CN103045944A

CN103045944A - 高韧性石油套管用钢及石油套管制造方法

Info

Publication number: CN103045944A
Application number: CN2012105758149A
Authority: CN
Inventors: 李洪芳; 杨忠民; 韩建淮
Original assignee: Jiangsu Changqiang Iron & Steel Co Ltd
Current assignee: Jiangsu Changqiang Iron & Steel Co Ltd
Priority date: 2012-12-27
Filing date: 2012-12-27
Publication date: 2013-04-17
Anticipated expiration: 2032-12-27
Also published as: CN103045944B

Abstract

本发明涉及一种高韧性石油套管用钢及石油套管制造方法。所述无缝石油套管的化学成分的配比如下：C：0.12~0.18%；Si：1.0~1.9%；Mn：0.2~0.5%；P：<0.02%；S：<0.012%；B:0.0015~0.002%；Ti：0.01~0.02%；Al：<0.02%，余量Fe，其中控制S/Ca>0.6。所述方法包括以下工艺过程：转炉冶炼→脱氧合金化→钢包炉精炼→吹氩-喂丝（Si-Ca包芯线）处理→连铸管坯→无缝机组轧管→管加工→J55石油套管。本发明为硼钛微合金化低碳锰高硅热轧空冷贝氏体钢技术开发高塑韧性能J55级别石油套管用无缝钢管生产技术，有效避免了传统用中碳锰钢生产J55石油套管而容易出现的铸坯柱状晶过分粗大和使铸坯的纵向裂纹以及明显的微观组织中的带状组织缺陷，以及因此导致塑韧性能不足的现象。

Description

高韧性石油套管用钢及石油套管制造方法

技术领域

本发明涉及低合金钢领域，用于制造石油套管的低合金高强度钢。

背景技术

随着石油工业的发展和石油套管产能的提高，我国对石油工业专用钢的需求量逐步增加，油套管要求钢的强度较高；钢质均匀稳定；耐侵蚀性强；耐磨性好；同时还要承受使用条件下的拉、压、扭、弯等各种载荷的综合作用。

API 5CT 《套管及油管规范》中对J55和K55的具体化学成分没有明确规定，仅对P、S含量进行了限制，并对性能指标要求相对较严。这也是国际上有关钢种标准制定的通行做法，目的是更好地发挥企业的技术开发实力和引导不断的技术进步，由企业自行决定化学成分和生产工艺。但是，事实上在实际生产中，企业自己执行的内部标准和钢管实物对P、S等夹杂物控制要更加严格。我国的相关标准基本等同于API 5CT标准。具体如下

API 5CT标准中对J55、K55化学成分的规定

Figure 2012105758149100002DEST_PATH_IMAGE001

国际上，通常对J55级石油套管的生产，主要用37Mn5钢种组织生产，采用热轧生产工艺，无需进一步的热处理工艺。主要用于生产平式油管J55级石油套管，由于对钢材质量要求越来越高，其中对残余元素含量、高低倍组织、夹杂物、晶粒度和表面质量等均有严格要求。在套管使用过程中出于套管安全性方面的考虑，追求低屈强比和高强韧性的套管一直是石油开采用户向往的目标之一。按照API5CT标准要求，与J55屈服强度级别相同的K55级石油套管用钢要求屈服强度在379-552MPa，抗拉强度大于655MPa，比J55的抗拉强度高出138MPa，并且K55级套管屈强比小于0.84。通常用于生产J55级别的37Mn5钢的屈服强度在450MPa左右，抗拉强度在700MPa左右，可以满足K55级的技术指标要求，但是K55级别由于其塑韧性较高，主要用于表层套管、技术套管、油层套管等重要场合对其成分、气体含量、夹杂物、有害元素和性能指标控制相对严格，国内仅有少数企业能够组织生产。虽然37Mn5钢生产J55级别石油套管的性能远高出J55级标准，可达到K55级，但是由于37Mn5的成分是中碳锰钢，生产中还存在一些质量问题，需要进一步改进合金体系和生产工艺，以达到高质量的稳定的批量生产目的。37Mn5的化学成分见表1。

表1 37Mn5的化学成分要求 wt%

目前37Mn5钢生产J55级套管的主要问题：

（1）铸坯表面纵向裂纹和连铸坯具有柱状晶粗大。在方圆坯连铸生产中，中高碳锰钢的柱状晶粗大导致连铸坯的裂纹发生率一直是比较高的，其中37Mn5钢最严重。国内生产油井管用方圆连铸坯的钢厂，在生产34Mn6、37Mn5等钢坯时都遇到过这种问题。

（2）油井管用管坯钢带状组织，油井管用管坯热轧、砂冷后，带状组织较严重。由于带状组织会使钢材纵横向性能产生显著差异，纵向塑性、韧性较横向好，影响油井管的使用性能。

从合金体系设计角度，由于37Mn5的C、Mn含量较高，铸坯的淬透性高，在连铸生产中不易控制柱状晶粗大化，加之C、Mn偏析在随后的冷却和矫直过程中导致裂纹产生。其中由于Mn的偏析会强烈导致轧钢过程中的带状组织出现。由于目前的生产J55的钢种是37Mn5，其力学性能相对较高，但是中碳锰钢铸坯容易出现粗大柱状晶引起纵裂和轧材带状组织，影响了最终管材的冲击性能和塑性性能以及成材率。因此，需要发明新的钢种材料和无缝钢管制造技术，有针对性解决生产技术由于合金体系的不合理引起的铸坯柱状晶组织粗大和成分过度偏析引起的带状组织。

文献1，公布号 CN101886218 B《一种J55级37Mn5石油套管的炼钢方法》提供了37Mn5的冶炼工艺方法，其核心是通过钢中的酸溶铝的含量控制起到细化晶粒的作用，但是仅对37Mn5钢的冶炼方法进行研究发明，以便生产晶粒相对较细小的钢材，然而通过酸溶铝达到铸态组织细化的方法是一个较为传统的方法，其晶粒细化的作用有限。但是该发明没有给出有关铸坯的柱状晶发达和带状微观组织等缺陷控制及解决方法和技术工艺解决方案。

文献2，公布号 CN 102409241 A《石油套管用钢、石油套管及其制造方法》是一种通过热处理调质处理方法生产1000MPa（160ksi）级石油套管方法，J55的强度级别是55ksi。该发明不是本发明55ksi级别的无缝石油套管的专利范围。

文献3，公告号CN100560771C《高强韧性J55石油套管用钢带及其制造方法》，是用于生产J55级别的石油套管用焊管原料的带钢的生产方法，其带钢的生产制造工艺是一种微合金化带钢细晶粒钢的控轧控冷工艺技术，但是并没有提供石油焊管的生产加工工艺。上述发明该发明不是55ksi级别的无缝石油套管的范围。

文献4，公告号CN101845586A《一种石油套管用钢、电阻焊石油套管及其制造方法》，是用于生产相当于80ksi级别的高强抗挤毁石油焊管用带钢和钢管的制造方法。不属于55ksi级别的无缝石油套管的专利范围。

文献5，公告号CN102296233A《高频电阻焊石油套管用钢及其制造方法》，是用于生产80ksi级别的抗硫化氢腐蚀的石油用焊管的带钢及焊管的生产制造方法。其带钢生产需要控制控冷，焊管生产需要调质处理。不属于55ksi级别的无缝石油套管的范围。

发明内容

本发明的目的在于克服上述不足，提供一种能抑制铸坯的柱状晶的过分粗大和使铸坯的纵向裂纹和带状组织得到控制的高韧性石油套管用钢及石油套管制造方法。

本发明所称问题是通过以下技术方案解决的，包括合金体系设计和无缝钢管的制造方法：是一种热轧空冷状态下高塑韧性超细贝氏体微观组织。

一种高韧性石油套管用钢，其化学成分的配比如下：C：0.12~0.18%；Si：1.0~1.9%；Mn：0.2~0.5%；P：<0.02%；S：<0.012%；B:0.0015-0.002%；Ti：0.01~0.02%；Al：<0.02%，余量Fe，其中控制Ca/ S >0.6。

上述高韧性石油套管用钢，其化学成分配比优选如下：C：0.12~0.18%；Si：1.0~1.5%；Mn：0.2~0.5%；P：<0.02%；S：<0.012%； B:0.0015-0.002；Ti：0.01~0.02%；Al：<0.02%，余量Fe。其中控制Ca/ S >0.6。

上述高韧性石油套管用钢，其化学成分配比优选如下：C：0.12~0.18%；Si：1.5~1.9%；Mn：0.2~0.5%；P：<0.02%；S：<0.012%；B:0.0015-0.002；Ti：0.01~0.02%；Al：<0.02%，余量Fe。其中控制Ca/ S >0.6。

上述高韧性石油套管用钢，其化学成分配比优选如下：C：0.12~0.18%；Si：1.3~1.7%；Mn：0.2~0.5%；P：<0.02%；S：<0.012%； B:0.0015-0.002；Ti：0.01~0.02%；Al：0.02%，余量Fe。其中控制Ca/ S >0.6。

所述%为重量百分比，各元素组份的重量百分比之和为100%。

常规55ksi的生产制造工艺如下：J55的生产工艺如下转炉冶炼→脱氧合金化→LF钢包炉精炼→连铸管坯（高温浇注）→无缝机组轧管→管加工→J55石油套管。

本发明所述无缝石油套管制造方法如下：转炉冶炼→脱氧合金化→LF（LADLE FURNACE）钢包炉精炼→吹氩-喂丝（Si-Ca包芯线）处理→连铸管坯→无缝机组轧管→管加工→J55石油套管。

本合金发明的技术关键是：本发明合金体系，是非调制的贝氏体钢生产技术。可以省去通常贝氏体钢生产所需的调质热处理工艺。仅采用热轧无缝钢管生产工艺就能生产性能合格的J55级别的无缝钢管。

其中技术关键是：（1）LF精炼+Si-Ca线进行热处理。LF精炼炉精炼时间>30min，然后按顺序依次加入合金：MnFe，在喂Al线进行终脱氧，喂Si-Ca线，通过喂丝（Si-Ca包芯线）处理技术控制钢中的S含量，和Ca的含量，使Ca/ S >0.6，添加Ti线，添加B铁包芯线。Ca处理后有效改变硫化物形貌特征，使形貌由棒状变为球型，消除硫化物引起的带状组织形貌和提高钢材的塑韧性。该生产工艺中吹氩-Ca喂丝处理在减轻钢中非金属夹杂物对冲击韧性的危害方面有明显的效果。

（2）连铸：浇注温度1565℃~1575℃，连铸过热度控制在15℃~25℃。拉速1.0~2.0m/min，连铸采用合适的保护渣，结晶器和二冷水采用低碳钢控制要求。同时配合电磁搅拌技术（结晶器电磁搅拌MEMS+末端电磁搅拌FEMS），通过上述技术使铸坯组织等轴晶率达到85%以上。

(3) 在轧管生产工艺上，采用750℃-800℃的低温控轧，配合轧后雾化冷却到550℃，有效细化晶粒，其晶粒细化达到美国晶粒尺寸评价标准ASTM 9级以上，有效提高钢管的塑韧性。

上述制造55ksi级无缝石油套管的低合金高强度钢，其所述力学性能如下：

屈服强度：Rel（Rp0.5）379~552 MPa

抗拉强度：Rm≥517 MPa

伸长率：A≥21%

冲击功（V型）：≥20J。

本发明提供的制造55ksi级无缝石油套管的低合金高强度钢化学成分配方，是在低C、Mn和高Si合金体系的贝氏体钢技术措施，避免了原J55钢管采用中碳锰钢37Mn5钢导致的发达柱状晶的粗大化、铸坯裂纹和微观条带组织等缺陷。

对目前用于生产J55级石油套管用钢37Mn5的铸坯裂纹和带状组织的产生原因分析如下：

37Mn5的铸坯的裂纹的产生的原因之一，是在连铸过程中由1300-650℃内，随着温度的降低，钢坯的体积在缩小。其线膨胀量由1300℃下降到650线收缩总量下降20 %，面缩率由1300℃的85%以上下降到800℃的30%以下，体积发生了显著变化。发生这种变化的原因是因为Mn扩大了奥氏体区，使奥氏体转变温度降低，同时使Fe-C相图中的共析转变点左移。此外，37Mn5钢的化学成分，平均含量C 0.38左右， Mn 1.35左右。研究表明，当钢中w[C]>0.38，Mn 0.46-1.39时，在Fe-C相图中当C从0.53左移到0.38时，初生晶体是奥氏体，柱状晶生长会变得粗大。而37Mn5的铸坯的裂纹的产生，恰恰是起源于晶粒粗大的发达的柱状晶区，然后向两边扩展。

基于上述研究成果，表明生产J55级别石油套管钢采用37Mn5钢并不是一个合适的钢种。37Mn5钢的碳、锰含量范围C：0.53%-0.36%和Mn：1.25%~1.5%是导致柱状晶粗大化的主要原因，是铸坯容易产生裂纹。

中碳高锰含量使连铸坯在凝固过程中极易形成碳、锰元素的枝晶偏析，导致钢管铸坯中心形成严重的带状组织缺陷。带状组织对钢管的力学性能、成形性能和断裂行为均会产生显著的影响。对石油套管而言，带状组织的存在，将会使材料显示出强烈的各向异性能，造成深加工时的不均匀变形，即沿套管经向方向上纤维延伸不一致，形成二次变形，甚至在应力集中处萌生裂纹源，影响最终产品的使用性能。因此在冶炼工艺上，预防或降低连铸坯的枝晶偏析，对消除带状缺陷具有普遍的理论意义及工程价值。

针对上述问题，本发明采用低碳-锰+高硅合金体系，该合金体系是一种热轧空冷状态下为贝氏体组织的合金体系，同时通过添加B-Ti微合金元素，实现了用空冷贝氏体钢技术热轧生产高性能J55级别石油套管目的。

其合金元素的主要作用为：

C为碳化物形成元素，可以提高强度，太低效果不明显，太高会大幅降低钢的韧性。容易在铸坯的一、二次枝晶上偏析。

Mn为奥氏体形成元素，扩大奥氏体区，降低奥氏体-铁素体的相变温度。C、Mn元素在一、二次枝晶上的分布含量接近，均易产生偏析，在枝晶间的分布含量较高，最终导致铸坯带状组织的产生。降低Mn含量可以有效抑制柱状晶的过度长大，避免铸坯裂纹的产生。

Si元素基本不产生偏析，缩小奥氏体区，提高共析点温度，是促进铁素体形成元素，有利于实现较高温度下的控制轧制，使晶粒得到细化。因此，高Si的加入，可以有效避免铸坯低延性温度区间与矫直温度区间重合而产生的裂纹。并且若与快速冷却工艺（空冷）相配合，含硅高的区域因Ar3高，首先沿奥氏体晶界析出铁素体。随着铁素体组织形核长大，分割包围珠光体组织，有效抑制了带状组织的产生。同时Si也抑制了其它元素的扩散，因而可抑制带状组织在轧钢过程中的产生。Si含量的提高，提高强度的同时，可能对塑韧性产生负面影响，但是通过晶粒细化的控轧轧制工艺可以有效解决该问题。

B：是一种晶界强化元素，可以抑制碳化物在晶界的析出，增加合金钢的淬透性能，使管材在空冷状态下获得贝氏体组织，同时与Ti、Al联合作用有效细化晶粒，提高强度，显著改善钢的韧性。硼含量控制在0.001~0.002之间的控制效果最佳。

Al：脱氧剂，有效减少氧含量，细化奥氏体晶粒，提高强度和韧性。

Ti：细化奥氏体晶粒，提高韧性，可以防止合金钢由高温缓冷时的脆化现象。

Ca：冶炼中采用Ca处理技术，可以有效使硫化物改性，从而大幅改善钢材的各向异性和提高塑韧性能。

本发明的有益效果是：

本发明提供一种制造55ksi级无缝石油套管用低合金高强度钢的新型合金体系和热轧生产制造方法，与目前通用的采用37Mn5钢生产相比，合金体系发生了根本变化，其中碳、锰含量降低到低碳低锰钢的范围，其中，碳含量为低碳钢含量范围，锰含量不属于合金化范围（Mn %<1.0），硅含量达到合金化的范围（Si%>1.0），因此，是一种全新的低碳锰，高硅钢种。所发明的钢种合金体系有利于抑制柱状晶的过分粗大和通过减少碳、锰元素成分偏析，从而使铸坯的纵向裂纹和带状组织得到控制，提高奥氏体-铁素体转变温度，有利于实现无缝钢管细晶粒控制轧制，从而提高钢管的冲击韧性和塑性。本发明新钢种，在大幅降低C、Mn合金含量到低合金范围，提高了Si的含量到合金含量成分范围，目的是改善铸坯组织的偏析问题，提高是奥氏体-铁素体相变温度，有利于采取控制轧制工艺细化晶粒度。同时添加微合金元素与无缝钢管轧管的控轧空冷工艺相结合，达到最终满足55ksi级别各项性能指标的目的。这是本发明的主要目的。

具体实施方式

提供应用实例，化学成分重量百分比如下表2：

表2. 实施例 Wt%

	C	Si	Mn	P	S	Al	B	Ti	Fe
										实施例1	0.12	1.2	0.3	0.012	0.005	0.01	0.0015	0.018	余量
实施例2	0.15	1.6	0.4	0.011	0.007	0.015	0.002	0.015	余量
										实施例3	0.18	1.8	0.5	0.009	0.005	0.015	0.0018-	0.02	余量

Claims

1.一种高韧性石油套管用钢，其特征在于：其化学成分的配比如下：C：0.12~0.18%；Si：1.0~1.9%；Mn：0.2~0.5%；P：<0.02%；S：<0.012%；B:0.0015~0.002%；Ti：0.01~0.02%；Al：<0.02%，余量Fe，其中控制Ca/ S >0.6，所述%为重量百分比，各元素组份的重量百分比之和为100%。

2.根据权利要求1所述的一种高韧性石油套管用钢，其特征在于：其化学成分的配比如下：C：0.12~0.18%；Si：1.0~1.5%；Mn：0.2~0.5%；P：<0.02%；S：<0.012%； B:0.0015~0.002%；Ti：0.01~0.02%；Al：<0.02%，余量Fe，其中控制Ca/ S >0.6，所述%为重量百分比，各元素组份的重量百分比之和为100%。

3.根据权利要求1所述的一种高韧性石油套管用钢，其特征在于：其化学成分的配比如下：C：0.12~0.18%；Si：1.5~1.9%；Mn：0.2~0.5%；P：<0.02%；S：<0.012%；B:0.0015~0.002%；Ti：0.01~0.02%；Al：<0.02%，余量Fe，其中控制Ca/ S >0.6，所述%为重量百分比，各元素组份的重量百分比之和为100%。

4.根据权利要求1所述的一种高韧性石油套管用钢，其特征在于：其化学成分的配比如下：C：0.12~0.18%；Si：1.3~1.7%；Mn：0.2~0.5%；P：<0.02%；S：<0.012%； B:0.0015-0.002%；Ti：0.01~0.02%；Al：0.02%，余量Fe，其中控制Ca/ S >0.6，所述%为重量百分比，各元素组份的重量百分比之和为100%。

5.一种如权利要求1所述无缝石油套管的制造方法，其特征在于：所述方法包括以下工艺过程：转炉冶炼→脱氧合金化→钢包炉精炼→吹氩-喂丝Si-Ca包芯线处理- Ti+B 微合金化冶炼→连铸管坯→无缝机组轧管→管加工→J55石油套管，连铸采用低过热度连铸技术，浇铸温度控制在25℃以内，同时配合电磁搅拌技术，在轧管生产工艺上，采用750℃-800℃的低温控轧，配合轧后雾化冷却到550℃+空冷到室温。