CN102936686A - 一种低成本l80-1钢级石油套管的生产方法 - Google Patents

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贺景春
刘金
宋江波
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Abstract

本发明涉及一种低成本L80-1钢级石油套管的生产方法，其特征是：管坯的化学成分按重量百分比为：C0.22-0.32；Si0.20-0.35；Mn1.30-1.50；P≤0.020；S ≤0.015；Cr0.15-0.30；Al0.01-0.04；工艺流程为：铁水预处理→顶底复吹转炉冶炼→LF炉精炼→VD真空处理→圆坯连铸→管坯加热→穿孔→连轧管→定张减径→冷床→锯切→热处理→矫直→探伤；热处理制度为：在870℃±20℃+40min保温水淬；690℃±20℃回火+70min保温后空冷。其优点是：本发明采用30MnCr22钢种，材料成分设计合理，套管的材料中不含钼等贵金属元素，成本低，其热处理工艺采用水淬加回火，水淬对环境没有影响，且成本较低，在保证强度的前提下大大提高了钢的塑性，使钢管的冲击韧性提高，可以使石油套管性能满足API Spec 5CT标准要求。

Description

一种低成本L80-1钢级石油套管的生产方法
一、技术领域
本发明涉及一种低成本L80-1钢级石油套管的生产方法，属于黑色冶金技术领域。 
二、背景技术
按API Spec 5CT标准石油套管分为不同的级别，L80钢级有L80-1和9Cr以及13Cr， 是一种用于CO2和Cl-腐蚀（简称CO2腐蚀）和H2S腐蚀环境的一种抗腐蚀套管。其中L80钢级1类，也即L80-1石油套管用于轻微CO2腐蚀和H2S腐蚀环境。国内外普遍采用含Cr、或Cr-Mo的低合金钢来生产L80-1石油套管。L80-1钢级石油套管对于化学成分只规定了磷硫含量，其余成分可以自行设计。 
现在很多钢厂多采用铬锰钼钢种，由于添加了钼金属，成本较高，在目前的市场条件下缺乏竞争力。 
三、发明内容
本发明的目的是公开一种L80-1钢级（30MnCr22钢种）石油套管的生产方法，本发明的方法用碳锰钢加适当的铬经过轧制以及热处理工艺（热处理工艺采用水淬加回火，水淬对环境没有影响，成本较低），在保证强度的前提下大大提高钢的塑性，使钢管的冲击韧性提高，可以使石油套管性能满足API Spec 5CT标准要求，同时具有较低的成本，有很强的市场竞争力。 
本发明的L80-1钢级石油套管，其管坯的化学成分按重量百分比为：C 0.22-0.32；Si 0.20-0.35；Mn 1.30-1.50；P ≤0.020；S ≤0.015；Cr 0.15-0.30；Al 0.01-0.04。 
本发明的L80-1钢级石油套管的生产工艺流程简述为： 
铁水预处理→顶底复吹转炉冶炼→LF炉精炼→VD真空处理→圆坯连铸→管坯加热→穿孔→连轧管→定张减径→冷床→锯切→热处理→矫直→探伤。 
套管的热处理制度：在870℃±20℃+40min保温水淬；690℃±20℃回火+70min保温后空冷。 
将重量百分比90%的高炉铁水与10%的废钢作为原料，以下述工艺流程进行生产：首先对上述铁水进行预处理，然后与上述废钢一同加入顶底复吹转炉进行冶炼，将冶炼好的钢水装入钢水包进入LF炉工位进行精炼，精炼完成后进行VD工位进行真空脱气处理，再进行圆坯连铸，对连铸管坯进行加热，对加热好 的管坯进行穿孔使其成为连轧管，对轧管进行定张减径后送入冷床冷却，然后实施锯切，对切好的套管进行热处理，然后进行矫直，最后经探伤检测，合格者即为成品。 
其具体工艺过程详述如下： 
1.将高炉铁水经预处理，使得铁水中的含S量（重量百分比）降低到0.010%以下； 
2.将预处理后的铁水兑入顶底复吹转炉，加入（重量百分比）10%废钢，采用单渣工艺冶炼，控制终渣碱度和终点目标：[C]出钢≥0.06%；点吹次数≤1次，出钢过程中进行脱氧合金化，终脱氧采用有铝脱氧工艺，出钢过程必须挡渣或扒渣，出钢过程中合金加完以后加入白灰块； 
3.在LF炉进行精练：精炼全过程按要求正常吹氩，采用从低级数到高级数逐渐提高升温速度的方式加热提温；根据转炉钢水成分及温度进行造渣脱硫、成分调整及升温操作；采用造白渣操作； 
4.LF炉精炼结束后保持底部软吹Ar大于8分钟； 
5.进行VD真空处理：真空度≤0.10Kpa，深真空时间≥13分钟； 
6.喂入定长硅钙丝，喂丝后进行8--10分钟吹Ar。将经过VD真空处理后的钢水进行圆坯连铸，采用低拉速、恒拉速控制和电磁搅拌工艺；控制钢水过热度；铸坯经过矫直后，切割为圆管坯。 
对检验合格及硫印不大于2.0级的铸坯进行制管，其管坯材料的化学成分及有害杂质元素如下： 
按重量百分比为：C 0.22-0.32；Si 0.20-0.35；Mn 1.30-1.50；P ≤0.020；S ≤0.015；Cr 0.15-0.30；Al 0.01-0.04。 
制管过程如下； 
连续检查预热段、加热段、均热段等各段的温度，环形炉各段温度控制见下表1； 
表1  环形加热炉各段温度 
Figure BDA0000241984721
计算机系统在线记录各段加热温度，要求控制好预热段、均热段温度，保证加热透彻均匀而不过烧。热工具在使用前必须测量，轧前检查处理辊道避免划伤。加热好的管坯在φ180mmMPM连轧管机组轧制成无缝钢管，每批至少进行 一次热取样检查几何尺寸。  
经过上述工艺过程，可以生产出本发明所述的L80-1钢级石油套管（30MnCr22钢种）热轧管，具体热处理过程见具体实施方式。 
本发明的优点是：本发明采用30MnCr22钢种，材料成分设计合理，套管的材料中不含钼等贵金属元素，成本低，其热处理工艺采用水淬加回火，水淬对环境没有影响，且成本较低，在保证强度的前提下大大提高了钢的塑性，使钢管的冲击韧性提高，可以使石油套管性能满足API Spec 5CT标准要求。 
四、具体实施方式
以下结合实施例对本发明作进一步详细描述。 
实施例1 
1.冶炼成品成分及硫印结果 
冶炼成品成分见表2，铸坯硫印检验结果列于表3，其中中心裂纹和夹杂物大部分为一级，中间裂纹和皮下裂纹多为零级，铸坯质量状况良好。    
表2   30MnCr22连铸成品成分（%） 
  C Si Mn P S Cr Al
范围 0.27~0.33 0.20~0.36 1.28~1.54 ≤0.030 ≤0.025 0.14~0.31 0.012~0.038
平均值 0.29 0.30 1.41 0.021 0.015 0.24 0.034
标准 0.26~0.34 0.18~0.38 1.25~1.55 ≤0.030 ≤0.025 0.12~0.32 0.01~0.04
表3   铸坯硫印检验结果 
  中心裂纹(级) 中间裂纹(级) 皮下裂纹(级) 夹杂物(级)
零级个数 2 55 58 0
一级个数 56 3 0 58
二级个数 0 0 0 0
2.  30MnCr22钢种热特性 
2.1相变转变温度及组织 
根据膨胀曲线算出不同冷却速度下的相变转折点（见表4）。由测得的CCT曲线可知，奥氏体开始温度Ac1=720℃，结束温度Ac3=804℃。在所测得的冷速中，当温度范围在580℃～720℃内开始有铁素体出现。当冷却速度在80℃/s～ 10℃/s之间，先是发生铁素体转变，然后在570℃左右开始出现自晶界向晶粒内生长的贝氏体，在470℃～410℃时贝氏体转变结束，然后再发生马氏体转变；当冷却速度在10℃/s～4℃/s之间，在680℃左右时发生铁素体转变，然后在610℃～560℃范围内开始有珠光体出现，当达到560℃～530℃时出现贝氏体，当温度在530℃～420℃之间时贝氏体转变结束，最后发生马氏体转变；当冷却速度在4℃/s～0.1℃/s之间，先是发生铁素体转变，然后在660℃/～560℃范围内开始珠光体转变，在620℃～530℃之间珠光体转变结束，最后是马氏体转变。 
随着冷却速度的降低，获得不同转变量的组织，显微硬度（HV）也依次下降（见表4），30MnCr22的平均线膨胀系数为13.38×10-6/℃。 
表4  30MnCr22在不同冷却速度下所得到的相变转折点 
2.2 钢种淬透性 
不同的淬火温度对30MnCr22淬透性的影响规律见表5。根据API标准要求，计算出L80-1管体的最低洛氏硬度为HRC最小=52×%C+21=36 HRC（≥50%马氏体），当在890℃淬火后获得此硬度，淬透层深度为7.2mm。 
表5   不同淬火温度下30MnCr22的淬透性（硬度HRC） 
  3mm 6mm 9mm 12mm 15mm 18mm 21mm 24mm 27mm 30mm
850℃ 46.7 37.6 30.5 26.5 25.3 23.5 22.3 22.0 21.3 21.0
870℃ 47.2 38.5 31.8 27.0 26.0 24.5 23.5 22.5 21.8 21.4
880℃ 47.5 39.0 32.0 28.2 26.2 25.0 24.2 22.8 22.1 21.6
890℃ 48.0 38.8 31.7 28.3 26.5 24.8 24.0 22.6 22.0 21.5
900℃ 48.5 39.2 32.2 28.5 26.6 25.2 24.5 22.9 22.2 21.7
910℃ 48.2 38.6 31.9 28.4 26.3 24.6 24.2 22.6 21.9 21.6
930℃ 48.0 38.4 31.6 28.2 25.9 24.3 23.8 22.4 21.8 21.4
3.钢种热处理工艺 
通过以上对相变特性和淬透性的研究，掌握了这两个钢种材质的基本特性，为热处理工艺参数的研究提供了依据。 
实验研究方法：在实验室研究调质工艺与组织和性能的关系，从而优选确定钢种热处理工艺参数，作为工业试验的推荐制度。每组调质实验点需3块拉力样、3组冲击样、3块硬度样和1块金相样，淬后水温均＜30℃。调质处理后的试样，按API标准加工为直径为Φ8.9mm的圆棒拉力样和10×10×55mm的纵向全尺寸冲击试样，进行检验分析。 
3.1 回火温度对30MnCr22组织及性能的影响 
设定淬火温度为890℃、保温30min进行水淬，回火保温50 min空冷保持恒定，分别取回火温度580℃、600℃、610℃、620℃、630℃、640℃、650℃和660℃进行试验。 
从试验结果（见表6）看，随着回火温度的升高，屈服强度、抗拉强度和硬度均显著降低5，而延伸率和冲击功显著升高5。显微组织均为回火索氏体，晶粒度均为9.5级。 
表6  回火温度对30MnCr22性能影响试验数据 
Figure BDA0000241984723
3.2 回火保温时间对30MnCr22组织及性能的影响 
设定淬火温度890℃，淬火保温时间30 min；回火温度620℃，空冷保持恒定，选不同回火保温时间30min、40min、60min、70min和80min进行试验。 
从试验结果（见表7）看，随着回火保温时间的延长，抗拉强度、屈服强度和硬度值均振荡走低；而延伸率和冲击功却在振荡走高。显微组织均为回火索氏体，晶粒度均为9.5级。 
表7  回火保温时间30MnCr22性能影响试验数据 
Figure BDA0000241984724
3.3淬火温度对30MnCr22组织及性能的影响 
设定淬火保温时间30 min，回火温度620℃、保温50min进行空冷恒定不变，选不同淬火温度850℃、870℃、880℃、900℃、910℃和930℃进行试验。 
从试验结果（见表8）看，随着淬火温度的升高，屈服强度、抗拉强度、硬度、冲击功以及延伸率都在逐渐升高7，但幅度很小。显微组织均为回火索氏体，晶粒度均为9.5级。 
表8   淬火温度对30MnCr22性能影响试验数据 
3.4 淬火保温时间对30MnCr22组织及性能的影响 
设定淬火温度880℃；回火温度620℃、保温50min进行空冷恒定不变，选不同的淬火保温时间10min、20min、40min和50min进行试验。 
从试验结果（见表9）看，随着淬火保温时间的延长，屈服强度、抗拉强度和硬度都在振荡下降，而延伸率和冲击功刚好相反，但幅度均不明显。显微组织均为回火索氏体，晶粒度均为9.5级。 
表9   淬火保温时间对30MnCr22性能影响试验数据 
Figure BDA0000241984726
4.工业生产用热处理制度 
综合以上实验研究结果给出用于调质L80-1石油套管工业生产的热处理制度为：在870℃±20℃+40min保温水淬；690℃±20℃回火+70min保温后空冷。 
5.工业试验及试生产 
5.1工业试验结果 
工业实验试制一批20支管子，从其中10支头中尾取样分析，总的力学性能结果如表10，工业实验中淬火温度设定为870℃，而回火温度为690℃，范围都是±20℃；随着炉子煤气情况回火温度相应进行调整。 
表10  力学性能值 
检验项目 屈服强度 抗拉强度 延伸率 冲击功（横向，0℃，全尺寸）
最小值 562 674 27 73.9
最大值 646 774 35 127.5
均值 612 726 30.8 103.8
标准值 552-655 >655 >17 >14
5.2批量试制结果 
在实际生产中处理×12.2 mm、×14mm、×16mm规格的钢种为25CrMnMo接箍；×11.05 mm、 ? 244.5 mm×11.99 mm规格钢种30MnCr22的管体，力学性能的数据如下表11，其中冲击功为换算成全尺寸的值，合格率99.4%，一次检验合格率94.8%； 
表11   工业生产的力学性能数据 
  屈服强度Mpa 抗拉强度Mpa 延伸率% 冲击功J
范围 554-647 672-772 28-38 75-121
平均值 588 696 30 95
标准要求 552-655 ≥655 ≥20 ≥47
[0078] 

Claims (2)

1.一种低成本L80-1钢级石油套管的生产方法，其特征是：管坯的化学成分按重量百分比为：C 0.22-0.32；Si 0.20-0.35；Mn 1.30-1.50；P ≤0.020；S ≤0.015；Cr 0.15-0.30；Al 0.01-0.04；工艺流程为：铁水预处理→顶底复吹转炉冶炼→LF炉精炼→VD真空处理→圆坯连铸→管坯加热→穿孔→连轧管→定张减径→冷床→锯切→热处理→矫直→探伤；其中：套管的热处理制度为：在870℃±20℃+40min保温水淬；690℃±20℃回火+70min保温后空冷。
2.根据权利要求1所述的低成本L80-1钢级石油套管的生产方法，其特征是：管坯以重量百分比90%的高炉铁水与10%的废钢作为原料制作。 
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