热轧板)卷取成钢卷；
(4)将钢卷沿中心线纵剖为钢带，成型后以≥1300℃的温度焊接；
(5)使用中频感应加热对焊缝进行正火热处理，感应加热温度小于980℃，制得套管的焊接热影响区微观组织为铁素体+珠光体。
表2.(余量为Fe和其他不可避免的杂质)
表3.
表4列出了测得的依照上述方法的步骤(1)-(2)制得的高频焊H40套管用钢热轧板的机械性能和冲击功。
表4.
备注：T-5-0表示横向1/2样0度冲击
表5列出了测得的依照上述方法制得的高频焊H40套管的机械性能，表6列出了该套管的冲击功和冲击功。
表5：机械性能
表6：冲击功
备注：T-5-2-1表示横向1/2样21度冲击
从表5和表6可以看出，实施例1-3中套管管体和焊缝的机械性能和冲击功完全满足API 5CT标准的要求。
表7列出了各实施例中套管管体和焊缝的晶粒度以及金相组织。此外图3显示了实施例1的焊接热影响区的金相组织，从该金相图可以看出微观组织为F(铁素体)+P(珠光体)，不含有马氏体。
表7
备注：API标准要求晶粒度≥5，金相组织中不得有马氏体
要注意的是，以上列举的仅为本发明的具体实施例，显然本发明不限于以上实施例，随之有着许多的类似变化。本领域的技术人员如果从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应属于本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种高频焊H40套管用钢，其特征在于，其各化学元素的质量百分配比为：
C:0.158-0.18%
Si:0.10-0.35%
Mn:0.55-0.69%
P≤0.015%
S≤0.005%
Ti:0.008-0.030%
Ca:0.0010-0.0040%
Al：0.010-0.040%
余量为Fe和其他不可避免的杂质。
2.如权利要求1所述的高频焊H40套管用钢的制造方法，其特征在于，包括下列步骤：
（1）钢水经转炉冶炼、炉外精炼后浇铸制成板坯；
（2）板坯经≥1180℃的温度加热后轧制成板带，终轧温度大于800℃，轧后板带以2-30℃/s的速度冷却到650℃以下。
3.采用如权利要求1所述的高频焊H40套管用钢制造套管的方法，其特征在于，包括下列步骤：
（1）钢水经转炉冶炼、炉外精炼后浇铸制成板坯；
（2）板坯经≥1180℃的温度加热后轧制成板带，终轧温度大于800℃，轧后板带以2-30℃/s的速度冷却到650℃以下；
（3）将板带卷取成钢卷；
（4）将钢卷沿中心线纵剖为钢带，成型后以≥1300℃的温度焊接；
（5）对焊缝进行正火热处理，加热温度小于980℃，制得套管的焊接热影响区微观组织为铁素体+珠光体。
4.如权利要求3所述的制造套管的方法，其特征在于，所述步骤（5）中使用中频感应加热对焊缝进行正火热处理。
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