CN104789875B - 155ksi钢级高强韧性套管钢、套管及其制备方法 - Google Patents

155ksi钢级高强韧性套管钢、套管及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明具体涉及一种155ksi钢级高强韧性套管钢、套管及其制备方法。本发明制备的一种155ksi钢级高强韧性套管钢其化学成分按重量百分比：C 0.23～0.27％、Si 0.20～0.35％、Mn 0.45～0.60％、Cr 0.95～1.10％、Mo 0.75～0.85％、Nb 0.03～0.05％、V 0.07～0.12％、Al0.015～0.045％，其余为Fe、残余元素、杂质和五害元素。本发明制备的高强度套管，主要用于超深油气井及地质复杂油气田使用，根据相关套管的性能要求，选择合理微合金化成分，保证该高强韧性套管钢性能稳定、强韧度匹配良好，满足国内外超深油气井及地质复杂油气田的需要。

Description

155ksi钢级高强韧性套管钢、套管及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种高强韧性套管钢、套管及其制备方法，具体涉及一种155ksi钢级高强韧性套管钢、套管及其制备方法。
背景技术
随着石油资源日益匮乏，而油气需求量日益旺盛，为了获得更多的石油资源，对地质条件复杂、开采难度大的油田的开发加大；随着油井深度增加，井内温度和压力相应提高，固井完井用套管服役的地质环境发生了显著变化，对套管的综合力学性能、使用性能和寿命提出了更高要求，为了确保油井的运行安全，必须采用V155钢级的套管，还要兼具高韧性，对强韧性匹配提出了极高的要求，现有美国API标准的高钢级套管难以胜任；因此对非API标准的高强韧性套管V155的需求越来越旺盛。
一般情况下，金属材料难以兼顾高强度和高韧性，高强韧性套管，特别是155ksi及以上钢级套管的强度很高，韧性要求相应提高，因此，生产高强韧性套管极富挑战性，技术含量和附加值最高，同时又有高风险。全世界生产石油钢管的企业大都是技术最先进、最富盛誉的钢铁企业，其中只有少数企业能生产出性能稳定、强韧度匹配良好的高钢级套管。目前，国内只有几家企业能生产V150套管，但韧性不稳定，未见生产高强韧性套管V155的相关报道，仍需大量进口来满足石油开釆的需要。如何通过微合金化结合冶炼、轧制工艺及适当的调质工艺，开发出高强韧性的V155套管，满足国内外超深油气井及地质复杂油气田的需要，对保证油气开釆的稳定性和安全性，促进钢铁和石油2个领域又好又快发展有重要的现实意义。
发明内容
本发明所要解决的第一个技术问题是提供一种155ksi钢级高强韧性套管钢。
155ksi钢级高强韧性套管钢，其化学成分按重量百分比：C 0.23～0.27％、Si0.20～0.35％、Mn 0.45～0.60％、Cr 0.95～1.10％、Mo 0.75～0.85％、Nb 0.03～0.05％、V 0.07～0.12％、Al0.015～0.045％，其余为Fe、残余元素、杂质和五害元素；
其中，残余元素中：Cu≤0.20％、Ni≤0.20％、Ti≤0.04％；杂质中：P≤0.010％、S≤0.003％、O≤0.0020％、N≤0.0080％；五害元素中：As≤0.020％，Sn≤0.010％，且As+Sn+Pb+Sb+Bi≤0.025％。
进一步的，为了得到更优的技术方案，上述所述155ksi钢级高强韧性套管钢的化学成分按重量百分比：C 0.24％、Si 0.20％、Mn 0.5％、Cr1.03％、Mo0.81％、Nb 0.036％、V0.084％、Al 0.022％，其余为Fe、残余元素、杂质和五害元素；其中，残余元素中：Cu0.06％、Ni 0.04％、Ti 0.016％；杂质中：P 0.006％、S 0.002％、O 0.0014％、N 0.0057％；五害元素中：As 0.007％，Sn 0.002％，且As+Sn+Pb+Sb+Bi 0.014％；
或其化学成分按重量百分比：C 0.24％、Si 0.24％、Mn 0.48％、Cr0.97％、Mo0.78％、Nb 0.040％、V 0.078％、Al 0.028％，其余为Fe、残余元素、杂质和五害元素；其中，残余元素中：Cu 0.05％、Ni 0.04％、Ti 0.021％；杂质中：P 0.007％、S 0.003％、O0.0015％、N 0.0060％；五害元素中：As 0.007％，Sn 0.003％，且As+Sn+Pb+Sb+Bi0.015％；
或其化学成分按重量百分比：C 0.26％、Si 0.25％、Mn 0.56％、Cr1.08％、Mo0.84％、Nb 0.046％、V 0.091％、Al 0.025％，其余为Fe、残余元素、杂质和五害元素；其中，残余元素中：Cu 0.05％、Ni 0.08％、Ti 0.018％；杂质中：P 0.008％、S 0.002％、O0.0018％、N 0.0066％；五害元素中：As 0.008％，Sn 0.004％，且As+Sn+Pb+Sb+Bi0.017％。
上述所述套管钢的屈服强度：1069～1275MPa；抗拉强度≥1138MPa；0℃横向10×10mm“V”型冲击功≥60J；0℃纵向10×10mm“V”型冲击功≥80J；横纵向冲击韧度比≥0.75；延伸率≥16％；允许硬度变化HRC≤3.0。
本发明所要解决的第二个技术问题是提供一种155ksi钢级高强韧性套管钢的制备方法。
上述所述的155ksi钢级高强韧性套管钢的制备方法，包括以下步骤：
a、炼钢：以低五害元素的铁水、生铁和管头为原料，在电弧炉上进行冶炼，得到初炼钢水；
b、LF精炼和VD真空脱气处理：将初炼钢水进行LF精炼，精炼结束后进行钙处理；钙处理后进行VD真空脱气处理，在真空度≤67Pa下脱气处理15min，之后在真空度≤200Pa下脱气处理至少5min，再进行钙处理，钙处理后进行静吹处理，静吹时间≥15min，出钢，出钢温度1570～1585℃；
c、浇铸：将b步骤处理好后的钢浇铸成连铸圆坯。
上述步骤a中采用低五害元素的铁水、生铁和管头作为原料，是为了保证终点时As≤0.020％、Sn≤0.010％，且As+Sn+Pb+Sb+Bi≤0.025％。
上述所述155ksi钢级高强韧性套管钢的制备方法中，出钢过程加入复合脱氧剂CaBaAlSi1.5～2.5kg/t，Al块2～3kg/t进行强化脱氧；出钢前在钢包中加入石灰2.5～4.5kg/t，加入石灰由于初炼钢水初始温度高有利于渣料熔化，同时石灰可以提高炉渣碱度，利用出钢过程钢水的冲击搅拌和底吹Ar搅拌，钢包内进行脱硫，提高产品的脱硫率，缩短冶炼时间。
其中，通过精炼渣进行深脱硫、脱氧及吸附夹杂物的同时进行适量的钙处理，可以使钢中簇状夹杂物变成较大的复合非金属夹杂物，随后在VD真空处理过程中上浮去除；VD真空处理后进行适量的钙处理，可以使钢中未去除的细小非金属夹杂物变成低熔点球形夹杂物，使钢中的夹杂物改变性质。所以对上述所述b步骤中LF精炼结束后和VD真空处理结束后分别进行的钙处理为：用总Ca含量为50％的纯钙线进行钙处理，加入纯钙线量为0.08～0.10kg/t。
上述所述c步骤中浇铸成连铸圆坯，控制中间包浇注过热度，浇铸温度1525～1545℃；其中，浇铸过程中二冷曲线采用弱冷，比水量0.42～0.48Kg/t；搅拌采用结晶器电搅和末端电搅，结晶器电磁搅拌参数：电流200A、频率2.5Hz，末端电磁搅拌参数：电流150A、频率8.0Hz。
本发明所要解决的第三个技术问题是提供一种155ksi钢级高强韧性套管钢制备的套管。
本发明所要解决的第四个技术问题是提供一种155ksi钢级高强韧性套管钢制备的套管的制备方法。
其中，上述所述的一种155ksi钢级高强韧性套管钢制备的套管的制备方法：包括以下步骤：
①、圆坯制造：采用上述所述155ksi钢级高强韧性套管钢的制备方法制备连铸圆坯；
②、制管：将浇铸好的连铸圆坯经环形加热炉加热；
③、热处理：将a步骤制成的管采用喷淋+内轴流水冷淬火，空冷回火热处理工艺，得到高强韧性套管。
其中，上述套管的制备方法中，合格连铸坯经环型加热炉加热，加热段温度：1210～1270℃，均热段温度：1240～1260℃，加热保温时间≥2.8h，出料节奏55s/支。
热处理采用喷淋+内轴流水冷淬火，空冷回火热处理工艺，其中淬火和回火的工艺参数如下：
淬火：装入方式按1支/齿装入，步进周期65秒，淬火炉温度：945～965℃，出炉管温：890～910℃，喷淋水量：≥2500m3/h，时间30秒，内轴流水量：≥1200m3/h，时间30秒。
回火：装入方式按1支/齿装入，步进周期65秒，回火温度：665～685℃，出炉管温：615～625℃，空冷。
本发明制备的一种155ksi钢级高强韧性套管钢及用该高强度钢制备的套管，主要用于超深油气井及地质复杂油气田使用，根据相关套管的性能要求，选择合理微合金化成分实现良好强韧性匹配，保证该高强韧性套管钢性能稳定、强韧度匹配良好，满足国内外超深油气井及地质复杂油气田的需要。
具体实施方式
155ksi钢级高强韧性套管钢，其化学成分按重量百分比：C 0.23～0.27％、Si0.20～0.35％、Mn 0.45～0.60％、Cr 0.95～1.10％、Mo 0.75～0.85％、Nb 0.03～0.05％、V 0.07～0.12％、Al0.015～0.045％，其余为Fe、残余元素、杂质和五害元素；
其中，残余元素中：Cu≤0.20％、Ni≤0.20％、Ti≤0.04％；杂质中：P≤0.010％、S≤0.003％、O≤0.0020％、N≤0.0080％；五害元素中：As≤0.020％，Sn≤0.010％，且As+Sn+Pb+Sb+Bi≤0.025％。
上述所述套管钢的屈服强度：1069～1275MPa；抗拉强度≥1138MPa；0℃横向10×10mm“V”型冲击功≥60J；0℃纵向10×10mm“V”型冲击功≥80J；横纵向冲击韧度比≥0.75；延伸率≥16％；允许硬度变化HRC≤3.0。
上述所述的155ksi钢级高强韧性套管钢的制备方法，包括以下步骤：
a、炼钢：以低五害元素的铁水、生铁和管头为原料，在电弧炉上进行冶炼，得到初炼钢水；
b、LF精炼和VD真空脱气处理：将初炼钢水进行LF精炼，精炼结束后进行钙处理；钙处理后进行VD真空脱气处理，在真空度≤67Pa下脱气处理15min，之后在真空度≤200Pa下脱气处理至少5min，再进行钙处理，钙处理后进行静吹处理，静吹时间≥15min，出钢，出钢温度1570～1585℃；
c、浇铸：将b步骤处理好后的钢浇铸成连铸圆坯。
上述步骤a中采用低五害元素的铁水、生铁和管头作为原料，是为了保证终点时As≤0.020％、Sn≤0.010％，且As+Sn+Pb+Sb+Bi≤0.025％。
上述所述155ksi钢级高强韧性套管钢的制备方法中，出钢过程加入复合脱氧剂CaBaAlSi1.5～2.5kg/t，Al块2～3kg/t进行强化脱氧；出钢前在钢包中加入石灰2.5～4.5kg/t，加入石灰由于初炼钢水初始温度高有利于渣料熔化，同时石灰可以提高炉渣碱度，利用出钢过程钢水的冲击搅拌和底吹Ar搅拌，钢包内进行脱硫，提高产品的脱硫率，缩短冶炼时间。
其中，通过精炼渣进行深脱硫、脱氧及吸附夹杂物的同时进行适量的钙处理，可以使钢中簇状夹杂物变成较大的复合非金属夹杂物，随后在VD真空处理过程中上浮去除；VD真空处理后进行适量的钙处理，可以使钢中未去除的细小非金属夹杂物变成低熔点球形夹杂物，使钢中的夹杂物改变性质。所以对上述所述b步骤中LF精炼结束后和VD真空处理结束后分别进行的钙处理为：用总Ca含量为50％的纯钙线进行钙处理，加入纯钙线量为0.08～0.10kg/t。
上述所述c步骤中浇铸成连铸圆坯，控制中间包浇注过热度，浇铸温度1525～1545℃；其中，浇铸过程中二冷曲线采用弱冷，比水量0.42～0.48Kg/t；搅拌采用结晶器电搅和末端电搅，结晶器电磁搅拌参数：电流200A、频率2.5Hz，末端电磁搅拌参数：电流150A、频率8.0Hz。
其中，上述所述的一种155ksi钢级高强韧性套管钢制备的套管的制备方法：包括以下步骤：
①、圆坯制造：采用上述所述155ksi钢级高强韧性套管钢的制备方法制备连铸圆坯；
②、制管：将浇铸好的连铸圆坯经环形加热炉加热；
③、热处理：将a步骤制成的管采用喷淋+内轴流水冷淬火，空冷回火热处理工艺，得到高强韧性套管。
其中，上述套管的制备方法中，合格连铸坯经环型加热炉加热，加热段温度：1210～1270℃，均热段温度：1240～1260℃，加热保温时间≥2.8h，出料节奏55s/支。
热处理采用喷淋+内轴流水冷淬火，空冷回火热处理工艺，其中淬火和回火的工艺参数如下：
淬火：装入方式按1支/齿装入，步进周期65秒，淬火炉温度：945～965℃，出炉管温：890～910℃，喷淋水量：≥2500m3/h，时间30秒，内轴流水量：≥1200m3/h，时间30秒。
回火：装入方式按1支/齿装入，步进周期65秒，回火温度：665～685℃，出炉管温：615～625℃，空冷。
下面结合实施例对本发明的具体实施方式做进一步的描述，并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。
实施例1
①炼钢
采用低五害元素的铁水、生铁和管头作为原料，保证终点As≤0.020％、Sn≤0.010％；且As+Sn+Pb+Sb+Bi≤0.025％。
出钢过程强化脱氧，脱氧剂加入量：CaBaAlSi 1.5～2.5kg/t，Al块2～3kg/t；出钢前在钢包内加入石灰2.5～4.5kg/t。
LF精炼冶炼钢水，将成分调整为按质量百分比计包括：C 0.23～0.27％、Si 0.20～0.35％、Mn 0.45～0.60％、Cr 0.95～1.10％、Mo 0.75～0.85％、Nb 0.03～0.05％、V0.07～0.12％、Al0.015～0.045％，Cu≤0.20％，Ni≤0.20％，Ti≤0.04％，P≤0.010％，S≤0.003％，O≤0.0020％，N≤0.0080％；As≤0.020％、Sn≤0.010％，且As+Sn+Pb+Sb+Bi≤0.025％，其余为Fe、残余元素和杂质的合格钢水。
保证白渣时间≥20min，使钢中夹杂物得到充分上浮；同时采用二次钙处理工艺，LF精炼结束后和VD真空处理结束后分别喂入总Ca含量50％的纯钙线进行钙处理，喂入纯Ca线量0.08～0.10kg/t。
精炼后在真空度≤67Pa下脱气处理15min，之后在真空度≤200Pa下脱气处理5min以上，真空脱气处理后再次进行钙处理，钙处理后进行静吹处理，在钢液面微动情况下静吹时间≥15min，并控制出钢温度1570～1585℃，出钢。
浇铸成连铸圆坯，控制中间包浇注过热度，浇铸温度1525～1545℃；二冷曲线采用弱冷，比水量0.42～0.48Kg/t；采用结晶器电搅和末端电搅，结晶器电磁搅拌参数：电流200A、频率2.5Hz，末端电磁搅拌参数：电流150A、频率8.0Hz。实际控制成分如表1：
表1 化学成分 单位：％
②制管：
合格连铸坯经环型加热炉加热，加热段温度：1210～1270℃，均热段温度：1240～1260℃，加热保温时间≥2.8h，出料节奏55s/支。
③热处理：
采用喷淋+内轴流水冷淬火，空冷回火热处理工艺。
淬火：装入方式按1支/齿装入，步进周期65秒，淬火炉温度：945～965℃，出炉管温：890～910℃，喷淋水量：≥2500m3/h，时间30秒，内轴流水量：≥1200m3/h，时间30秒。
回火：装入方式按1支/齿装入，步进周期65秒，回火温度：665～685℃，出炉管温：615～625℃，空冷。
④最终产品性能检测结果如下
产品力学性能如表2：
表2 产品力学性能

Claims (8)

1.155ksi钢级高强韧性套管钢，其特征在于：其化学成分按重量百分比：C 0.23～0.27％、Si 0.20～0.35％、Mn 0.45～0.60％、Cr 0.95～1.10％、Mo 0.75～0.85％、Nb0.03～0.05％、V 0.07～0.12％、Al 0.015～0.045％，其余为Fe、残余元素、杂质和五害元素；
其中，残余元素中：Cu≤0.20％、Ni≤0.20％、Ti≤0.04％；杂质中：P≤0.010％、S≤0.003％、O≤0.0020％、N≤0.0080％；五害元素中：As≤0.020％，Sn≤0.010％，且As+Sn+Pb+Sb+Bi≤0.025％；
所述套管钢的屈服强度：1069～1275MPa；抗拉强度≥1138MPa；0℃横向10×10mm“V”型冲击功≥60J；0℃纵向10×10mm“V”型冲击功≥80J；横纵向冲击韧度比≥0.75；延伸率≥16％；允许硬度变化HRC≤3.0。
2.根据权利要求1所述155ksi钢级高强韧性套管钢，其特征在于：其化学成分按重量百分比：C 0.24％、Si 0.20％、Mn 0.5％、Cr1.03％、Mo0.81％、Nb 0.036％、V 0.084％、Al0.022％，其余为Fe、残余元素、杂质和五害元素；其中，残余元素中：Cu 0.06％、Ni 0.04％、Ti 0.016％；杂质中：P 0.006％、S 0.002％、O 0.0014％、N 0.0057％；五害元素中：As0.007％，Sn 0.002％，且As+Sn+Pb+Sb+Bi 0.014％；
或其化学成分按重量百分比：C 0.24％、Si 0.24％、Mn 0.48％、Cr0.97％、Mo0.78％、Nb 0.040％、V 0.078％、Al 0.028％，其余为Fe、残余元素、杂质和五害元素；其中，残余元素中：Cu 0.05％、Ni 0.04％、Ti 0.021％；杂质中：P 0.007％、S 0.003％、O 0.0015％、N0.0060％；五害元素中：As 0.007％，Sn 0.003％，且As+Sn+Pb+Sb+Bi 0.015％；
或其化学成分按重量百分比：C 0.26％、Si 0.25％、Mn 0.56％、Cr1.08％、Mo0.84％、Nb 0.046％、V 0.091％、Al 0.025％，其余为Fe、残余元素、杂质和五害元素；其中，残余元素中：Cu 0.05％、Ni 0.08％、Ti 0.018％；杂质中：P 0.008％、S 0.002％、O 0.0018％、N0.0066％；五害元素中：As 0.008％，Sn 0.004％，且As+Sn+Pb+Sb+Bi 0.017％。
3.用权利要求1或2所述的155ksi钢级高强韧性套管钢制造的套管。
4.权利要求1或2所述的155ksi钢级高强韧性套管钢的制备方法：其特征在于：包括以下步骤：
a、炼钢：以低五害元素的铁水、生铁和管头为原料，冶炼，得到初炼钢水；
b、LF精炼和VD真空脱气处理：将初炼钢水进行LF精炼，精炼结束后进行钙处理；钙处理后进行VD真空脱气处理，在真空度≤67Pa下脱气处理15min，之后在真空度≤200Pa下脱气处理至少5min，再进行钙处理；钙处理后进行静吹处理，静吹时间≥15min，出钢，出钢温度1570～1585℃；
c、浇铸：将b步骤处理好后的钢浇铸成连铸圆坯。
5.根据权利要求4所述155ksi钢级高强韧性套管钢的制备方法，其特征在于：出钢过程加入脱氧剂CaBaAlSi 1.5～2.5kg/t，Al块2～3kg/t进行强化脱氧；出钢前在钢包中加入石灰2.5～4.5kg/t。
6.根据权利要求4所述155ksi钢级高强韧性套管钢的制备方法，其特征在于：所述b步骤中钙处理为：用总Ca含量为50％的纯钙线进行钙处理，加入纯钙线量为0.08～0.10kg/t。
7.根据权利要求4所述155ksi钢级高强韧性套管钢的制备方法，其特征在于：所述c步骤中浇铸温度1525～1545℃。
8.制备权利要求3所述的套管的方法：其特征在于：包括以下步骤：
①、圆坯制造：采用权利要求5～7任一项所述155ksi钢级高强韧性套管钢的制备方法制备连铸圆坯；
②、制管：将浇铸好的连铸圆坯经环形加热炉加热；
③、热处理：将a步骤制成的管采用喷淋+内轴流水冷淬火，空冷回火热处理工艺，得到高强韧性套管。
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