CN106319374A - N80q级电阻焊石油套管及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种N80Q级电阻焊石油套管及其制造方法，化学成分按重量百分比，配比如下：C：0.16％-0.22％，Si：0.15％-0.30％，Mn：1.20％-1.60％，P：≤0.020％，S：≤0.008％，Ti：0.01％-0.04％，Cr：0.18％-0.36％，Als：0.02％-0.06％，N：≤0.008％，其余为Fe和不可避免元素。其方法包括铁水预处理、钢水冶炼、炉外精炼和板坯连铸、连铸坯加热、轧制、冷却、卷取、ERW制管和整管热处理；本发明与现有技术相比具备以下技术效果：1)用中碳中锰含铬设计，焊接性、冲击韧性良好；2)整管进行调质热处理，保证了管体和焊缝性能的一致性；3)添加Ti合金结合快冷回火，有效降低高温回火脆性倾向。

Description

N80Q级电阻焊石油套管及其制造方法

技术领域

本发明属于高强度低合金钢领域，涉及到ERW(ERW，ElectricResistance Weld，电阻焊)套管，特别涉及API SPEC 5CT中的一种N80Q石油套管及其制造方法。

背景技术

石油套管是油田最常用的石油专用管材之一，用量大，花钱多，是油气田钻采作业中必不可少的施工材料。相对于无缝管而言，ERW套管具有壁厚均匀、尺寸精度高、射孔性能好、抗挤毁能力强、成本低等显著优势，ERW套管受到生产厂家和油田用户的欢迎。国外发达国家一半以上石油套管都被ERW套管所取代。研发出具有高附加值、不同级别直缝焊油层套管，提高市场竞争力，对节约采油成本，提高我国的石油开采水平有着深远的意义。

API Spec 5CT规定：N80Q级别钢管的纵向屈服强度在552-785MPa之间，抗拉强度≥689MPa，伸长率≥19％；0℃时横向夏比冲击功≥24J。由于该钢级套管强度较高，抗拉强度达690MPa，如果热轧态的钢带达到该强度，一般需要添加一定量贵重合金来提高强度，增加合金成本，且钢管的母材和焊缝组织性能难于达到一致；同时，如果直接采用该强度的热轧钢带制管，由于该强度达到了部分ERW机组制管能力极限，钢管的成型难度大，钢管的尺寸精度和圆度难以保证。因此，通常采用热轧态强度较低的J55热轧钢带进行ERW焊接制管，然后进行整管热处理，使钢管的最终性能达到N80Q级别水平。而且焊缝和管体进行相同的热处理工艺，得到的最终组织相同，有效减轻焊缝与管体的组织、性能差异，消除残余应力，提高钢管整体的质量。

在本发明之前，已有一些有关N80Q钢级ERW石油套管的文献或发明专利，以下简单介绍与本发明较为提要接近的文献和专利：

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。该专利添加Mo，虽然对提高淬透性和抑制高温回火脆性有利，但也增加了合金成本；同时该专利热轧的再加热温度高达1200～1300℃，未添加Ti对抑制再加热过程中奥氏体晶粒长大不利。

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。该专利实施例中的N80Q添加了非常高的Nb、V、Ti，虽然对细化晶粒和提高强度有利，但合金成本较高，且权利要求中Ti含量最高达0.22％(范围0.10％-0.22％)，实施例中为0.16％，对韧性不利。

3)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。该专利中含有贵重元素V，Cr含量高，合金成本高。

4)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。

5)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。

6)论文“N80ERW套管调质前后焊缝组织演变的EBSD研究”，成分中C：0.25％，Mn：1.20％，P：<0.015％，S<0.005。该论文中Mn含量略低，强度容易偏下限；不添加Ti元素，加热晶粒易于长大；同时未添加其他抑制高温回火脆性元素也未提及回火后快冷，无法有效控制高温回火脆性的产生。

以上公开的专利或文献中，为了提高淬透性和抑制高温回火脆性的产生，都添加较多贵重合金Mo、Nb、V，有的还添加了Ni、Cu等合金，使其产品的成本高。

发明内容

本发明针对目前直缝电阻焊石油套管N80Q生产中存在的C含量偏高，焊接性和冲击韧性差；添加较多贵重合金Mo、Ni、Cu、Nb、V导致合金成本高的技术问题，提供一种N80Q级电阻焊石油套管及其制造方法，特别是采用中碳、中锰含Cr设计，添加微量Ti和以铝脱氧，结合高温回火后水冷，有效避免了高温回火脆性的产生，产品具备良好焊接性和冲击性，同时节省了合金，降低了产品的制造成本，本发明其热轧态钢带性能为J55钢级，整管调质后性能为N80Q钢级。

本发明一种N80Q级直缝电阻焊(ERW)石油套管化学成分(重量，％)配比如下：C：0.16％-0.22％，Si：0.15％-0.30％，Mn：1.20％-1.60％，P：≤0.020％，S：≤0.008％，Ti：0.01％-0.04％，Cr：0.18％-0.36％，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，本方案仅采用中碳中锰含Cr设计，钢带满足焊接性和冲击性要求；无贵重合金元素，合金成本低；热轧态板卷性能较低，组织为铁素体-珠光体组织，后续制管成型容易；整管调质热处理，最终组织为回火索氏体，性能为N80Q级别，保证了管体和焊缝性能的一致性。

C：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，保证高温回火时材料强度。碳含量对最终奥氏体、马氏体的碳含量与体积分数有着重要的影响。由于本发明热轧的冷却速度较慢，所以只有保证有足够的碳，才会形成足够的富碳残余奥氏体并能够稳定至室温。因此，碳含量不宜过低，但碳含量过大时，会影响焊接性和冲击韧性，其最佳范围是0.16％-0.22％。

Si：保证钢的强韧性、淬透性和脱氧的作用。同时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％-0.30％。

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。同时还具有扩大奥氏体相区、降低Ar3点温度、细化铁素体晶粒改善低温韧性作用。锰可降低马氏体转变温度Ms，增加残余奥氏体的含量。但锰含量过大，容易造成连铸困难，还易于C、P、S发生偏析现象，加重连铸坯中心偏析与疏松，且还会形成粗大的MnS粒子，恶化冲击韧性，产生微裂纹，造成探伤不合。其最佳范围是1.20％-1.60％。

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，恶化焊接性能，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，具有细化奥氏体晶粒的作用，有利于改善钢的高温回火脆性，同时对改善钢焊接时热影响区的韧性有明显作用；但钛含量过高则造成合金成本高，同时钢带的热轧态性能不稳定。合适的范围是0.010％-0.040％。

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。同时，Cr是中等碳化物形成元素，在所有各种碳化物中，铬碳化物是最细小的一种，它可均匀地分布在钢体积中，并且阻碍奥氏体晶界的移动和奥氏体晶粒的长大，起到细化晶粒的作用，从而改善钢的回火脆性；铬还具有降低钢在高温二氧化碳环境中的腐蚀速度的作用，减慢套管在油井腐蚀速率，提高使用寿命；但铬含量过高会显著提高钢的脆性转变温度，降低伸长率，容易形成粗大的碳化物，反而导致韧性的劣化。合适的范围是0.18％-0.36％。

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，并且有利于改善钢的高温回火脆性，合适的范围是0.02％-0.05％。

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N80Q钢级直缝电阻焊石油套管及其制造方法，包括铁水预处理、钢水冶炼、炉外精炼和板坯连铸、连铸坯加热、轧制、冷却、卷取、ERW制管和整管热处理。

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1150-1250℃，随后经热连轧机组轧制，终轧温度730-850℃，轧后钢带以8-12℃/s的速度进行冷却，在580-650℃温度进行钢带卷取。

3)热轧态钢带组织为铁素体-珠光体，性能为J55级别。

4)钢带经过ERW机组进行高频/中频电阻焊制成钢管。

5)整管调质热处理工艺：经ERW制管后，整管加热到880-920℃，保温30-50min，水淬；再把整管加热到530-590℃回火，保温60-80min，水冷回火，采用这种回火方式可以有效抑制高温回火脆性。

6)调质后整管的屈服强度为585-698MPa，抗拉强度为720-773MPa，-10℃横向夏比冲击功(3个试样均值)Akv＞60J。

本发明技术方案的特别之处在于：1)仅采用中碳中锰含Cr设计，无贵重合金元素，合金成本低；2)采用添加微量Ti和以铝脱氧，结合高温回火后水冷，有效避免了高温回火脆性的产生，同时降低了合金成本；3)热轧态板卷组织为铁素体-珠光体，性能较低，后续制管成型容易；4)整管进行调质热处理，性能为N80Q级别，保证了管体和焊缝性能的一致性。

本发明与现有技术相比具备以下技术效果：

1)用中碳中锰含铬设计，焊接性、冲击韧性良好；

2)整管进行调质热处理，保证了管体和焊缝性能的一致性；

3)添加Ti合金结合快冷回火，有效降低高温回火脆性倾向。

具体实施方式

本发明的一种N80Q级直缝电阻焊(ERW)石油套管化学成分(重量，％)配比如下：C：0.16％-0.22％，Si：0.15％-0.30％，Mn：1.20％-1.60％，P：≤0.020％，S：≤0.008％，Ti：0.01％-0.04％，Cr：0.18％-0.36％，Als：0.02％-0.06％，N：≤0.008％，其余为Fe和不可避免元素。

本发明的一种N80Q钢级直缝电阻焊石油套管的制造方法，包括铁水预处理、钢水冶炼、炉外精炼和板坯连铸、连铸坯加热、轧制、冷却、卷取、ERW制管和整管热处理。

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1150-1250℃，随后经热连轧机组轧制，终轧温度730-850℃，轧后钢带以8-12℃/s的速度进行冷却，在580-650℃温度进行钢带卷取。

3)热轧态钢带组织为铁素体-珠光体，性能为J55级别。

4)钢带经过ERW机组进行高频/中频电阻焊制成钢管。

5)整管调质热处理工艺：经ERW制管后，整管加热到880-920℃，保温30-50min，水淬；再把整管加热到530-590℃回火，保温60-80min，水冷回火，采用这种快速冷却回火后可以有效抑制高温回火脆性。

6)调质后整管的屈服强度为585-698MPa，抗拉强度为720-773MPa，-10℃横向夏比冲击功(3个试样均值)Akv＞60J。

下面列举本发明的几个最佳实施例，详细说明本发明的技术效果。

试验钢化学成分见表1，加热、轧制冷却工艺见表2，热处理工艺见表3，调质态力学性能见表4。

表1化学成分(wt，％)

实施例	C	Si	Mn	P	S	Cr	Ti	Als	N
										1	0.20	0.17	1.44	0.008	0.002	0.27	0.017	0.020	0.0025
2	0.18	0.21	1.40	0.010	0.006	0.25	0.033	0.032	0.0027
										3	0.19	0.27	1.57	0.014	0.003	0.19	0.018	0.031	0.0021
4	0.21	0.21	1.22	0.005	0.003	0.20	0.016	0.024	0.0034
										5	0.22	0.21	1.34	0.005	0.003	0.34	0.015	0.021	0.0032
6	0.16	0.27	1.60	0.007	0.004	0.33	0.024	0.050	0.0021

表2加热、轧制工艺和热轧态力学性能

表3调质工艺

表4调质态力学性能

由表4可见，采用本发明的成分设计和轧制、整管热处理工艺，生产出的调质态直缝电阻焊石油套管，满足API SPEC 5CT标准对N80Q级钢管的要求。

Claims (2)

1.一种N80Q级直缝电阻焊石油套管，其特征在于，化学成分按重量百分比，配比如下：C：0.16％-0.22％，Si：0.15％-0.30％，Mn：1.20％-1.60％，P：≤0.020％，S：≤0.008％，Ti：0.01％-0.04％，Cr：0.18％-0.36％，Als：0.02％-0.06％，N：≤0.008％，其余为Fe和不可避免元素。

2.一种如权利要求1所述的N80Q钢级直缝电阻焊石油套管的制造方法，包括铁水预处理、钢水冶炼、炉外精炼和板坯连铸、连铸坯加热、轧制、冷却、卷取、ERW制管和整管热处理；

其特征在于：

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，板坯连铸制成连铸板坯－连铸采用电磁搅拌或动态轻压下；

2)轧制工艺：连铸板坯经加热炉加热至1150-1250℃，随后经热连轧机组轧制，终轧温度730-850℃，轧后钢带以8-12℃/s的速度进行冷却，在580-650℃温度进行钢带卷取；

3)钢带经过ERW机组进行高频/中频电阻焊制成钢管；

4)整管调质热处理工艺：经ERW制管后，整管加热到880-920℃，保温30-50min，水淬；再把整管加热到530-590℃回火，保温60-80min，水冷回火。