CN102912245B

CN102912245B - N80级电阻焊石油套管用钢及其制造方法

Info

Publication number: CN102912245B
Application number: CN201210411351.2A
Authority: CN
Inventors: 黄明浩; 黄国建; 徐烽; 孔祥磊; 张英慧
Original assignee: Angang Steel Co Ltd
Current assignee: Angang Steel Co Ltd
Priority date: 2012-10-23
Filing date: 2012-10-23
Publication date: 2016-03-02
Anticipated expiration: 2032-10-23
Also published as: CN102912245A

Abstract

本发明公开一种N80级电阻焊石油套管用钢及其制造方法，其特征在于：化学成分按重量百分比如下：C：0.05%-0.09%，Si：0.15%-0.35%，Mn：1.70%-1.95%，P：≤0.020%，S：≤0.008%，Ti：0.010%-0.050%，Als：0.02%-0.06%，Nb：0.05%-0.08%，Cr：0.20%-0.30%，N：≤0.008%，其余为Fe和不可避免元素。焊接性优良，冲击韧性良好（0℃，Akv>200J，SA>90%）；钢带制管后仅需要对焊缝和热影响区进行热处理，不需要整管热处理，热处理工艺简单，钢管生产成本低。

Description

N80级电阻焊石油套管用钢及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种直缝电阻焊管（简称ERW/HFW）用钢及其制造方法，特别是涉及APISPEC5CT中一种具有优良焊接性和冲击韧性的高强度N80钢级1类ERW石油套管用钢及其制造方法。

背景技术

石油套管是油田最常用的石油专用管材之一，用量大，花钱多，是油气田钻采作业中必不可少的施工材料。HFW套管与无缝管相比，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，正在逐渐替代传统的无缝钢管。

APISpec5CT标准规定，可以用无缝管和直缝焊管制造石油套管。就直缝焊套管而言，传统的生产工艺是：根据套管性能的需要，设计合适的化学成分；冶炼并轧成热轧板卷；将板卷通过成型和直缝电阻焊方式制成管料；对钢管焊缝或钢管整体进行热处理；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。

就N80钢级石油套管而言，标准规定：管体的屈服强度在552-758MPa之间，抗拉强度≥689MPa，伸长率≥19%，0℃冲击功Akv（横向）≥24J。随着人们对油井安全要求的提高，用户对钢带的冲击韧性要求也越来越高，如中海油要求冲击功≥80J，剪切面积SA≥75%。

目前，N80级ERW套管的生产工艺是：成分设计采用高碳设计（>0.20%），有的添加合金元素（Mo、Ni、Nb、V和Cu），冶炼并轧制成热轧钢带；然后，将钢带通过ERW方式制成焊管，并对焊缝或钢管整体进行热处理，随后对管端进行适当的螺纹加工，最终生产出合格的N80级别石油套管。由于碳含量较高（>0.20%），无法得到焊接性优良的热轧钢带，不仅提高HFW制管的工艺复杂程度，且降低了制管的生产效率；较高的碳含量同时也导致钢带的冲击韧性一般。

在本发明之前，已有多个有关N80钢级ERW石油套管用钢的文献或发明专利，如下：

1）中国专利CN101096737A，一种高强度直缝焊石油套管钢及其制造方法。该专利成分中C：0.20%-0.30%，C含量高，对焊接性和韧性不利；Mo：0.10%-0.30%，合金成本高。

2）日本专利JP58199818A，高强度油井用钢管制造方法。成分中C：0.28%-0.35%，Mn：1.40%-2.00%，Mo：0.1%-0.3%，V：0.02%-0.10%，制管后整管进行正火热处理。该专利中添加贵重元素Mo，合金成本高；C含量偏高，影响钢带冲击韧性。

3）日本专利JP58093821A，油井用电阻焊钢管的制造方法。成分中C：0.23%-0.26%，Mn：1.8%-2.0%，Cr：0.30%-0.35%，V：0.03%-0.10%，制管后整管进行正火或调质热处理。该专利中C含量偏高，影响钢带的冲击韧性；同时Mn、Cr含量也高，造成碳当量偏高（Ceq：0.60%-0.68%），钢带的焊接性不良。

4）日本专利JP58199819A，高强度油井用钢管制造方法。成分中C：0.30%-0.35%，Mn：1.60%-2.00%，V：0.05%-0.09%，制管后整管进行正火热处理。该专利中C含量偏高，影响钢带的冲击韧性；V含量高，合金成本高；同时Mn含量也高，造成碳当量偏高（Ceq：0.58%-0.70%），钢带的焊接性不良。

5）日本专利JP01225722A，油井用高强度电阻焊管制造方法。成分中C：0.14%-0.22%，Mn：1.20%-2.00%，Ti：0.04%-0.07%，选择性加入Nb：0-0.045%，V：0-0.10%。成分中C含量偏高，影响钢带的冲击韧性；Ti含量较高，合金成本高。

6）日本专利JP07102321A，拉伸强度800MPa高强度非热处理油井用钢管的制造方法。成分中C：0.25%-0.40%，Mn：1.00%-2.00%，Nb：0.01%-0.10%，V：0.01%-0.10%。该专利中C含量偏高，影响钢带的冲击韧性；同时添加Nb和V，合金成本高。

7）论文“N80HFW套管试制工艺研究”，焊管，2010，33（7），成分中C：0.09%，Mn：1.68%，Si：0.23%，P：0.009%，S：0.002%，Mo：0.01%，Ni：0.02%，Cr：0.24%。该论文中C含量低，为了提高强度，需要添加贵重合金元素Mo、Ni，合金成本高。

公开的专利和文献中，C含量都较高，钢带焊接性一般；有的添加贵重合金元素Mo，Ni，Cu等，合金成本高；有的需要整管热处理。

以上公开的直缝焊石油套管用钢达到了美国石油协会APISpec5CT规定的N80钢管要求，但碳含量偏高，焊接性和韧性一般；添加合金元素Mo，Ni，Cu，合金成本高；整管热处理，工艺复杂。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种直缝电阻焊石油套管钢及其制造方法，特别是采用低碳（<0.10%）设计，具有优良焊接性和冲击韧性（0℃，横向Akv>200J，SA>90%）的高强度N80钢级ERW石油套管钢及其制造方法。

为达到以上目的，本发明的技术方案之一是提出一种N80级ERW石油套管用钢，化学成分（重量，%）配比如下：C：0.05%-0.09%，Si：0.15%-0.35%，Mn：1.70%-1.95%，P：≤0.020%，S：≤0.008%，Ti：0.010%-0.050%，Als：0.02%-0.06%，Nb：0.05%-0.08%，Cr：0.20%-0.30%，N：≤0.008%，其余为Fe和不可避免元素。

与现有技术相比，本方案Ｃ含量较低（<0.10%），钢带的焊接性优良，冲击韧性良好（0℃，Akv>200J，SA>90%）；少量Cr取代贵重元素Mo、Ni、Cu等，节约合金成本；制管后只需要对焊缝和热影响区进行热处理，不需要整管热处理。

C：碳为碳化物形成元素，通过固溶强化和析出强化作用提高钢材的强度，是保证强度的最有效元素，但碳含量过高将影响产品的焊接性能和冲击韧性，碳控制在0.05%-0.09％较为适宜。

Si：硅可以起到固溶强化作用，但其含量过高会使钢的塑性和韧性降低，其最佳范围是0.15-0.35％。

Mn：锰具有固溶强化作用，还能增加奥氏体稳定性，对提高淬透性也有利，有效保证钢的强度。但锰含量过大，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，给焊缝质量带来负面影响，其最佳范围是1.70%-1.95％。

P：磷是钢中有害元素，增加钢的冷脆性，使焊接性能变坏，降低塑性，使冷弯性能变坏，应控制其含量≤0.020%。

S：硫是钢中有害元素，使钢产生热脆性，降低钢的延展性和韧性，焊接性能也不利，应控制其含量≤0.008%。

Nb：铌是细晶和析出强化元素，可弥补因碳降低而引起的强度的下降，改善焊接性能，但过高会增加合金成本，合适的范围是0.05%-0.08%。

Ti：钛是强碳氮化物形成元素，显著细化奥氏体晶粒，可弥补因碳降低而引起的强度的下降。含量太高，易形成粗大的TiN，降低材料性能，合适的范围是0.010%-0.050%。

Cr：铬可通过固溶强化和细晶强化来增加强度，合适的范围是0.20%-0.30%。

Als：铝是常用的脱氧剂，在钢中加入少量的铝，可细化晶粒，提高冲击韧性，合适的范围是0.02-0.06%。

N：固溶氮有钉扎位错的强烈作用，对韧性有不良影响，控制其含量≤0.008%

本发明的技术方案之二是提出一种N80钢级ERW石油套管用钢的制造方法，包括铁水预处理、转炉冶炼、炉外精炼和板坯连铸、连铸坯再加热、轧制、冷却、卷取。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1200-1270℃，随后在热连轧机组进行两阶段控制轧制，第一阶段开轧温度为1100-1200℃，终轧温度大于980℃；第二阶段开轧温度小于960℃，终轧温度为760-810℃，有效地细化晶粒，有利于提高强度和韧性。

3）冷却工艺：轧后钢带以15-20℃/s的速度进行快速冷却，在470-520℃温度进行钢带卷取。当钢带轧后以较快的冷却速度（15—20℃/s）进行控制冷却，并结合低温卷取（470—520℃）时，避开了珠光体转变区域，而直接获得贝氏体组织和少量的铁素体组织。同时提高冷却速度能尽量减少铁素体组织体积分数且相对缩短长大过程，又能促使过冷奥氏体积累的相变能升高，为铁素体相变提供大量的晶核，以致削弱晶粒细化和带状组织。同时作为强化相的贝氏体组织体积分数较多，使钢带强度得到明显提高，从而得到高强度和高韧性的钢带。

本发明技术方案的特别之处在于：1）Ｃ含量较低（<0.10%），焊接性优良，冲击韧性良好（0℃，Akv>200J，SA>90%）；2）用少量Cr取代贵重元素Mo，Ni，Cu等，节约合金成本；3）钢带制管后仅需要对焊缝和热影响区进行热处理，不需要整管热处理，热处理工艺简单，钢管生产成本低。

具体实施方式

下面结合对本发明作进一步说明：

试验钢化学成分见表1，加热、轧制冷却工艺见表2，力学性能见表3。

表1化学成分（wt，％）

实施例	C	Si	Mn	P	S	Nb	Cr	Ti	Als	N	Fe
												1	0.09	0.28	1.70	0.013	0.008	0.07	0.29	0.024	0.023	0.004	余量
2	0.06	0.15	1.90	0.015	0.004	0.07	0.30	0.011	0.036	0.003	余量
												3	0.08	0.25	1.80	0.014	0.005	0.06	0.22	0.014	0.043	0.004	余量
4	0.07	0.32	1.87	0.016	0.003	0.05	0.28	0.033	0.051	0.005	余量
												5	0.09	0.27	1.93	0.011	0.005	0.08	0.24	0.028	0.029	0.006	余量
6	0.08	0.20	1.79	0.015	0.004	0.06	0.27	0.041	0.036	0.005	余量

表2加热、轧制工艺

表3热轧态力学性能

由表3可见，采用本发明的成分设计、轧制、冷却和卷取工艺，生产出的高强度高韧性ERW石油套管，满足APISPEC5CT标准对N80级钢管的要求。

钢带制管后仅需要对焊缝和热影响区进行热处理，不需要整管热处理。

Claims

1.一种N80级电阻焊石油套管用钢的制造方法，其特征在于：化学成分按重量百分比如下：C：0.07％-0.09％，Si：0.15％-0.35％，Mn：1.70％-1.95％，P：≤0.020％，S：≤0.008％，Ti：0.010％-0.050％，Als：0.02％-0.06％，Nb：0.05％-0.08％，Cr：0.20％-0.30％，N：≤0.008％，其余为Fe和不可避免元素；包括铁水预处理、转炉冶炼、炉外精炼和板坯连铸、连铸坯再加热、轧制、冷却和卷取，轧制工艺为连铸板坯经加热炉加热至1200-1270℃，随后在热连轧机组进行两阶段控制轧制，第一阶段开轧温度为1100-1200℃，终轧温度大于980℃；第二阶段开轧温度小于960℃，终轧温度为760-810℃；冷却工艺为轧后钢带以15-19℃/s的速度进行快速冷却，在487-520℃温度进行钢带卷取。

2.根据权利要求1所述的N80级电阻焊石油套管用钢的制造方法，其特征在于：铁水预处理和转炉冶炼经顶吹或顶底复合吹炼；炉外精炼经LF炉轻脱硫处理、及钙处理；连铸采用电磁搅拌或动态轻压下。