CN106480375B

CN106480375B - 一种高强度电阻焊套管及其制造方法

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Publication number: CN106480375B
Application number: CN201510548189.2A
Authority: CN
Inventors: 黄明浩; 黄国建; 张英慧; 孔祥磊; 栗锐; 吴成举
Original assignee: Angang Steel Co Ltd
Current assignee: Angang Steel Co Ltd
Priority date: 2015-08-31
Filing date: 2015-08-31
Publication date: 2018-08-03
Anticipated expiration: 2035-08-31
Also published as: CN106480375A

Abstract

本发明提供一种高强度电阻焊套管及其制造方法，该套管成分按重量百分比计如下：C：0.26％‑0.30％，Si：0.15％‑0.30％，Mn：1.30％‑1.60％，P：≤0.020％，S：≤0.008％，Ti：0.010％‑0.030％，Als：0.02％‑0.05％，Cr：0.36％‑0.46％，N：≤0.008％，其余为Fe和不可避免元素。制造方法：包括冶炼连铸、铸坯再加热、轧制、冷却、卷取、ERW制管和整管热处理；其中，加热后热连轧，终轧温度840‑900℃，轧后钢带以5‑10℃/s冷速冷却，630‑680℃卷取；经ERW制管后，整管加热到880‑940℃，保温25‑50min，水淬；再把整管加热到530‑580℃，保温60‑80min，水冷。本发明采用中碳含Cr设计，合金成本低；热轧态板卷组织为铁素体‑珠光体，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P110级别，保证了管体和焊缝性能的一致性。

Description

一种高强度电阻焊套管及其制造方法

技术领域

本发明属于高强度低合金钢领域，尤其涉及一种直缝电阻焊套管及其制造方法。

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。目前，我国许多油田开发进入中后期，开发难度越来越大，特别是深井对套管性能提出了更高的要求。因此，开发出高性能直缝电阻焊套管成为当务之急。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。

直缝电阻焊(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。

API Spec 5CT规定：P110级别钢管的屈服强度在758-965MPa之间，抗拉强度≥862MPa，伸长率≥14％；0℃时横向夏比冲击功≥32J。热轧态的钢带达到该强度难度较大，需要添加大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无法达到一致；同时钢带强度过高导致钢管的成型难度大，钢管的尺寸精度和圆度无法保证。

因此，可采用热轧态强度低的热轧钢带进行直缝电阻焊焊接制管，然后进行整管热处理，使钢管的最终性能达到P110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。

《N80、P110、L80钢级直缝焊石油套管用钢及套管制造》(CN101643883A)公开了成分中含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％，Ti：0.18％-0.22％。其不足之处在于，复合添加贵重元素Nb、V、Cr，合金成本高。(CN101353949A)《小口径高钢级油管的热处理方法》公开了成分中含C：0.15％-0.50％，Mn：0.25％-1.9％，Mo：0.25％-1.10％，Cr：0.4％-14％，Ni：≤0.99％，Cu：≤0.35％；其不足之处在于，该专利中复合添加元素Mo、Ni、Cu、Cr，合金成本高。

《油井用电焊钢管以及油井用电焊钢管的制造方法》(CN103069020A)公开了电焊钢管的成分中含C：0.05％-0.12％，Mn：0.80％-2.2％，Nb：0.01％-0.10％，B：0.0005％-0.0030％。其不足之处在于，该发明中添加贵重元素Nb，存在连铸坯表面角横裂质量问题，且合金成本高。热轧态屈服强度758-965MPa，抗拉强度862MPa以上，制管困难。

《一种110ksi级ERW石油套管用钢带及其生产方法》(CN102936687A)公开的石油套管成分中含C：0.14％-0.22％，Si：0.13％-0.35％，Mn：0.3％-1.2％，Cr：0.1％-1.0％，Mo：0.10％-0.40％。其不足之处在于，添加贵重元素Mo，合金成本高。

论文“P110钢双相组织的研究”，公开的P110钢的成分中C：0.24％，Si：0.25％，Mn：1.2％，Cr：0.5％，Ni：0.021％，Mo：0.021％，Cu：0.017％，P：0.014％，S：0.0058％。该论文中同样复合添加贵重合金元素Mo、Ni、Cu、Cr，合金成本高。

以上公开的专利或文献中，有的添加较多贵重合金Mo、Ni、Cu、Nb、V，合金成本高；有的热轧态强度偏高，制管困难。均与本发明采用中碳含铬设计有明显不同之处。

发明内容

本发明的目的在于克服上述问题和不足而提供一种高强度电阻焊套管及其制造方法，采用中碳含铬成分设计，热轧态钢带性能屈服强度为379-430MPa，抗拉强度615-640MPa，整管调质热处理后性能为P110级别的直缝电阻焊(ERW)石油套管及其制造方法。。

本发明的目的是这样实现的：

针对目前直缝电阻焊石油套管P110生产存在的技术问题，例如：添加较多贵重合金Mo、Ni、Cu、Nb、V，合金成本高；热轧态强度达到P110，强度高制管困难等问题，特提出本发明的技术方案。

与现有技术相比，本方案C含量适中，添加少量的Cr取代贵金属Mo、Ni、Cu、Nb等，降低合金成本；热轧态板卷性能低，后续制管成型容易；整管进行调质热处理，性能为P110级别，保证了管体和焊缝性能的一致性。

一种高强度电阻焊套管，该套管的成分按重量百分比计如下：C：0.26％-0.30％，Si：0.15％-0.30％，Mn：1.30％-1.60％，P：≤0.020％，S：≤0.008％，Ti：0.010％-0.030％，Als：0.02％-0.05％，Cr：0.36％-0.46％，N：≤0.008％，其余为Fe和不可避免元素。

所述套管的屈服强度为850-890MPa，抗拉强度为946-973MPa，伸长率21％-24％，0℃横向夏比冲击功Akv≥32J。

本发明成分设计理由如下：

C：为碳化物形成元素，是保证强度的最有效元素，可以提高淬透性和热处理后性能稳定性，保证高温长时间回火时材料强度。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。只有保证足够的碳，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。但当碳含量大于0.5％时，会明显出现淬火脆性以及马氏体脆性，而且碳含量过高将影响产品的焊接性和冲击韧性，其最佳范围是0.26％-0.30％。

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，应控制其含量在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。锰可降低马氏体转变温度Ms，增加残余奥氏体的含量，同时锰对钢板的韧性影响不大。但锰含量过大，可增加连铸坯的中心偏析倾向，会使钢板中带状组织增多，并且在热处理后保存下来，最终钢板中会含有一定量的带状组织，而贝氏体、马氏体等硬相在带状组织中聚集，使钢板的脆性增加，塑性降低，力学性能下降。其最佳范围是1.30％-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％。

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，减慢套管在油井中的腐蚀速率，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0.36％-0.46％。

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％。

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％

一种高强度电阻焊套管的制造方法，包括冶炼连铸工艺、连铸坯再加热、轧制、冷却、卷取、ERW制管和整管热处理；

(1)冶炼连铸：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)铸坯再加热：连铸板坯经加热炉加热至1150-1220℃；

(3)轧制，冷却：再加热后连铸板坯采用热连轧轧制，终轧温度840-900℃，轧后钢带以5-10℃/s的冷却速度进行冷却，在630-680℃温度进行钢带卷取；热轧态钢带的屈服强度为379-430MPa，抗拉强度为615-640MPa，屈强比0.65以下，显微组织为铁素体-珠光体；

(4)ERW制管：钢带经过ERW机组进行高频/中频电阻焊制成钢管；

(5)整管热处理：经ERW制管后，整管加热到880-940℃，保温25-50min，水淬；再把整管加热到530-580℃，保温60-80min，水冷回火，回火后快速冷却可以有效抑制高温回火脆性。

本发明的有益效果在于：(1)仅采用中碳含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；(3)热轧态板卷组织为铁素体-珠光体，性能低，后续制管成型容易；(4)整管进行调质热处理，最终组织为回火索氏体，性能为P110级别，保证了管体和焊缝性能的一致性。

具体实施方式

下面通过实施例对本发明作进一步的说明。

本发明实施例根据技术方案的组分配比，进行冶炼连铸、连铸坯再加热、轧制、冷却、卷取、ERW制管和整管热处理。本发明实施例钢的成分见表1。本发明实施例钢加热、轧制工艺和热轧态力学性能见表2。本发明实施例钢的热轧态显微组织见表3。本发明实施例钢的

热处理工艺见表4。本发明实施例钢调质态力学性能见表5。

表1本发明实施例钢的成分

实施例	C	Si	Mn	P	S	Cr	Ti	Als	N
										1	0.28	0.22	1.35	0.015	0.002	0.36	0.016	0.035	0.0040
2	0.26	0.24	1.50	0.010	0.002	0.37	0.014	0.031	0.0041
										3	0.29	0.20	1.32	0.014	0.003	0.36	0.018	0.031	0.0043
4	0.27	0.29	1.55	0.017	0.003	0.38	0.016	0.028	0.0032
										5	0.30	0.21	1.34	0.011	0.003	0.36	0.015	0.021	0.0034
6	0.26	0.18	1.40	0.013	0.004	0.42	0.026	0.034	0.0045

表2本发明实施例钢加热、轧制工艺和热轧态力学性能

表3本发明实施例钢的热轧态显微组织

实施例	铁素体体积分数％	珠光体体积分数％
			1	75	25
2	80	20
			3	90	10
4	85	15
			5	88	12
6	79	21

表4本发明实施例钢的热处理工艺

表5本发明实施例钢调质态力学性能

Claims

1.一种高强度电阻焊套管，其特征在于，该套管的成分按重量百分比计如下：C：0.26％-0.30％，Si：0.15％-0.30％，Mn：1.30％-1.60％，P：≤0.020％，S：≤0.008％，Ti：0.010％-0.030％，Als：0.02％-0.05％，Cr：0.36％-0.46％，N：≤0.008％，其余为Fe和不可避免元素；

所述套管的屈服强度为850-890MPa，抗拉强度为946-973MPa，伸长率21％-24％，0℃横向夏比冲击功Akv≥32J；

所述的高强度电阻焊套管的制造方法，包括冶炼连铸工艺、铸坯再加热、轧制、冷却、卷取、ERW制管和整管热处理；

(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)铸坯再加热：连铸板坯经加热炉加热至1150-1220℃；

(3)轧制，冷却：再加热后采用热连轧轧制，终轧温度840-900℃，轧后钢带以5-10℃/s的冷却速度进行冷却，在630-680℃温度进行钢带卷取；热轧态钢带的屈服强度为379-430MPa，抗拉强度为615-640MPa，屈强比0.65以下，显微组织为铁素体-珠光体，其中铁素体体积分数70％-90％，珠光体体积分数10％-30％；

(4)钢带经过ERW机组进行高频/中频电阻焊制成钢管；

(5)整管热处理：经ERW制管后，整管加热到880-940℃，保温25-50min，水淬；再把整管加热到530-580℃，保温60-80min，水冷。