CN103882302A - N80-q级直缝焊油套管用钢及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种N80-Q级直缝焊油套管用钢及其制造方法，其化学成分按重量百分比配比如下：C：0.22%-0.26%，Si：0.10%-0.30%，Mn：1.20%-1.50%，P：≤0.020%，S：≤0.008％，Ti：0.010%-0.030%，Als：0.02%-0.05%，B：0.0008%-0.0025%，N：≤0.008％，其余为Fe和不可避免元素。工艺特点是，连铸板坯经加热炉加热至1160-1260℃，采用常规两阶段轧制，HFW制管后，加热870-930℃，保温30-60min，水淬；再加热到520-620℃，保温60-120min，本发明其钢带的冲击韧性良好；用少量的B取代贵金属，降低合金成本；热轧态板卷性能较低，后续制管成型容易，焊管整管进行调质热处理，力学性能为N80-Q级别，保证了管体和焊缝性能的一致性。

Description

N80-Q级直缝焊油套管用钢及其制造方法

技术领域

本发明属于高强度焊接油井管领域，本发明涉及一种HFW直缝电阻焊管用钢及其制造方法，特别涉及API SPEC 5CT规范中一种高强度N80-Q钢级的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（油井管）之一，是油气田钻采作业中必不可少的施工材料，在油气田生产开发过程中占有非常突出的地位。

API Spec 5CT规定，可以采用无缝管和HFW直缝焊管制造石油套管。与无缝管相比，HFW石油套管具有壁厚均匀、尺寸精度高、射孔性能好、抗挤毁能力强、规格范围宽、生产效率高、成本低等显著优势，可以替代同钢级无缝套管在油田使用。因此，一直受到油田的青睐。

API Spec 5CT规定：N80-Q级别石油套管的屈服强度在552-785MPa之间，抗拉强度≥689MPa，伸长率≥19%；0℃时横向夏比冲击功≥14J（或纵向夏比冲击功≥27J）。

为得到这种高强度N80钢级直缝焊石油套管钢，从产品设计角度考虑，一般有2种方案。其一，钢带产品的热轧态力学性能直接达到，制成的HFW直缝焊管无需整管热处理，即API 5CT N80-1钢管。其二，钢带产品的热轧态力学性能仅达到API 5CT J55，制成的HFW直缝焊管需整管调质热处理，即API 5CT N80-Q钢管。与API 5CTN80-1直缝焊石油套管相比，API 5CT N80-Q钢管具有生产合金成本低，制管成型较容易、且焊缝和管体得组织和性能十分接近，提高钢管整体的产品质量。

在本发明之前，已有一些有关N80-Q钢级HFW石油套管的文献或发明专利，但采用中碳添加适量B设计的N80-Q级HFW石油套管报导很少，以下简单介绍与本发明较为接近的文献和专利：

1）中国专利CN101376943A，80ksi钢级直缝焊石油套管用钢、套管及制造方法。成分中含C：0.15%-0.35%，Mn：0.8%-1.5%，Mo：0.1%-0.5%，制管后进行整管调质热处理。该专利中添加贵重元素Mo，合金成本高。

2）中国专利CN101643883A，N80、P110、L80钢级直缝焊石油套管用钢及套管制造。成分中C：0.10%-0.24%，Mn：1.4%-1.6%，Cr：0.3%-0.6%，Nb：0.12%-0.14%，V：0.08%-0.12%，制管后进行整管调质热处理。该专利中添加较多贵重元素Nb、V，且含量高，合金成本高。

3）中国专利CN101319292A，高韧性N80油套管及制造方法。成分中C：0.27%-0.32%，Mn：1.10%-1.30%，Cu：≤0.20%，Ni：≤0.20%，Cr：≤0.20%。制管后进行整管调质热处理。该专利中添加贵重元素Ni、Cu，合金成本高。

4）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。

5）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。该专利中添加贵重元素V，合金成本高；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。

6）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。

7）日本专利JP59170223A，正火型均质高强度油井电阻焊钢管制造方法。成分中C：0.25%-0.40%，Mn：1.20%-1.80%，V：0.01-0.20%，选择性加入Mo：0.05%-0.50%，Nb：0.01%-0.055%，B：0.0001%-0.0002%，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；当V达到0.18%时，不添加Mo，当V≤0.12%时，添加Mo≥0.22%，V或Mo的合金成本高。

8）论文“热处理对N80级ERW套管钢组织与性能的影响”，成分中C：0.13%，Mn：1.49%，Si：0.26%，Mo：0.25%，Cr：0.66%，Ni：0.25%，Nb：0.041%，S：0.04%，Ti：0.023%，P：0.01%。该论文中添加贵重合金元素Mo、Ni、Nb和大量Cr，合金成本高。

9）论文“N80 级ERW 石油套管用钢连续冷却转变行为的研究”，成分中C：0.200%-0.212%，Mn：1.000%-1.070%，Si：0.18%-0.25%，Nb+Mo+Cr：0.242%-0.580%，Ti+Al：0.015%-0.050%。该论文中添加贵重合金元素Mo、Nb，合金成本高。

上述专利和论文与本发明产品较为接近，均为制造调质态N80-Q直缝焊石油套管的发明专利，有的添加较多贵重合金Mo、Nb、Ni、Cu、V，合金成本高，有的碳含量偏高钢带韧性不良，有的碳当量偏高钢带焊接性不良等缺陷。

发明内容

针对目前生产调质态N80-Q钢级直缝焊石油套管用钢存在的技术问题，例如：添加较多贵重金属Mo、Nb、Ni、V、Cu，合金成本高；碳含量偏高，钢带韧性不良，焊接性不良；热轧态板卷性能高，后续制管成型较困难；非调质N80-1直缝焊石油套管只对焊缝进行热处理难以保证管体和焊缝性能一致性等等问题，本发明公开高强度N80-Q级直缝焊油套管用钢及其制造方法，特别是采用中碳添加适量B设计，其热轧态钢带力学性能为API 5CT J55钢级，其整管调质热处理后力学性能满足API 5CT N80-Q钢级。

本发明的化学成分按重量百分比配比如下：C：0.22%-0.26%，Si：0.10%-0.30%，Mn：1.20%-1.50%，P：≤0.020%，S：≤0.008％，Ti：0.010%-0.030%，Als：0.02%-0.05%，B：0.0008%-0.0025%，N：≤0.008％，其余为Fe和不可避免元素。

C：碳为碳化物形成元素，是保证强度的最有效元素，可以提高淬透性和热处理后性能稳定性，保证高温长时间回火时材料强度，因此，碳含量不宜过低；但碳含量过高将影响产品的冲击韧性，其最佳范围是0.22%-0.26%。

Si：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0.10％-0.30％。

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1.20%-1.50%。

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，为保证钢水的高纯净度，应控制其含量≤0.008%。

Ti：钛是强的固氮元素，加入0.015%左右Ti时，可在板坯连铸时形成高温稳定细小的TiN析出相，这种细小的TiN析出相可有效阻止连铸坯在加热过程中奥氏体晶粒的长大，同时对改善钢焊接时热影响区的韧性有明显作用，合适的范围是0.010%-0.030%。

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%-0.05%。

B：硼能够显著提高淬透性并改善韧性。硼提高淬透性的能力很强，0.001%~0.003%的硼相当于0.6%锰、0.7%铬、0.5%钼和1.5%镍，故可添加少量硼达到替代贵重合金元素的作用。硼含量过高过低，均会影响其淬透性。合适的范围是0.0008%-0.0025%。

N：固溶氮有钉扎位错的强烈作用，对韧性有不良影响，应控制其含量≤0.008%

为了达到更好性能指标，本发明采用上述组成成分并结合下述工艺方法，包括铁水预处理、钢水冶炼、炉外精炼和板坯连铸、连铸坯再加热、轧制、冷却、卷取和整管热处理。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、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1160-1260℃，随后经热连轧机组采用常规两阶段轧制，第一阶段粗轧开轧温度为1060-1120℃，终轧温度大于1000℃，第二阶段精轧开轧温度小于1000℃，终轧温度为820-880℃，轧后钢带以4-12℃/s的速度进行冷却，在630-730℃温度进行钢带卷取。

3）热轧态钢带的屈服强度为379-552MPa，抗拉强度为520-690MPa。

4）钢带经过HFW机组进行高频电阻焊制成强度为API J55级别的钢管。

5）整管调质热处理工艺：经HFW制管后，整管加热到870-930℃，保温30-60min，水淬；再把整管加热到520-620℃，保温60-120min，空冷回火。

6）调质后整管的屈服强度为620-735MPa，抗拉强度为700-805MPa，0℃横向夏比冲击功（3个试样均值）Akv≥48J。

本发明与现有技术相对其优点及效果在于：本方案Ｃ含量适中，钢带的冲击韧性良好；用少量的B取代贵金属Mo、Nb、Ni、Cu、V等，降低合金成本；热轧态板卷性能较低，后续制管成型容易。焊管整管进行调质热处理，力学性能为N80-Q级别，保证了管体和焊缝性能的一致性；热轧态板卷屈服强度较低，后续制管成型容易；整管进行调质热处理，性能为N80-Q级别，保证了管体和焊缝性能的一致性。

具体实施方式

下面结合本发明的实施例，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	Ti	Als	B	N
										1	0.246	0.229	1.33	0.0063	0.0042	0.023	0.040	0.0009	0.006
2	0.225	0.255	1.42	0.0039	0.0047	0.014	0.037	0.0011	0.004
										3	0.235	0.226	1.30	0.0127	0.0034	0.019	0.022	0.0018	0.005
4	0.223	0.217	1.29	0.0082	0.0035	0.015	0.045	0.0011	0.005
										5	0.260	0.245	1.34	0.0039	0.0010	0.023	0.031	0.0017	0.007
6	0.257	0.249	1.33	0.0042	0.0012	0.016	0.024	0.0019	0.004

表2  加热、轧制工艺和热轧态力学性能

表3  调质工艺和力学性能

由表3可见，采用本发明的成分设计和轧制、整管热处理工艺，生产出的强度N80-Q级直缝焊石油套管，满足API SPEC 5CT标准对N80-Q级钢管的要求。

Claims (4)

1.一种N80-Q级直缝焊油套管用钢，其特征在于，化学成分按重量百分比配比如下：C：0.22%-0.26%，Si：0.10%-0.30%，Mn：1.20%-1.50%，P：≤0.020%，S：≤0.008％，Ti：0.010%-0.030%，Als：0.02%-0.05%，B：0.0008%-0.0025%，N：≤0.008％，其余为Fe和不可避免元素。

2.一种权利要求1所述N80-Q级直缝焊油套管用钢的制造方法，包括铁水预处理、钢水冶炼、炉外精炼、板坯连铸、轧制、制管和整管热处理，其特征在于所述的加热轧制工艺为：连铸板坯经加热炉加热至1160-1260℃，随后经热连轧机组采用两阶段轧制，第一阶段粗轧开轧温度为1060-1120℃，终轧温度大于1000℃，第二阶段精轧开轧温度小于1000℃，终轧温度为820-880℃，轧后钢带以4-12℃/s的速度进行冷却，在630-730℃温度进行钢带卷取；所述的整管热处理为：经HFW制管后，整管加热到870-930℃，保温30-60min，水淬；再把整管加热到520-620℃，保温60-120min，空冷回火。

3.根据权利要求2所述N80-Q级直缝焊油套管用钢的制造方法，其特征在于所述炉外精炼，采用LF炉进行轻脱硫处理和钙处理。

4.根据权利要求2所述N80-Q级直缝焊油套管用钢的制造方法，其特征在于所述板坯连铸采用电磁搅拌或动态轻压下。