CN103194693B - 一种高强度高韧性石油套管及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高强度高韧性石油套管及其制造方法，其采用"高频焊接(HFW）+焊缝在线热处理+热张力减径+全管体热处理"工艺技术制造Q125钢级石油套管，化学成分的重量百分配比为:C:0.18～0.30;ShO.10～0.35;Mn:l.00～1.30;P:≤0.018;S:≤0.008;Cr:O.20～1.2O;Mo:0.20～0.55;NhO.10～0.65;B:O.0010～0.0015;Nb+V+Ti≤O.08，余量为Fe和不可避免的杂质。采用该制造方法生产的Q125石油套管屈服强度≥865MPa，抗拉强度≥94OMPa，延伸率≥23.2%，0°C时全尺寸横向冲击功≥1O5J，纵向冲击功≥1lOJ，该工艺制造的Q125钢级石油套管综合性能优异，具有很好的高强韧性和高强塑性。

Description

一种高强度高韧性石油套管及其制造方法

技术领域

本发明属于高强度直缝焊接石油套管及其制造方法，具体涉及一种采用新型生产工艺的Q125钢级SEW石油套管及其制造方法。

背景技术

随着各油田采油条件越来越恶劣，特别是深井、超深井等开发量加大，油气田对油井管的性能要求亦越来越高，高强度套管的需求量也在加大；同时，油气开采和钻探的成本直线增加，管材的价值占开采成本的60％以上。因而，开发经济型高强度石油套管具有重要经济意义。在API标准规范中，Q125钢级的石油套管横向冲击功仅需要达到26J；在实际应用中易发生失效等事故。故开发比API标准要求更高冲击功的石油套管产品具有重要意义。

目前高强度石油套管主要采用无缝钢管制造工艺，采用调质热处理方法达到所需要的强度级别，普遍添加较多的贵重Cr、Mo、V等合金元素，增加了原料成本；同时无缝管成型采用穿孔成型，控制难度大，管体尺寸精度相对较差，壁厚均匀度的控制精度极限为±5％。而SEW石油套管具有以下优势：首先，热轧卷板生产过程中采用TMCP工艺，细化了卷板的原奥氏体晶粒，减少了贵重Cr、Mo、V等合金元素使用量，降低了原料成本。其次，采用热轧卷板为原料，其壁厚公差可以控制在±1.5％以内；相比同规格、相同重量的套管，万米进尺套管钢材用量比无缝钢管降低5～10％。

制约具有高强度高韧性石油套管制造的主要难点有材料化学成分、超细晶粒工艺控制、热处理工艺及套管几何尺寸精度等；采用高频焊接(HFW)、焊缝在线热处理、热张力减径工艺和全管体热处理工艺组合的SEW套管生产工艺，继承了HFW石油套管组织细小、尺寸精度高、强韧性高及产品成材率高等特点；同时引进了无缝管生产中应用的热张力减径工艺，优化了焊缝区域的组织和性能。SEW套管生产工艺的特点，克服了高强度高韧性石油套管生产中存在的技术难点，非常有利于高强度高韧性套管产品的生产。

发明内容

本发明目的在于提供一种高强度高韧性石油套管及其制造方法，该石油套管适用于深井、超深井的石油套管管柱。为了实现上述目的，本发明的Q125钢级套管采用高尺寸精度的TMCP热轧卷板，其化学成分为C：0.18～0.30；Si：0.10～0.35；Mn：1.00～1.30；P：≤0.018；S：≤0.008；Cr：0.20～1.20；Mo：0.20～0.55；Ni：0.10～0.65；B：0.0010～0.0015；Nb+V+Ti≤0.08，余量为Fe和不可避免的杂质。

本发明同时提供了其制造方法，其采用以下的主要技术方案，包括以下步骤：

(1)依据设计成分委托钢厂，钢水经过预处理、冶炼、炉外精炼和真空脱气后，再采用TMCP(ThermalMechanicalControlProcessing)热轧工艺、层流冷却、卷板制成高尺寸精度卷板；

(2)以高精度TMCP热轧卷板为原料，将钢带经纵剪、钢带超声波检测、铣边后采用FFX(FlexibleFormingExcellent)冷弯成型方法及HFW(HighFrequencyWelding)焊接成直缝管坯；焊后及时进行焊缝内、外毛刺的修整，使焊道与管体内、外表面齐平、光滑；

(3)采用中频感应加热，对焊缝进行900℃-960℃在线退火热处理；

(4)采用中频感应加热，将HFW管坯以20～50℃/s的加热速率快速加热至900～1020℃，进行管坯热张力减径；

(5)采用淬火炉和回火炉，对热张力减径后管坯进行调质热处理，以获得标准要求的机械性能，其工艺为淬火炉800～950℃，保温40～100min后进行水淬，回火炉480℃～650℃，保温时间40～120min；

(6)回火热处理后将管坯进行0.1-0.2％热定径；

(7)对热定径后管坯进行热矫直处理，热矫直温度在420℃～550℃；

(8)对热处理后管坯进行无损探伤；

(9)经检测合格后，对管坯进行螺纹加工及检验，最终形成成品石油套管。

所述的Q125钢级石油套管，具有强度高、塑韧性好，均匀变形好；改善了焊缝组织，细化焊缝晶粒(晶粒度≥10级)，实现焊缝与母材组织性能均匀一致。

(1)采用壁厚偏差在-0.15～+0.15mm的高尺寸精度的TMCP热轧卷板为原料，壁厚为10.05mm。钢带经纵剪、超声波检测、铣边后，再经FFX弯曲成型和HFW焊接，并调整成型工艺(开口角3～8°、挤压量1～4mm)、控制焊接参数(频率、线能量、焊接速度15～35m/min)，焊成规格为Φ193.7×10.05mm的直缝焊管，焊后即时进行内外焊缝毛刺修整，使焊道与管体内外表面齐平、光滑，其壁厚不均度≤1.5％，外径不圆度≤0.5％，确保钢管满足尺寸精度要求。

(2)采用中频感应加热对焊缝进行900-960℃的在线焊缝退火热处理，消除焊接过程中产生的应力、均匀和细化焊缝和热影响区的组织、晶粒，排除焊接过程中产生的氢脆。

(3)采用中频感应加热方式，将Φ193.7mm的HFW焊管以20～50℃/s的加热速率快速加热至管材的奥氏体化相变温度Ac3以上，然后以0.6～1.2m/s的速度进入热张力减径机轧辊机组，减径至所需规格的管坯。由于采用高温热机械轧制，更进一步细化了焊缝和热影响区的晶粒尺寸(晶粒度达≥10级)，消除焊缝流线，实现焊缝组织优化及均匀化，实现了焊缝区域和母材性能一致，避免了因焊缝、热影响区及母材的组织性能差异导致沟槽腐蚀严重的缺点。

(4)采用全管体调质热处理将热张力减径管坯机械性能调整至标准所要求的范围：其工艺为加热830～930℃保温40～60min后水淬，再进行480℃～650℃回火保温40～120min。

与无缝管技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：1)尺寸精度高；壁厚不均度≤1.5％，外径不圆度≤0.5％；2)焊缝质量好；3)综合性能优异；具有很好的强韧性和强塑性配比，强度高，韧性和塑性好，组织均匀，几何尺寸精度高。

附图说明

图1为HFW管坯焊态组织在光学显微镜下放大500倍的组织形貌；

图2为HFW管坯经热张力减径后焊缝在光学显微镜下放大500倍的组织形貌；

图3为成品管显微组织在光学显微镜下放大500倍的组织形貌；

图4为屈服强度和拉伸强度分布趋势图；

图5为0℃全尺寸横纵向冲击韧性及比值分布趋势图；

其中：1为焊缝区。

具体实施方式

参见图1-5，TMCP热轧卷板原料成分(wt％)：C：0.26，Si：0.25，Mn：1.25，P：0.011，S：0.002，Cr：0.55，Mo：0.3，Ni：0.22，B：0.0012，Nb+V+Ti≤0.08。

首先，制备HFW焊管：将壁厚偏差在-0.15～+0.15mm的高尺寸精度的上述化学成分的TMCP热轧卷板，经钢带纵剪、钢带超声波检测、铣边、FFX成型和HFW焊接，调整成型工艺(开口角5°、挤压量3mm)，控制焊接参数(焊接功率390KW、焊接速度18m/min)焊成规格为Φ193.7×10.05mm的直缝焊管，焊后即时进行内外焊缝毛刺修整，内毛刺刮槽与外毛刺余高均≤0.20mm，使焊道与管体内外表面齐平、光滑，焊缝在线退火处理，壁厚不均度1.71％，外径不圆度0.55％。

接着，进行热张力减径：采用中频感应加热方式，将规格为Φ193.7×10.05mm的HFW焊管以40℃/s的加热速率加热至960±30℃，然后以1.0m/s的速度进入9架轧辊机组进行热机械轧制减径，得到规格为Φ139.7×10.54mm的管坯。

然后，进行全管体热处理：将上述管坯经880℃加热保温30min后水淬，淬火冷速≥50℃/s，再进行600℃、回火60min。

最后，经无损探伤和全管体通径处理，在每根钢管两端采用管端车丝机加工API标准螺纹或特殊螺纹。

性能特点：采用该制造方法生产的Q125钢级石油套管屈服强度≥865MPa，抗拉强度≥940MPa，延伸率≥23.2％，0℃时全尺寸横向冲击功≥105J，纵向冲击功≥110J，横纵冲击功比可达0.75以上。该工艺制造的Q125钢级石油套管综合性能优异，具有很好的高强韧性和高强塑性，外观几何尺寸精度高；实现了HFW焊缝组织优化及均匀化，达到了与母材接近一致，管体的机械性能均一，消除了焊缝、热影响区及母材的组织性能差异。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。

Claims (3)

1.一种高强度高韧性石油套管，其特征在于，其化学成分的重量百分配比为：C：0.18～0.30；Si：0.10～0.35；Mn：1.00～1.30；P：≤0.018；S：≤0.008；Cr：0.20～1.20；Mo：0.20～0.55；Ni：0.10～0.65；B：0.0010～0.0015；Nb+V+Ti≤0.08，余量为Fe和不可避免的杂质；所述套管外径不圆度≤0.5％，壁厚不均度≤1.5％；屈服强度≥865MPa，抗拉强度≥940MPa，延伸率≥23.2％，0℃时全尺寸横向冲击功≥105J，纵向冲击功≥110J；所述套管焊缝区的焊缝晶粒度≥10级，焊缝与母材组织性能均匀一致。

2.如权利要求1所述石油套管的制造方法，其特征在于：

(1)钢水经过预处理、冶炼、炉外精炼和真空脱气后，再采用TMCP热轧工艺、层流冷却、卷板制成高尺寸精度卷板；

(2)以高尺寸精度卷板为原料，将钢带经纵剪、超声波检测、铣边后采用FFX冷弯成型方法及HFW焊接成直缝管坯；焊后及时进行焊缝内、外毛刺的修整，使焊道与管体内、外表面齐平、光滑；

(3)采用中频感应加热对焊缝进行900℃-960℃在线退火热处理；

(4)采用中频感应加热将HFW管坯以20～50℃/s的加热速率快速加热至900～1020℃进行管坯热张力减径；

(5)采用淬火炉和回火炉，将热张力减径后管坯进行调质热处理，以获得标准要求的机械性能，调质热处理工艺为淬火炉800～950℃，保温时间40～100min后进行水淬，回火炉480℃～650℃，保温时间40～120min；

(6)回火热处理后将管坯进行0.1-0.2％热定径；

(7)将热定径后管坯进行热矫直处理；

(8)对热处理后管坯进行无损探伤；

(9)经检测合格后，对管坯进行螺纹加工及检验，最终形成成品石油套管。

3.如权利要求2所述的制造方法，其特征在于：所述步骤(7)的热矫直温度在420℃～550℃。