CN109536838B - 针状铁素体型耐低温n80级石油套管用钢及制备方法 - Google Patents

针状铁素体型耐低温n80级石油套管用钢及制备方法 Download PDF

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Abstract

本申请公开了一种针状铁素体型耐低温N80级石油套管用钢及制备方法，其化学成分按质量百分比包括：C：0.05～0.075％、Si：0.015～0.25％、Mn：1.55～1.70％、Nb：0.040～0.060％、Ti：0.010～0.030％、V：0.010～0.030％、Mo：0.08～0.18％、Cr：0.10～0.20％、Ni：0.08～0.18％、P：≤0.015％、S：≤0.010％，其余为Fe和不可避免的杂质。本发明的优点在于具有较宽的工艺窗口，便于现场的生产和控制，且具有良好的耐低温冲击和抗HIC腐蚀性能。

Description

针状铁素体型耐低温N80级石油套管用钢及制备方法
技术领域
本申请属于冶金技术领域，特别涉及一种针状铁素体型耐低温N80级石油套管用钢及制备方法。
背景技术
随着石油工业的发展和石油套管产能的提高，我国对石油工业专用钢的需求量逐步增加，且在石油管材中占比例最大的是石油套管。其中N80钢级石油套管是用量最大的品种，约占50％。
API Spec 5CT标准规定，N80钢级石油套管管体的屈服强度在552～758MPa之间，抗拉强度≥689MPa，伸长率≥19％，0℃冲击功Akv(横向)≥24J。但是，随着人们对油井安全要求的提高及作业环境越来越复杂，用户开始提出部分个性化需求，如部分用于高寒作业环境的出口用石油套管用钢，要求-10℃低温冲击韧性不小于60J。
N80套管分为无缝管和ERW缝管。ERW套管和无缝套管相比,具有尺寸精度高、焊缝韧性好、抗挤压性能好、质量易于控制以及成本低等优势。目前，N80级ERW套管用钢普遍采用高碳设计(>0.20％)，冶炼并轧制成热轧钢带；然后通过ERW方式进行焊管。但由于高的碳含量，导致低的焊接性能与较低的冲击韧性。
如：中国专利文献CN201710812685.3，超高强度SEW石油套管用热连轧钢卷及其生产方法，该专利化学组分C含量为0.22～0.32wt％；中国专利文献CN201310552094.9，N80级电阻焊石油套管用钢及其制造方法，化学成分C含量达到0.25-0.35wt％；中国专利文献CN200910259322.7，N80级焊接石油套管用钢及其制造方法，C含量为0.20～0.30wt％。以上专利由于具有较高的C含量，对焊接性能和韧性的提高均不利。
中国专利文献CN201110351541.5，一种高强度耐腐蚀直缝焊管用钢及其制造方法，0℃冲击功可以达到Akv≥78J，无法满足高寒区域石油套管的要求。
中国专利文献CN 102912245 B，N80级电阻焊石油套管用钢及其制造方法，焊接性优良，冲击韧性良好，其显微组织为铁素体和贝氏体，对低温韧性不利，且工艺要求苛刻，要求终轧温度为760-810℃，钢带卷取温度不高于520℃，对卷取设备能力要求极高，不利于生产的控制及推广。
此外，由于石油天然气中不可避免的含有H2S等酸性介质，油套管腐蚀已经成为困扰油气田正常开采的主要问题，严重影响油气开采安全和产量提升。
针状铁素体组织型钢具有优异的低温韧性能(中国专利文献CN101684539)和较高的强韧性匹配(中国专利文献CN106868255A)，以及良好的焊接性能和耐腐蚀性能(中国专利文献CN105543701A)，在石油天然气输送管道用钢中得到广泛应用。
发明内容
本发明目的在于提供一种具有良好的低温冲击韧性和抗HIC腐蚀的石油套管用钢及其制备方法，且同时具有优良的焊接性能。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
本申请实施例公开了一种针状铁素体型耐低温N80级石油套管用钢，其化学成分按质量百分比包括：C：0.05～0.075％、Si：0.015～0.25％、Mn：1.55～1.70％、Nb：0.040～0.060％、Ti：0.010～0.030％、V：0.010～0.030％、Mo：0.08～0.18％、Cr：0.10～0.20％、Ni：0.08～0.18％、P：≤0.015％、S：≤0.010％，其余为Fe和不可避免的杂质。
相应的，还公开了一种针状铁素体型耐低温N80级石油套管用钢的制备方法，板卷生产工艺过程包括铁水预处理、转炉冶炼、LF精炼、板坯连铸、连铸坯再加热、轧制、层流冷却和卷取。
进一步地，在上述针状铁素体型耐低温N80级石油套管用钢的制备方法中，所述轧制工艺分两阶段控制轧制，第一阶段开轧温度为1050～1100℃，终轧温度大于1030℃；第二阶段开轧温度980～1010℃，终轧温度为810～850℃。
进一步地，在上述针状铁素体型耐低温N80级石油套管用钢的制备方法中，所述层流冷却工艺中板卷冷却速率为10～14℃/s。
进一步地，在上述针状铁素体型耐低温N80级石油套管用钢的制备方法中，板卷卷取温度为500～550℃。
本发明元素选择及用量说明如下：
C：C元素是增加钢的强度最为有效也是最为廉价的合金元素。C元素的增可以增加钢的固溶强化作用，但C含量过高对低温冲击韧性和焊接均有不利影响。综合考虑C元素对强度和冲击韧性的影响，C含量控制在0.05～0.075％为宜。
Si：Si元素固溶于铁素体以提高钢的屈服强度，但Si元素过高会使钢的塑形和韧性降低，且有害于板材的表面质量，所以其最佳含量控制为0.15～0.25％。
Mn：Mn元素具有增加奥氏体稳定性的作用，有效提高钢的淬透性，同时具有固溶强化的作用，提高钢的强度。但同时Mn元素会增加连铸坯的中心偏析倾向，所以Mn元素控制在1.55～1.70％为宜。
P、S：P、S元素作为钢中的有害元素，会增加钢的脆性，降低韧塑形，且对焊接性能造成影响，所以在钢种P、S应严格控制，综合考虑到工艺成本和材料的性能需求，应控制P≤0.015％，S≤0.010％。
Ti：Ti元素是强碳氮化物形成元素，显著细化奥氏体晶粒，可弥补因C降低而引起的强度下降，降低屈强比。但若Ti含量太高，易形成粗大的TiN，降低材料性能。因此，本发明控制Ti含量为0.010～0.030％。
Nb：Nb元素是强碳氮化物形成元素，同时也可起到细晶和析出强化作用，弥补低C引起的强度下降，但过高的Nb会增加炼钢成本，所以本发明采用Nb含量为0.040～0.060％。
V：V是强碳化物形成元素，在钢中形成细小、均匀、高度弥散的碳化物和氮化物微粒，提高强度。本例中V元素含量控制在0.010～0.030％。
Mo：Mo元素可以提高钢的淬透性，同时钼对铁素体有固溶强化作用，也能提高碳化物的稳定性，因此对钢的强度产生有利的作用。但过高的Mo元素会增加成本，本发明中Mo元素控制在0.08％～0.18％。
Ni：Ni元素可以有效提高钢板的低温冲击韧性和耐腐蚀性能，本发明为了提高低温冲击韧性和抗HIC性能，同时考虑工艺成本，适当添加了Ni元素，控制含量为0.08％～0.18％。
Cr：是强烈提高淬透性和提高耐腐蚀性能的元素，并且可扩大工艺窗口，形成析出物，明显提高钢材强度和耐腐蚀性能。本发明为了提高淬透性，得到合适的组织，适当添加Cr元素0.10％～0.20％。
冶炼工艺中严格控制钢水中的硫、磷含量，从而提高抗H2S耐腐性能。铁水脱硫≤0.003％；铸坯P≤0.015％，LF软吹时间≥10分钟，连铸中间包目标温度1539-1555℃，要求拉速稳定；铸坯检验要求：中心偏析C类≤1.5，中心疏松≤0.5。
轧制及冷却工艺：热连轧机组进行两阶段控制轧制，第一阶段开轧温度为1050℃～1100℃，终轧温度大于1030℃；第二阶段开轧温度小于980℃～1010℃，终轧温度为810℃～850；为了获得超细晶针状铁素体组织，轧后钢带以10～14℃/s的速度进行快速冷却，在500～550℃温度区间进行钢带卷取。
轧后进行力学性能、显微组织和抗HIC性能试验，抗HIC试验按照NACE StandardTM0284-2003标准，试验溶液为A溶液，在常温常压条件下经过96小时H2S饱和溶液(A溶液)的浸泡。检测结果为N80钢的屈服强度范围在555～760MPa之间，抗拉强度在695Mpa以上，延伸率在24％以上，-10℃低温冲击值大于80J。在饱和H2S溶液中浸泡96小时，试样表面未见氢鼓泡，剖面金相观察无HIC裂纹。
与现有技术相比，本发明具有较宽的工艺窗口，便于现场的生产和控制，且具有良好的耐低温冲击和抗HIC腐蚀性能。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1所示为实施例1中针状铁素体型耐低温N80级石油套管用钢金相图；
图2所示为实施例1中针状铁素体型耐低温N80级石油套管用钢在H2S饱和溶液浸泡96小时后试样表面宏观照片；
图3所示为实施例4中针状铁素体型耐低温N80级石油套管用钢在H2S饱和溶液浸泡96小时后试样表面宏观照片；
图4所示为实施例6中针状铁素体型耐低温N80级石油套管用钢在H2S饱和溶液浸泡96小时后试样表面宏观照片。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行详细的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
针状铁素体型耐低温N80级石油套管用钢板卷制备流程包括：
铁水预处理、转炉冶炼、LF精炼、板坯连铸、连铸坯再加热、轧制、层流冷却和卷取。热连轧机组进行两阶段控制轧制。
冶炼工艺中严格控制钢水中的硫、磷含量，从而提高抗H2S耐腐性能。铁水脱硫≤0.003％；铸坯P≤0.015％，LF软吹时间≥10分钟，连铸中间包目标温度1539-1555℃，要求拉速稳定；铸坯检验要求：中心偏析C类≤1.5，中心疏松≤0.5。
以下将从6个实施例中具体说明所得到的针状铁素体型耐低温N80级石油套管用钢技术指标，实施例中各化学成分质量百分比见下表：
Figure BDA0001913916060000051
轧制工艺分两阶段控制轧制，两阶段开扎和终扎温度以及卷取温度、层流冷却速率如下表：
Figure BDA0001913916060000052
Figure BDA0001913916060000061
轧后各实施例中针状铁素体型耐低温N80级石油套管用钢力学性能如下：
实施例 屈服点(MPa) 抗拉强度(MPa) 断后伸长率(A50) -10℃横向冲击(J)
1 555 698 25.5 103
2 578 700 25 88
3 558 699 24.5 81
4 598 710 25 98
5 579 703 25 89
6 563 729 25.5 91
结合图1所示，实施例1所得针状铁素体型耐低温N80级石油套管用钢金相图，该金相图显示了本发明的石油套管用钢的组织为超细化针状铁素体组织，晶粒尺寸在11级以上。
结合图2-4所示，本发明针状铁素体型耐低温N80级石油套管用钢在饱和H2S溶液中浸泡96小时，试样表面未见氢鼓泡，剖面金相观察无HIC裂纹。
上述实施例仅为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种针状铁素体型耐低温N80级石油套管用钢，其特征在于，由如下质量百分比的化学成分组成：C：0.05～0.075％、Si：0.015～0.25％、Mn：1.55～1.70％、Nb：0.040～0.060％、Ti：0.010～0.030％、V：0.010～0.030％、Mo：0.08～0.18％、Cr：0.10～0.20％、Ni：0.08～0.18％、P：≤0.015％、S：≤0.010％，其余为Fe和不可避免的杂质，板卷生产工艺过程包括铁水预处理、转炉冶炼、LF精炼、板坯连铸、连铸坯再加热、轧制、层流冷却和卷取，所述轧制工艺分两阶段控制轧制，第一阶段开轧温度为1050～1100℃，终轧温度大于1030℃；第二阶段开轧温度980～1010℃，终轧温度为810～850℃，所述层流冷却工艺中板卷冷却速率为10～14℃/s，板卷卷取温度为500～550℃。
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