CN108754322A - 一种高强度电阻焊套管及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种高强度电阻焊套管及其制造方法，该套管的成分按重量百分比计如下：C：0.25％‑0.30％，Si：0.10％‑0.30％，Mn：1.25％‑1.60％，P：≤0.020％，S：≤0.008％，Mo：0.05％‑0.20％，Cu：0.05％‑0.15％，Ti：0.010％‑0.030％，Als：0.02％‑0.05％，N：≤0.008％，且Ceq≤0.55，Ceq＝C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15，其余为Fe和不可避免元素。制造方法包括冶炼、连铸、连铸坯再加热、轧制、冷却、卷取、ERW制管和整管热处理，应用本发明生产的钢管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
技术领域
本发明属于金属材料领域，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。HFW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。
目前，我国许多油田开发进入中后期，开发难度越来越大，特别是深井对套管力学性能提出了更高的要求，同时要求一定的耐腐蚀性能。因此，开发出高性能直缝电阻焊套管成为当务之急。
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；同时，轧制时存在轧制力高，卷取困难；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。但是，公开资料显示，热状态钢带的屈服强度都是在550-650MPa，抗拉强度大于650MPa，强度较高，制管难度大，钢管的尺寸精度和圆度难于保证。
在本发明之前，已有个别有关P110钢级ERW石油套管的文献或发明专利，但多数都添加Cr，冶炼上容易造成微观成分偏析，在轧制和焊接后容易产生过冷组织，造成焊缝附近微裂纹；热状态钢带的强度高，ERW制管的难度大，钢管的尺寸精度和圆度难于保证。采用低Mo无Cr设计，母管为J55级别，整管调质为P110级ERW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：
1)中国专利CN101643883A，N80、P110、L80钢级直缝焊石油套管用钢及套管制造公开的技术方案成分中含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％。该专利中复合添加贵重元素Nb、V、Cr，合金成本高。
2)中国专利CN101353949A，小口径高钢级油管的热处理方法公开的技术方案成分中含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％。该专利中复合添加元素Mo、Ni、Cu、Cr，合金成本高。
3)中国专利CN103069020A，油井用电焊钢管以及油井用电焊钢管的制造方法公开的技术方案成分中含C：0.05％-0.12％，Mn：0.80％-2.2％，Nb：0.01％-0.10％，B：0.0005％-0.0030％。该专利中添加贵重元素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。
4)中国专利CN102936687A，一种110ksi级ERW石油套管用钢带及其生产方法公开的技术方案成分中含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％。该专利中添加Cr，冶炼上容易造成微观成分偏析，在轧制和焊接后容易产生过冷组织，造成焊缝附近微裂纹，造成探伤不合格。
5)论文“P110钢双相组织的研究”公开的技术方案成分中中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，普遍添加合金Cr，容易造成微观成分偏析，在轧制和焊接后容易产生过冷组织，造成焊缝附近微裂纹。有些热轧态强度偏高，制管困难。
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具有优良焊接性的P110级高强度电阻焊套管及其制造方法。
本发明目的是这样实现的：
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：普遍添加合金Cr，容易造成微观成分偏析，并导致焊缝附近微裂纹产生；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，成分设计采用低Mo无Cr设计。
一种高强度电阻焊(ERW)套管，该套管的成分按重量百分比计如下：C：0.25％-0.30％，Si：0.10％-0.30％，Mn：1.25％-1.60％，P：≤0.020％，S：≤0.008％，Mo：0.05％-0.20％，Cu：0.05％-0.15％，Ti：0.010％-0.030％，Als：0.02％-0.05％，N：≤0.008％，且Ceq≤0.55，Ceq＝C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15，其余为Fe和不可避免元素。
本发明设计理由如下：
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。如碳含量低，为了调质后能够达到P110级别，则需要添加大量合金元素提高淬透性，提高合金成本。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0.25％-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，其最佳范围是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，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，锰对钢板的韧性影响不大。锰对提高低碳和中碳珠光体钢的强度有显著的作用。同时锰还可以提高钢的硬度和耐磨性。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1.25％-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％。
Mo：钼主要通过碳化物及固溶强化形式来能够提高淬透性和回火稳定性，从而达到提高钢的强度和消除回火脆性的作用。钼在相变过程中减缓马氏体板状基体晶界碳化物的析出，改善钢的冲击韧性，消除回火脆性，有利于保持钢的高强度和高韧性，同时，对铁素体有固溶强化作用，提高钢的热强性。钼还对抗腐蚀性能有利，特别是抗氢侵蚀的作用。钼还具有提高板卷整卷性能均匀性的作用。其最佳范围是0.05％-0.20％。
Cu：铜可提高淬透性，在热轧和淬火热处理中提高钢的强度。铜还可借助沉淀强化来提高钢的抗拉强度，同时具有改善耐腐蚀性能的作用，特别是铜能在钢表面形成钝化膜，减少了氢的侵入，提高耐硫化氢腐蚀的能力。而且，铜的少量加入焊接性没有不利影响。但铜含量高时，在热变形加工时导致铜脆现象。其最佳范围是0.05％-0.15％。
Ti：强脱氧剂。能使钢的内部组织致密，细化晶粒，降低时效敏感性和冷脆性。钛是强的固氮元素，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，在调质热处理过程中，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，而且容易造成热轧态强度过高制管困难。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％
本发明技术方案之二是提供一种高强度电阻焊套管的制造方法，包括冶炼、连铸、连铸坯再加热、轧制、冷却、卷取、ERW制管和整管热处理，
(1)冶炼、连铸工艺：铁水预处理后，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)连铸坯再加热：连铸板坯经加热炉加热至1100-1180℃；
(3)轧制工艺：采用热连轧轧制，终轧温度820-900℃，轧后钢带以11-15℃/s的冷却速度进行冷却，在600-700℃温度进行钢带卷取；
(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860-900℃，保温25-50min，水淬；再把整管加热到480-580℃，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。
本方案Mo含量低，不添加Cr，解决了Cr成分偏析导致焊缝附近微裂纹的产生，不添加贵重合金Nb、Ni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。
引用本发明公开的技术方案生产的热轧态钢带的屈服强度为480-520MPa，抗拉强度为600-630MPa，显微组织为铁素体-珠光体。调质后整管的屈服强度为810-880MPa，抗拉强度为920-958MPa，伸长率21％-25％，0℃横向夏比冲击功(3个试样均值)Akv≥80J。
本发明的有益效果在于：
(1)采用低Mo无Cr设计，避免Cr偏析导致焊缝微裂纹；
(2)添加Mo、Ti元素，有效避免了高温回火脆性；
(3)添加Mo元素，板卷整卷性能均匀性好；
(4)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；
(5)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。本发明实施例钢管的成分见表1。本发明实施例钢管的主要工艺参数及热轧态性能见表2。本发明实施例钢管的调质工艺参数见表3。本发明实施例钢管的性能见表4。
表1本发明实施例钢管的成分(wt％)
| 实施例 | C | Si | Mn | P | S | Mo | Cu | Ti | Als | N | Ceq |
| 1 | 0.26 | 0.25 | 1.45 | 0.015 | 0.002 | 0.19 | 0.10 | 0.012 | 0.038 | 0.0050 | 0.55 |
| 2 | 0.28 | 0.22 | 1.40 | 0.010 | 0.002 | 0.06 | 0.06 | 0.014 | 0.042 | 0.0043 | 0.53 |
| 3 | 0.29 | 0.14 | 1.32 | 0.014 | 0.003 | 0.08 | 0.08 | 0.022 | 0.031 | 0.0046 | 0.53 |
| 4 | 0.25 | 0.18 | 1.58 | 0.017 | 0.003 | 0.15 | 0.14 | 0.017 | 0.025 | 0.0031 | 0.55 |
| 5 | 0.30 | 0.21 | 1.27 | 0.011 | 0.003 | 0.07 | 0.07 | 0.015 | 0.049 | 0.0030 | 0.53 |
| 6 | 0.27 | 0.28 | 1.43 | 0.013 | 0.004 | 0.13 | 0.12 | 0.026 | 0.039 | 0.0044 | 0.54 |
表2本发明实施例钢管的主要工艺参数及热轧态性能
表3本发明实施例钢管的调质工艺
表4本发明实施例钢管的性能
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P110级钢管的要求。
为了表述本发明，在上述中通过实施例对本发明恰当且充分地进行了说明，以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。
Claims (2)
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：0.25％-0.30％，Si：0.10％-0.30％，Mn：1.25％-1.60％，P：≤0.020％，S：≤0.008％，Mo：0.05％-0.20％，Cu：0.05％-0.15％，Ti：0.010％-0.030％，Als：0.02％-0.05％，N：≤0.008％，且Ceq≤0.55，Ceq＝C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15，其余为Fe和不可避免元素。
2.一种权利要求1所述的一种高强度电阻焊套管的制造方法，包括冶炼、连铸、连铸坯再加热、轧制、冷却、卷取、ERW制管和整管热处理，其特征在于：
(1)连铸坯再加热：连铸板坯经加热炉加热至1100-1180℃；
(2)轧制：采用热连轧轧制，终轧温度820-900℃，轧后钢带以11-15℃/s的冷却速度进行冷却，在600-700℃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)整管热处理：经ERW制管后进行调质热处理，整管加热到860-900℃，保温25-50min，水淬；再把整管加热到480-580℃，保温60-80min，水冷回火。
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