CN106995901B - 一种油井管线用钢带及其制备方法 - Google Patents

一种油井管线用钢带及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种油井管线用钢带及其制备方法，所述油井管线用钢带所含化学成分及重量百分比为：C 0.050～0.080％、Si 0.20～0.40％、Mn 0.50～1.00％、Nb 0.010～0.050％、Mo 0.10～0.30％、Ni 0.10～0.30％、Cu 0.20～0.30％、Cr 0.40～0.65％、P≤0.020％、S≤0.002％、N≤0.005％；其余为Fe和不可避免的杂质元素。制备方法为：铁水深脱硫‑‑转炉顶底复合吹炼‑‑合金微调‑‑LF炉精炼‑‑板坯连铸‑‑连铸坯加热‑‑2机架粗轧+7机架精轧‑‑层流冷却‑‑卷取。根据本发明公开的方法得到的油井管线用钢带其组织形态为铁素体+珠光体，晶粒度为10.0～12.0级，带状组织≤1.0级，其屈服强度为507～521MPa，抗拉强度为578～585MPa，延伸率为27.0％～29.0％，同时具有良好的抗HIC和抗SSCC性能。

Description

一种油井管线用钢带及其制备方法
技术领域
本发明属于钢铁材料领域，具体涉及一种油井管线用钢带及其制备方法。
背景技术
随着国内油气田开发环境越来越苛刻，特别是含有H2S和CO2等酸性气体而造成的酸性工况，这些工况要求油管材料具有抗HIC性能。
目前，国内针对H2S和CO2腐蚀所采取的主要措施有：采用耐蚀材料、加注缓蚀剂和采用防腐覆层。但是由于缓蚀剂加注过程复杂，长期投资很高，涂覆层使用过程中存在破损造成局部腐蚀的隐患等问题，最安全的防护措施仍是使用耐蚀材料。
目前，国内耐蚀油管以高合金无缝钢管为主，例如13Cr、超级13Cr和镍基合金等，这些材料均是通过加入大量的昂贵合金元素来达到耐腐蚀的目的，虽然具有优良的抗腐蚀能力，但是其成本极高。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种油井管线用钢带及其制备方法，其具有良好的抗HIC和抗SSCC性能。
本发明提供的技术方案为：
一种油井管线用钢带，其所含化学成分及重量百分比为：C 0.050～0.080％、Si0.20～0.40％、Mn 0.50～1.00％、Nb 0.010～0.050％、Mo 0.10～0.30％、Ni 0.10～0.30％、Cu 0.20～0.30％、Cr 0.40～0.65％、P≤0.020％、S≤0.002％、N≤0.005％；其余为Fe和不可避免的杂质元素。
进一步地，其所含化学成分及重量百分比优选为：C 0.056～0.068％、Si 0.23～0.37％、Mn 0.62～0.91％、Nb 0.015～0.042％、Mo 0.13～0.22％、Ni 0.12～0.27％、Cu0.24～0.28％、Cr 0.44～0.61％、P 0.005～0.020％、S 0.0005～0.002％、N 0.0008～0.005％；其余为Fe和不可避免的杂质元素。
进一步地，所含化学成分及重量百分比更优选为：C 0.060％、Si 0.28％、Mn0.75％、Nb 0.023％、Mo 0.17％、Ni 0.14％、Cu 0.26％、Cr 0.51％、P 0.012％、S0.0015％、N 0.001％；其余为Fe和不可避免的杂质元素。
本发明还提供了上述油井管线用钢带的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：铁水深脱硫--转炉顶底复合吹炼--合金微调--LF炉精炼--板坯连铸--连铸坯加热--2机架粗轧+7机架精轧--层流冷却--卷取，全程采用保护浇注，连铸过程采用轻压下和电磁搅拌工艺。
粗轧之前还包括使用190MPa高压水除鳞，除去连铸坯表面的氧化铁皮，优化钢带的表面质量。
连铸坯的厚度为230mm，连铸坯的加热温度为1200℃～1250℃，均热时间不少于120分钟。
粗轧阶段采用2机架四辊可逆式轧机进行往返3+5道次轧制，粗轧阶段轧制温度控制在1050℃～1100℃以上，累计压下率≥80％，精轧阶段采用7架四辊CVC轧机进行连轧，累计变形量≥70％，精轧终轧温度为820～890℃。
层流冷却步骤中，以20～30℃/s的冷却速度冷却至600～650℃，并在600～650℃进行卷取，卷取后再空冷至室温。
进一步地，上述工艺优选为：连铸坯的加热温度为1227～1234℃，均热时间为135～170分钟；粗轧阶段轧制温度控制在1062℃～1085℃，精轧终轧温度为854～886℃；层流冷却步骤中，以22～27℃/s的冷却速度冷却至613～647℃，并在613～647℃进行卷取，卷取后再空冷至室温。
进一步地，上述工艺更优选为：连铸坯的加热温度为1230℃，均热时间为150分钟；粗轧阶段轧制温度控制在1072℃，精轧终轧温度为880℃；层流冷却步骤中，以24℃/s的冷却速度冷却至635℃，并在635℃进行卷取，卷取后再空冷至室温。
根据上述制备方法制备得到的油井管线用钢带，其组织形态为铁素体+珠光体，晶粒度为10.0～12.0级，带状组织≤1.0级，其屈服强度为507～521MPa，抗拉强度为578～585MPa，延伸率为27.0％～29.0％，同时具有良好的抗HIC和抗SSCC性能。
本发明为提高油井管线用钢带的耐腐蚀性能，在成分设计上：
1.采用低C、低Mn和Nb微合金化成分设计，改善材料的带状组织，提升产品的耐酸性能和焊接性能；
C元素是钢铁材料的最主要强化元素，也是最经济实惠的强化元素，但是C含量越高其可塑性和韧性就越差，同时还会降低材料的耐腐蚀和焊接性能，采用低C成分设计，可以显著的增加材料的耐腐蚀和可焊性能，同时碳含量过低将明显降低材料的强度，所以将C元素含量限定在0.050～0.080％，优选为0.056～0.068％，更优选为0.060％；
Mn元素可以与Fe无限固溶，提高材料的强度，但是Mn元素的增加会降低材料的塑性和可焊性能，同时降低Mn元素有利于提高材料的H2S应力腐蚀性能；综合考虑将Mn元素含量限定为0.50～1.00％，优选为0.62～0.91％，更优选为0.75％；
Nb元素可以生成高度分散的强固碳化物NbC，细化晶粒，阻止晶粒长大，提高材料的强度，但是含量过高时，会生成脆性相，且会对焊接性能产生不利的影响，所以综合考虑将Nb元素限定为0.010％～0.050％，优选为0.015～0.042％，更优选为0.023％。
2.采用加入少量的Cr、Mo、Ni和Cu等耐腐蚀合金元素来提升材料的耐酸性能；
Cr元素是中等碳化物形成元素，铬碳化物可以均匀细小的分布在钢体中，可以提高材料的强度；且Cr与Ni元素共同作用提高材料的抗氧化和抗硫化能力，且Cr元素的价格低廉，综合考虑使用性能和经济性，将材料中Cr元素限定为0.40％～0.65％，优选为0.44～0.61％，更优选为0.51％；
Mo元素具有细化晶粒的作用，可以降低钢的热倾向性，提高钢的强度，并且与Cr、Ni结合可以大大提高材料的淬透性，细化晶粒，提高韧性；Mo元素可以降低材料的回火脆性，综合考虑将Mo元素限定为0.10％～0.30％，优选为0.13～0.22％，更优选为0.17％；
Ni元素可以提高钢的强度，且可以使材料始终保持极好的塑性和韧性；Ni可以提高钢的热力学稳定性，阻滞电化学腐蚀的阳极过程，是重要的抗腐蚀元素，但是Ni元素的价格昂贵，综合考虑其使用性能和价格因素将材料中Ni元素限定为0.10％～0.30％，优选为0.12～0.27％，更优选为0.14％；
Cu元素具有强化铁素体的作用，加入Cu元素可以提高材料在还原性介质中的耐蚀性能和改善材料的韧性，但是过高的Cu含量会使材料形成“铜脆”，所以综合考虑将Cu元素限定为0.10％～0.30％，优选为0.24～0.28％，更优选为0.26％。
3.通过超纯净冶炼最大限度降低S、P，减少硫化锰夹杂和磷的晶界偏聚以进一步提高抗HIC能力；
P、S元素被公认为有害元素，P易于在晶界偏聚，增加材料的脆性和降低抗H2S应力腐蚀性能；S元素易与Mn元素生存的长条状的MnS夹杂是SSCC和HIC最易形核处，加剧H2S腐蚀的敏感性，因此P、S元素应尽可能低，但是，P、S含量降至太低，不仅增加成本，而且对进一步改善性能效果不明显，根据设备实际，综合考虑，规定P和S的上限分别为0.020％和0.0020％。
为提高油井管线用钢带的耐腐蚀性能和晶粒细化程度，在工艺设计上：
在连铸过程中同时投用动态轻压下和电磁搅拌，增加铸坯中心的致密度，减少中心疏松，提高化学成分的均匀性，降低铸坯横断面上的富集元素的偏析，降低铸坯中心偏析，以达到提升热轧成品耐腐蚀性能的目的；
在连铸坯加热步骤中，将加热温度控制在1200℃～1250℃，均热时间不少于120分钟，使微合金化元素碳氮化物在奥氏体中充分均匀固溶；在粗轧步骤中，控制粗轧的温度、轧制道次以及累计压下率，促进奥氏体反复再结晶细化晶粒；在精轧步骤中，该阶段在奥氏体未再结晶区轧制，通过累计大变形，增加形变奥氏体内的形变带和位错密度，增加相变形核点细化晶粒，采用TMCP热机械控制轧制工艺，不允许任何一机架不施加变形量空过，也不采用HTP高温轧制工艺；在卷取步骤中，将卷取温度控制在600～650℃以获得铁素体和珠光体显微组织，通过以上工艺的控制，所得到的油井管线用钢带的晶粒度等级可达10.0～12.0级，带状组织≤1.0级，并且具有良好的耐腐蚀性能。
附图说明
图1为实施例1所得的油井管线用钢带的金相组织图；
图2为实施例2所得的油井管线用钢带的金相组织图；
具体实施方式
下面结合附图及具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明公开了一种油井管线用钢带，其所含化学成分及重量百分比为：C 0.050～0.080％、Si 0.20～0.40％、Mn 0.50～1.00％、Nb 0.010～0.050％、Mo 0.10～0.30％、Ni0.10～0.30％、Cu 0.20～0.30％、Cr 0.40～0.65％、P≤0.020％、S≤0.002％、N≤0.005％；其余为Fe和不可避免的杂质元素。
其制备方法为：铁水深脱硫至S≤0.0050％--转炉顶底复合吹炼--合金微调--LF炉精炼--板坯连铸--连铸坯加热--2机架粗轧+7机架精轧--层流冷却--卷取，全程采用保护浇注，连铸过程采用轻压下和电磁搅拌工艺。
其中，粗轧之前还包括使用190MPa高压水除鳞；连铸坯的厚度为230mm，连铸坯的加热温度为1200℃～1250℃，均热时间不少于120分钟；粗轧阶段采用2机架四辊可逆式轧机进行往返3+5道次轧制，粗轧阶段轧制温度控制在1050℃～1100℃以上，累计压下率≥80％，精轧阶段采用7架四辊CVC轧机进行连轧，累计变形量≥70％，精轧终轧温度为820～890℃；层流冷却步骤中，以20～30℃/s的冷却速度冷却至600～650℃，并在600～650℃进行卷取，卷取后再空冷至室温。
下面以具体实施例1～5对本发明进行详细说明。各实施例中油井管线用钢带的化学成分及重量百分比见表1，生产工艺参数见表2，力学性能见表3。
表1各实施例中油井管线用钢带的化学成分及重量百分比
C Si Mn Nb Mo Ni Cu Cr P S N
实施例1 0.06％ 0.28％ 0.75％ 0.023％ 0.17％ 0.14％ 0.26％ 0.51％ 0.012％ 0.0015％ 0.001％
实施例2 0.055％ 0.40％ 0.99％ 0.048％ 0.28％ 0.30％ 0.24％ 0.64％ 0.018％ 0.0010％ 0.002％
实施例3 0.057％ 0.24％ 0.65％ 0.017％ 0.15％ 0.16％ 0.28％ 0.45％ 0.005％ 0.0005％ 0.0008％
实施例4 0.052％ 0.22％ 052％ 0.010％ 0.10％ 0.10％ 0.30％ 0.41％ 0.014％ 0.0018％ 0.003％
实施例5 0.066％ 0.33％ 0.87％ 0.040％ 0.20％ 0.26％ 0.20％ 0.60％ 0.010％ 0.0007％ 0.005％
表2各实施例中油井管线用钢带的生产工艺参数
实施例1 实施例2 实施例3 实施例4 实施例5
厚度/mm 7.5 5.0 4.5 6.0 3.3
加热温度/℃ 1230 1210 1227 1243 1234
均热时间/min 150 142 165 120 135
粗轧温度/℃ 1072 1095 1062 1052 1084
精轧终轧温度/℃ 880 840 855 826 885
层流冷却速率 24 30 22 20 27
层流冷却温度/℃ 635 650 615 600 645
卷取温度/℃ 635 650 615 600 645
表3各实施例中油井管线用钢带的力学性能参数
拉伸性能测试根据GB/T 228.1-2010《金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》进行；按照NACE TM 0284进行抗HIC试验，试验溶液为A溶液(饱和硫化氢+0.5％醋酸+5％NaCl混合溶液)；按照NACE TM 0177进行SSCC试验，加载应力为90％实际应力。
各实施例中油井管线用钢带的非金属夹杂物按照ASTM E45A进行，具体检验结果如表4所示。
表4各实施例中油井管线用钢带的非金属夹杂物
实施例1 实施例2 实施例3 实施例4 实施例5
细系 0 0 0 0 0
粗系 0 0 0 0 0
综上所述，按本发明公开方法所得到的油井管线用钢带不含非金属夹杂物，其屈服强度为507～521MPa，抗拉强度为578～585MPa，延伸率为27.0％～29.0％，同时具有良好的抗HIC和抗SSCC性能。
上述参照实施例对油井管线用钢带及其制备方法进行的详细描述，是说明性的而不是限定性的，可按照所限定范围列举出若干个实施例，因此在不脱离本发明总体构思下的变化和修改，应属本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种油井管线用钢带，其特征在于，所含化学成分及重量百分比为：C 0.050~0.080％、Si 0.20~0.40％、Mn 0.50~1.00％、Nb 0.010~0.050％、Mo 0.10~0.30％、Ni 0.10~0.30％、Cu 0.20~0.30％、Cr 0.40~0.65％、P≤0.020％、S≤0.002％、N≤0.005％；其余为Fe和不可避免的杂质元素；
所述油井管线用钢带的制备方法，包括以下步骤：铁水深脱硫--转炉顶底复合吹炼--合金微调--LF炉精炼--板坯连铸--连铸坯加热--2机架粗轧+7机架精轧--层流冷却--卷取，全程采用保护浇注，连铸过程采用轻压下和电磁搅拌工艺；
连铸坯的厚度为230mm，连铸坯的加热温度为1200℃～1250℃，均热时间不少于120分钟；
粗轧阶段采用2机架四辊可逆式轧机进行往返3+5道次轧制，粗轧阶段轧制温度控制在1050℃~1100℃以上，累计压下率≥80%，精轧阶段采用7架四辊CVC轧机进行连轧，累计变形量≥70%，精轧终轧温度为820～890℃；
层流冷却步骤中，以22~27℃/s的冷却速度冷却至613~647℃，并在613~647℃进行卷取，卷取后再空冷至室温；
所述油井管线用钢带的组织形态为铁素体+珠光体，晶粒度为10.0～12.0级。
2.根据权利要求1所述的钢带，其特征在于，所含化学成分及重量百分比为：C 0.056~0.068％、Si 0.23~0.37％、Mn 0.62~0.91％、Nb 0.015~0.042％、Mo 0.13~0.22％、Ni 0.12~0.27％、Cu 0.24~0.28％、Cr 0.44~0.61％、P 0.005~0.020％、S 0.0005~0.002％、N0.0008~0.005％；其余为Fe和不可避免的杂质元素。
3.根据权利要求1或2所述的钢带，其特征在于，所含化学成分及重量百分比为：C0.060％、Si 0.28％、Mn 0.75％、Nb 0.023％、Mo 0.17％、Ni 0.14％、Cu 0.26％、Cr0.51％、P 0.012％、S 0.0015％、N 0.001％；其余为Fe和不可避免的杂质元素。
4.根据权利要求1所述的钢带，其特征在于，连铸坯的加热温度为1227~1234℃，均热时间为135~170分钟；粗轧阶段轧制温度控制在1062℃~1085℃，精轧终轧温度为854～886℃。
5.根据权利要求1所述的钢带，其特征在于，连铸坯的加热温度为1230℃，均热时间为150分钟；粗轧阶段轧制温度控制在1072℃，精轧终轧温度为880℃；层流冷却步骤中，以24℃/s的冷却速度冷却至635℃，并在635℃进行卷取，卷取后再空冷至室温。
6.根据权利要求1所述的钢带，其特征在于，所述油井管线用钢带的屈服强度为507～521MPa，抗拉强度为578～585MPa，延伸率为27.0%～29.0%，同时具有良好的抗HIC和抗SSCC性能。
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