CN105695882A - J55级低屈强比电阻焊套管用钢及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种J55级低屈强比电阻焊套管用钢及其制造方法，其化学成分w％为：C：0.090％～0.128％，Si：0.10％～0.35％，Mn：1.02％～1.25％，P：≤0.015％，S：≤0.008％，Nb：0.01％～0.03％，Ti：0.010％～0.030％，Cr：0.30％～0.40％，Als：0.02％～0.06％，N：≤0.008％，其余为Fe和不可避免元素，其方法的特征为：连铸板坯经加热炉加热至1160～1200℃，第一阶段终轧温度大于980℃；第二阶段开轧温度980～1020℃，终轧温度为810～865℃；轧后的钢带采用层流间断式冷却，冷却速度为12～18℃/s；在590～680℃卷取，本发明优点及效果在于：碳含量较低，焊接性和冲击韧性良好；适量添加Cr合金，钢管的安全性好，保证了屈服强度和抗拉强度满足标准要求。

Description

J55级低屈强比电阻焊套管用钢及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种直缝电阻焊石油套管(简称ERW/HFW)用钢及其制造方法，特别是涉及APISPEC5CT中一种低屈强比的J55级别ERW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之一，每年的需求量约为80～100万吨，占石油工业用钢的总量的40％以上，是油气田钻采作业中必不可少的施工材料。ERW套管与无缝管相比，具有壁厚均匀、尺寸精度高、射孔性能好、抗挤毁能力强、成本低等显著优势，特别是J55级别ERW套管已大部分替代传统的无缝钢管。

APISpec5CT规定：J55级别钢管的屈服强度在379～552MPa之间，抗拉强度≥517MPa，伸长率≥24％，冲击功没有强制要求，可选择Akv(21℃，横向)≥20J。

J55直缝焊石油套管钢要求材料除了具备相应的强度要求外，还具有良好的焊接性能和一定的冲击韧性；同时为了具有更好的制管成型性，希望屈服强度低于500MPa，而抗拉强度高于540MPa，即要求钢管具有低的屈强比，此时钢管的安全性也更好。目前，ERW～J55钢的生产通常采用高的C含量结合Nb、V和Ti多元化合金强化的成分设计。该方案焊接性和冲击韧性一般，屈服强度高，ERW机组能力低时容易导致成形性不良，钢管的屈强比高，安全性一般。

在本发明之前，已有多个有关J55级ERW石油套管用钢的文献或发明专利，但都存在C含量偏高，屈服强度偏高，屈强比高等问题。采用低的C含量添加适量Cr的合金设计，降低屈服强度在500MPa以下，但抗拉强度保证在540MPa以上，具有良好的焊接性、冲击韧性和成形性的J55级ERW石油套管用钢的相关报导却没有，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CN1884787A，一种基于电炉薄板坯连铸连轧流程生产J55钢级石油套管用钢的方法。C：0.15％～0.22％，Mn：0.70％～1.60％，Nb：≤0.006％，Ti：≤0.035％；入炉温度900～1050℃，均热温度1100～1200℃，开轧温度1030～1130℃，终轧温度800～900℃，强冷却模式，卷取温度550～650℃。

2)中国专利CN101200791A，一种低成本的石油套管用钢及其生产方法。C：0.15％～0.20％，Mn：1.00％～1.45％，Nb：0.020％～0.040％，Ti：0.015％～0.040％；板坯加热温度1200～1250℃，终轧温度880～850℃，卷取温度560±20℃，层流冷却：采用后段冷却。

3)中国专利CN101210299A，高强韧性J55石油套管用钢及其生产方法。C：0.15％～0.20％，Mn：1.00％～1.45％，Nb：0.020％～0.040％，Ti：0.015％～0.040％；加热时间150～200min，均热温度1240～1280℃，粗轧末道次温度：1020～1080℃，精轧终轧温度820～910℃，卷取温度560～660℃。

4)中国专利CN1019994057A，一种钒合金化直缝电阻焊石油套管用钢及其制造方法。C：0.14％～0.21％，Mn：0.8％～1.4％，V：0.015％～0.050％，Ti：0.008％～0.020％；板坯经1160～1250℃轧制成板带，终轧温度800～900℃，卷取温度520～640℃。

5)中国专利CN1924061A，制造J55级焊接石油套管的低合金高强度钢。C：0.16％～0.21％，Mn：1.00％～1.30％，V：0.020％～0.070％或C：0.07％～0.12％，Mn：1.40％～1.55％，Nb：0.015％～0.030％；工艺未公开。

6)中国专利CN101033525A，直缝焊石油套管用热轧板带及其生产方法。C：0.14％～0.21％，Mn：1.0％～1.5％，Ti：0.015％～0.04％；板坯加热至1100～1200℃，终轧温度820～930℃，卷取温度520～650℃。

7)中国专利CN101928877A，一种石油套管用钢、高频焊石油套管及其制造方法。C：0.13％～0.18％，Mn：0.60％～1.00％，Nb：0.008％～0.020％；加热温度1200～1280℃，终轧温度大于870℃，层流冷却，以2～30℃/s的速度冷却到680℃以下卷取成钢卷。

8)论文“J55热轧钢卷分层原因分析”，成分中C：0.185％，Mn：1.20％，Nb：0.025％，Ti：0.013％，贵重合金成本高；工艺未公开。

9)论文“薄板坯连珠连轧生产石油套管用J55热轧钢带”，成分中C：≤0.21％，Mn：≤1.50％，Nb：≤0.06％，Ti：≤0.03％，贵重合金成本高；工艺未公开。

10)论文“莱钢J55石油套管钢的生产实践”，成分中C：0.15％～0.20％，Mn：1.105％～1.25％，Nb：0.021％～0.029％，Ti：0.015％～0.033％；工艺未公开。

以上公开的专利和文献中，基本上都采用高的C含量，结合Nb、V和Ti多元化合金强化的成分设计，焊接性和冲击韧性一般，屈服强度高；文献5)中存在低的C含量设计(C：0.07％～0.12％)，为了保证强度，Mn含量略高，屈服强度高(379～552MPa)，抗拉强度低(≥517MPa)，无法保证低的屈强比；在工艺上，公开文献或采用强冷却模式或采用后段缓慢冷却，且对冷却速度没有控制或控制范围过大。冷却速度过大，导致晶粒过细，屈服强度升高快于抗拉强度，屈强比升高；冷却速度过小，导致晶粒粗大，强度偏低(屈服强度和抗拉强度)，无法满足标准要求，同时晶粒粗大对冲击韧性不利。高碳对焊接性和冲击韧性不利，且钢带制管后焊缝由于碳含量高容易产生产生硬化相而产生微裂纹导致探伤不合格；合金多成本增加。

以上公开的直缝焊石油套管用钢达到了美国石油协会APISpec5CT规定的J55钢带要求，但都存在C成分偏高，屈服强度高，抗拉强度低，屈强比高等问题。

发明内容

本发明针对目前J55级ERW石油套管用钢生产存在的技术问题，例如：采用高C含量，屈服强度高，抗拉强度低，焊接性、冲击韧性和成形性一般等技术问题，提供一种直缝电阻焊石油套管用钢及其制造方法，特别是采用低碳添加适量Cr设计，具有良好的焊接性、冲击韧性和成形性的低屈强比J55级ERW石油套管钢及其制造方法。

本发明的目的是这样实现的，

一种J55级低屈强比ERW石油套管用钢，其化学成分(重量，％)配比如下：C：0.090％～0.128％，Si：0.10％～0.35％，Mn：1.02％～1.25％，P：≤0.015％，S：≤0.008％，Nb：0.01％～0.03％，Ti：0.010％～0.030％，Cr：0.30％～0.40％，Als：0.02％～0.06％，N：≤0.008％，其余为Fe和不可避免元素。

与现有技术相比，本方案采用低的碳含量添加适量Cr成分设计，具有良好的焊接性、冲击韧性和成形性，保证了低的屈服强度、高的抗拉强度以及低的屈强比，具有更好的安全性。

C：碳为碳化物形成元素，是保证强度最为有效的元素。可以提高淬透性，通过固溶强化和析出强化作用提高钢材的强度。但碳含量过高，会降低焊接性能，并加剧碳偏析。因此，碳含量控制在0.090％～0.128％较为适宜。

Mn：锰为奥氏体形成元素，可以提高钢的淬透性，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，降低冲击韧性，其最佳范围是1.02％～1.25％。

Si：硅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0.15％～0.35％。

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≤0.015％。

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，应控制其含量≤0.008％。

Nb：铌是微合金元素，可以推迟奥氏体再结晶而显著细化晶粒，降低韧脆转变温度，在焊接重结晶过程中阻碍奥氏体晶粒长大，有利于提高焊缝性能。但含量过高则造成合金成本高，其最佳范围是0.01％～0.03％。

Ti：钛是强碳氮化物形成元素，显著细化奥氏体晶粒，可弥补因碳降低而引起的强度的下降。含量太高，易形成粗大的TiN，降低材料性能，合适的范围是0.010％～0.030％。

Cr：铬可通过固溶强化和细晶强化来提高强度。Cr可以和Mn一样固溶到固溶体中，起到提高强度的作用。Cr元素溶入奥氏体后增大过冷奥氏体的稳定性，使C曲线右移，提高钢的淬透性。钢材具有高的强度、硬度。但Cr含量过高会显著提高钢的脆性转变温度，降低伸长率。合适的范围是0.30％～0.40％。

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％～0.06％。

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％

本发明的一种J55级低屈强比ERW石油套管用钢的制造方法，包括铁水预处理、钢水冶炼、炉外精炼和板坯连铸、连铸坯再加热、轧制、冷却、卷取。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1160～1200℃，随后在热连轧机组进行两阶段轧制，第一阶段终轧温度大于980℃；第二阶段开轧温度980～1020℃，终轧温度为810～865℃。

3)冷却工艺：轧后的钢带采用层流间断式冷却，每隔5米开一组冷却水，共6-8组冷却水，冷却速度为12～18℃/s；该冷却速度下，对该C-Mn-Nb-Cr成分范围的M/A硬相形成有利，可有效提高抗拉强度，但屈服强度提高不明显，且保证一定的韧性；如果冷却速度过大，晶粒细化明显，导致屈服强度明显升高，难于控制屈强比在较低水平；如果冷却速度过小，晶粒细化差，M/A硬相难于形成，抗拉强度无法保证。在590～680℃卷取，使铁素体晶粒适量长大，从而获得较低的屈服强度；有利于Nb元素析出强化作用，提高屈服和抗拉强度；有利于Cr元素的固溶强化作用，有效提高抗拉强度而不明显提高屈服强度。

本发明优点及效果在于：1)碳含量较低，焊接性和冲击韧性良好；2)适量添加Cr合金，抗拉强度高，屈强比低(0.68-0.81)；3)由于屈强比低，钢管的安全性好，屈强比越低，材料从起始塑性变形到最后断裂的形变容量就越大，就可有效缓解因过载而产生的应力集中，屈强比越低越安全。

本发明采用低于传统J55的C含量，添加适量Cr元素，结合合适轧制冷却工艺，特别是优化的冷却速度12～18℃/s，对C-Mn-Nb-Cr成分范围的M/A硬相形成有利，形成铁素体-珠光体加少量细小的M/A硬相，大幅度提高抗拉强度，屈服强度提高不明显，且具有高的冲击韧性。同时，Nb元素析出强化作用，保证晶粒有效细化，Cr元素的固溶强化作用，保证了屈服强度和抗拉强度满足标准要求。

附图说明

附图为本发明的金相组织图。

具体实施方式

其化学成分(重量，％)配比如下：C：0.090％～0.128％，Si：0.10％～0.35％，Mn：1.02％～1.25％，P：≤0.015％，S：≤0.008％，Nb：0.01％～0.03％，Ti：0.010％～0.030％，Cr：0.30％～0.40％，Als：0.02％～0.06％，N：≤0.008％，其余为Fe和不可避免元素。

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1160～1200℃，随后在热连轧机组进行两阶段轧制，第一阶段终轧温度大于980℃；第二阶段开轧温度980～1020℃，终轧温度为810～865℃。

3)冷却工艺：轧后的钢带采用层流间断式冷却，每隔5米开一组冷却水，共6-8组冷却水，冷却速度为12～18℃/s；该冷却速度下，对该C-Mn-Nb-Cr成分范围的M/A硬相形成有利，可有效提高抗拉强度，但屈服强度提高不明显，且保证一定的韧性；如果冷却速度过大，晶粒细化明显，导致屈服强度明显升高，难于控制屈强比在较低水平；如果冷却速度过小，晶粒细化差，M/A硬相难于形成，抗拉强度无法保证。在590～680℃卷取，使铁素体晶粒适量长大，从而获得较低的屈服强度；有利于Nb元素析出强化作用，提高屈服和抗拉强度；有利于Cr元素的固溶强化作用，有效提高抗拉强度而不明显提高屈服强度。

下面介绍本发明的几个最佳实施例，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	Nb	Ti	Cr	Als	N
											1	0.095	0.16	1.24	0.013	0.0025	0.028	0.024	0.39	0.031	0.0045
2	0.127	0.18	1.13	0.012	0.0028	0.020	0.026	0.32	0.031	0.0052
											3	0.126	0.22	1.05	0.008	0.0054	0.018	0.018	0.31	0.031	0.0050
4	0.118	0.20	1.19	0.007	0.005	0.026	0.027	0.38	0.034	0.0047
											5	0.125	0.32	1.15	0.010	0.004	0.022	0.024	0.36	0.045	0.0055
6	0.109	0.19	1.22	0.011	0.0046	0.018	0.024	0.36	0.038	0.006

表2加热、轧制工艺

表3力学性能

由表3可见，采用本发明的成分设计、轧制、冷却和卷取工艺，生产出的低屈强比ERW石油套管，满足APISPEC5CT标准对J55级钢管的要求。

Claims (2)

1.一种J55级低屈强比电阻焊套管用钢，其特征在于，其化学成分按重量百分比配比如下：C：0.090％～0.128％，Si：0.10％～0.35％，Mn：1.02％～1.25％，P：≤0.015％，S：≤0.008％，Nb：0.01％～0.03％，Ti：0.010％～0.030％，Cr：0.30％～0.40％，Als：0.02％～0.06％，N：≤0.008％，其余为Fe和不可避免元素。

2.根据权利要求1所述的一种J55级低屈强比电阻焊套管用钢的制造方法，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，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。

2)轧制工艺：连铸板坯经加热炉加热至1160～1200℃，随后在热连轧机组进行两阶段轧制，第一阶段终轧温度大于980℃；第二阶段开轧温度980～1020℃，终轧温度为810～865℃。

3)冷却工艺：轧后的钢带采用层流间断式冷却，每隔5米开一组冷却水，共6-8组冷却水，冷却速度为12～18℃/s；590～680℃卷取。