CN108728732A - K55级直缝电阻焊石油套管用钢及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开K55级直缝电阻焊石油套管用钢及其制造方法。钢中含有C：0.33％～0.40％，Si：0.10％～0.30％，Mn：1.30％～1.60％，P≤0.018％，S≤0.005％，Ti：0.010％～0.030％，Als：0.02％～0.06％，Cr≤0.40％，N≤0.008％，其余为Fe和不可避免的杂质。连铸坯经加热炉加热至1150～1200℃，随后采用热连轧轧制，终轧温度890～950℃，轧后钢带采用先空冷再水冷的冷却方式，平均冷却速度为7～13℃/s，650～750℃卷取。生产的石油套管用钢抗拉强度高，屈强比低，不需要整管热处理。
Description
技术领域
本发明涉及一种直缝电阻焊套管用钢的制造，特别涉及一种具有低成本的低屈强比K55钢级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，用量大，花钱多，是油气田钻采作业中必不可少的施工材料。直缝电阻焊套管与无缝管相比，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，正在逐渐替代传统的无缝钢管。其中，J55套管用量最大，而K55套管生产难度大，用量相对较少。
API Spec 5CT规定：K55级别钢管的屈服强度在379～552MPa之间，抗拉强度≥655MPa，伸长率≥20％，冲击功没有强制要求，可选择Akv(21℃，横向)≥20J。
目前，K55级直缝电阻焊套管的生产工艺时：成分设计采用碳锰设计，有的添加合金元素Mo，冶炼并轧制成热轧钢带；然后，将钢带通过直缝电阻焊方式制成焊管，并对焊缝或钢管整体进行热处理，随后对管端进行适当的螺纹加工，最终生产出合格的K55级石油套管。由于碳含量较低，需要添加一定量的Mo、Nb和V等其他强化元素，提高了合金成本，且提高了屈服强度，对屈强比不利。
在本发明之前，已有部分K55级直缝电阻焊石油套管用钢的文献或发明专利，但采用中碳低成本设计，同时具有良好焊接性的低屈强比K55钢级石油套管报导很少，以下简单介绍与本发明较为接近的文献和专利：
CN101082099A公开了一种低屈强比直缝焊石油套管用钢及其制造方法。钢中含C：0.2％～0.3％，V：0.01％～0.1％，C含量低，需要添加V强化，合金成本高。轧制后在600℃以下卷取，对卷取设备能力要求高，层流冷却速度50～150℃/分钟，过于缓慢，无法工业化应用。
CN101270438A公开了低屈强比电阻焊石油套管用正火钢、电阻焊套管及其制法。钢中含C：0.19％～0.29％，V：0.08％～0.14％，C含量低，需要添加V强化，合金成本高；制管后需要整管进行正火热处理，热处理成本较高。
CN101328559A公开了低屈强比石油套管用钢、石油套管及其制法。钢中含C：0.19％～0.27％，C含量低，抗拉强度难于保证；整管需要在750～840℃两相区保温、淬火及600℃以上高温回火热处理，工艺复杂，热处理成本高。
CN101818308A公开了一种低屈强比直缝电阻焊管用钢及其制造方法。钢中含C：0.15％～0.22％，C含量低，抗拉强度难于保证；工艺上需要结合低的终轧温度、低的卷取温度和快速冷却，对轧机和卷取机能力要求较高。
CN101845583A公开了石油套管用钢及其制造方法。钢中含C：0.31％～0.35％，V≤0.1％，Mo≤0.35％，合金成本高；终轧温度820～920℃，卷取温度610～730℃，冷却速度不明确，工业应用难于实现。
田青超，董晓明，丁维军发表的论文“高频电阻焊K55钢级套管的研发”(《钢管》，2008，vol.37，No.4，28-32)，公开的K55套管为宝钢股份公司研发，其成分中含C：0.20％～0.22％，Mn：1.51％～1.61％，采用C-Mn成分设计，无控制焊后晶粒长大元素，焊缝性能难以保证；整管需要热处理，工艺复杂，热处理成本高。
上述专利和文献中公开的直缝焊石油套管用钢虽然达到了美国石油协会APISpec 5CT规定的K55钢管要求，但碳含量较低，钢管强度难于保证，需要添加合金元素Mo、V、Nb等，造成合金成本高；需要整管热处理，工艺复杂。
发明内容
本发明针对目前K55级直缝电阻焊石油套管用钢生产存在的技术问题(例如：碳含量较低，制管后钢管强度难于保证；需要添加合金元素，造成合金成本高；需要整管热处理，工艺复杂，制管生产效率低等)，目的在于提供一种高频电阻焊石油套管用钢及其制造方法，特别是提供一种采用中碳低成本设计，具有低屈强比K55级直缝电阻焊石油套管钢及其制造方法。
与现有技术相比，本方案C含量适中，钢管的抗拉强度高，屈强比低；不添加或少量添加Cr，取代贵重元素Mo、V等，节约合金成本；添加微量Ti，保证钢管焊缝和热影响区性能；制管后只需要对焊缝和热影响区进行热处理，不需要整管热处理。
具体的技术方案是：
本发明提供一种K55级直缝电阻焊石油套管用钢，化学成分按质量百分比计含有：C：0.33％～0.40％，Si：0.10％～0.30％，Mn：1.30％～1.60％，P≤0.018％，S≤0.005％，Ti：0.010％～0.030％，Als：0.02％～0.06％，Cr≤0.40％，N≤0.008％，其余为Fe和不可避免元素。
本发明中各元素作用机理如下：
C：碳为碳化物形成元素，通过固溶强化和析出强化作用提高钢材的强度，是保证强度的最有效元素。随着碳含量的提高，钢材的屈服强度和抗拉强度同时提高，但抗拉强度提高的幅度要明显大于屈服强度的提高，既保证了高的屈服强度，同时也保证了低的屈强比。这主要是由于碳含量的提高，一方面促进了贝氏体的形成，相对减少了铁素体含量，贝氏体属于硬相，对屈服强度和抗拉强度的提高有利，特别是对抗拉强度提高明显；另一方面，提高了珠光体含量，减小了珠光体片间距，对提高抗拉强度有利。但碳含量过高对焊接性不利，因此，本发明将C含量控制在0.33％～0.40％。
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，因此，本发明将Si含量控制在0.10％～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，可有效提高屈服强度和抗拉强度。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，因此，本发明将Mn含量控制在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，因此，本发明将P含量控制为P≤0.018％。
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，易与锰形成硫化锰夹杂，制管成型时容易导致开裂，因此，本发明将S含量控制为S≤0.005％。
Cr：根据产品厚度和卷取工艺，可以选择性地添加铬。铬元素的添加，可以使材料的CCT曲线中铁素体和珠光体转变温度右移，而对贝氏体转变温度影响较小，有利于增加贝氏体的体积分数。对于生产厚规格且层流冷却能力弱的机组，则可以选择加入铬，可以在较低的冷却速度下获得一定量的贝氏体组织，达到提高抗拉强度的作用。而生产较薄规格产品时，层流冷却速度可以保证获得一定量的贝氏体组织，则可以不添加铬，进一步降低合金成本和提高焊接性。因此，本发明将Cr含量控制在Cr≤0.40％。
Ti：钛是强碳氮化物形成元素，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，同时可抑制钢板焊接时焊缝和热影响区组织长大，改善焊缝和热影响区的韧性。Ti含量太高，合金成本高，且对屈服强度提高明显，因此，本发明将Ti含量控制在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，因此，本发明将Al含量控制在0.02％～0.06％。
N：固溶氮有钉扎位错的强烈作用，但对韧性有不良影响，因此，本发明将N含量控制在N≤0.008％。
本发明还提供了一种K55级直缝电阻焊石油套管用钢的制造方法，包括铁水预处理，转炉冶炼、炉外精炼、连铸、轧制、冷却、卷取。其主要工艺包括：
(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－经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)轧制冷却工艺：连铸板坯经加热炉加热至1150～1200℃，随后采用热连轧轧制，终轧温度890～950℃，在此温度下，可以有效粗化奥氏体晶粒，从而使相变后铁素体和珠光体组织更加粗化，达到控制屈服强度的作用，保证获得低的屈强比。轧后钢带采用先空冷再水冷的冷却方式，平均冷却速度为7～13℃/s，在650～750℃进行钢带卷取。轧后钢带先空冷使得终轧后形变的奥氏体充分恢复、再结晶和晶粒长大，增大奥氏体晶粒度；然后水冷到650～750℃温度区间卷取，提高冷却速度，可促进获得硬相贝氏体的转变，减少铁素体含量，同时还可减小珠光体片间距；一定量的贝氏体和珠光体片间距的减小，都具有提高抗拉强度的作用。该轧制冷却工艺条件下，最终显微组织为铁素体-珠光体-贝氏体混合组织，铁素体体积含量60％～70％，珠光体体积含量10％～16％，贝氏体体积含量18％～25％，组织均匀，铁素体、贝氏体和珠光体比例合适，软相铁素体保证了低的屈服强度，硬相贝氏体和珠光体保证了高的抗拉强度，材料的力学性能满足API SPEC 5CT要求中的K55钢级。
有益效果：
(1)C含量适中，钢带的抗拉强度高，屈强比低；
(2)不添加或少量添加Cr，取代贵重元素Mo、V等，合金成本低；
(3)添加微量Ti，保证钢管焊缝和热影响区性能；
(4)制管后只需要对焊缝和热影响区进行热处理，不需要整管热处理。
附图说明
图1为实例5的组织图，图中组织为铁素体+珠光体+贝氏体。
具体实施方式
本发明涉及的技术问题采用下述技术方案解决：K55级直缝电阻焊石油套管用钢及其制造方法，其化学成分质量百分比为：C：0.33％～0.40％，Si：0.10％～0.30％，Mn：1.30％～1.60％，P≤0.018％，S≤0.005％，Ti：0.010％～0.030％，Als：0.02％～0.06％，Cr≤0.40％，N≤0.008％，其余为Fe和不可避免元素。连铸板坯加热至1150～1200℃，终轧温度890～950℃，轧后钢带采用先空冷再水冷的冷却方式，平均冷却速度为7～13℃/s，在650～750℃进行钢带卷取。
以下实施例用于具体说明本发明内容，这些实施例仅为本发明内容的一般描述，并不对本发明内容进行限制。
表1为实施例钢的化学成分，表2为实施例钢的加热、轧制及冷却工艺；表3为实施例钢的组织及力学性能。
表1实施例钢的化学成分，wt％
| 实施例 | C | Si | Mn | P | S | Ti | Cr | Als | N |
| 1 | 0.35 | 0.16 | 1.40 | 0.017 | 0.002 | 0.030 | 0.10 | 0.04 | 0.004 |
| 2 | 0.33 | 0.22 | 1.50 | 0.015 | 0.003 | 0.022 | 0.34 | 0.02 | 0.004 |
| 3 | 0.38 | 0.20 | 1.35 | 0.012 | 0.002 | 0.014 | - | 0.04 | 0.005 |
| 4 | 0.34 | 0.28 | 1.45 | 0.010 | 0.004 | 0.023 | 0.37 | 0.02 | 0.003 |
| 5 | 0.35 | 0.30 | 1.39 | 0.013 | 0.004 | 0.013 | 0.25 | 0.04 | 0.002 |
| 6 | 0.39 | 0.25 | 1.33 | 0.013 | 0.003 | 0.030 | - | 0.02 | 0.004 |
表2实施例钢的加热、轧制、冷却工艺
表3实施例钢的组织及力学性能
由表3可见，采用本发明的成分设计、轧制、冷却和卷取工艺，生产出的低屈强比直缝电阻焊石油套管，抗拉强度≥710MPa，屈服强度≥415MPa，屈强比≤0.64，伸长率≥27％，21℃横向冲击功Akv≥55J，满足API SPEC 5CT标准对K55级钢管的要求。
Claims (3)
1.一种K55级直缝电阻焊石油套管用钢，其特征在于，钢中化学成分按质量百分比为：C：0.33％～0.40％，Si：0.10％～0.30％，Mn：1.30％～1.60％，P≤0.018％，S≤0.005％，Ti：0.010％～0.030％，Als：0.02％～0.06％，Cr≤0.40％，N≤0.008％，其余为Fe和不可避免的杂质。
2.如权利要求1所述的K55级直缝电阻焊石油套管用钢，其特征在于，钢材的屈强比低于0.65，铁素体体积含量60％～70％，珠光体体积含量10％～16％，贝氏体体积含量18％～25％。
3.一种如权利要求1或2所述的K55级直缝电阻焊石油套管用钢的制造方法，钢板的生产工艺为：铁水预处理、转炉冶炼、炉外精炼、连铸、轧制、冷却、卷取，其特征在于，
转炉冶炼－经顶吹或顶底复合吹炼，炉外精炼－经LF炉轻脱硫处理、钙处理后连铸成连铸坯，连铸采用电磁搅拌或动态轻压下；
连铸坯经加热炉加热至1150～1200℃，随后采用热连轧轧制，终轧温度890～950℃，轧后钢带采用先空冷再水冷的冷却方式，平均冷却速度为7～13℃/s，650～750℃卷取。
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|---|---|---|---|---|
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| CN101845583A (zh) * | 2009-03-25 | 2010-09-29 | 宝山钢铁股份有限公司 | 石油套管用钢及其制造方法 |
| CN101967606A (zh) * | 2010-11-02 | 2011-02-09 | 武汉钢铁(集团)公司 | 直缝电阻焊石油套管用热轧钢带及其生产方法 |
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