CN109609850B - 一种高强度石油钢管及制备方法 - Google Patents

一种高强度石油钢管及制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高强度石油钢管及制备方法，包括如下重量百分比的成分：C：0.35‑0.39％、Si：0.25‑0.55％、Mn：1.45‑1.65％、P：≤0.012％、S：≤0.005％、Al：0.01‑0.04％、Cr：0.2‑0.4％、Ti：0.005‑0.02％、Nb：0.015‑0.04％、V：0.02‑0.055％、N：0.013‑0.017％、Ca：0.0005‑0.005％，余量为Fe和不可避免的杂质。原料通过冶炼钢水、钙处理、穿孔、轧管、再加热、张力减径或定径等一系列工序制备得到本发明的石油钢管，本发明具有高强度、高韧性。

Description

一种高强度石油钢管及制备方法
技术领域
本发明涉及石油钢管及制备方法，特别涉及一种高强度石油钢管及制备方法。
背景技术
N80钢级石油套管为油气井用量最多的品种之一，主要用作500-400Om深的套管柱。近年来，随着石油工业迅速发展，石油套管的市场需求逐年增多，目前对N80钢级套管的需求量高达200万吨以上。按API标准规定，N80钢级套管的屈服强度为552～758MPa，抗拉强度≥689MPa，N80钢级可以整管调质状态交货，又可以非调质状态交货。通过调质处理可以方便地获得80钢级的套管产品。但整管调质在设备上要求生产厂家具有整管热处理的配套设备。如果生产厂家没有相关装备，则不能生产这种高强度套管；另外，由于淬火导致套管直度以及不圆度增大，生产厂家还必须有配套的矫直、矫圆设备。显而易见，由于经过整管热处理，套管的生产成本明显提高。
以非调质态生产N80钢级无缝油套管则不存在这些问题。N80-1是API 5CT标准中可非调质生产的最高钢级产品，一般而言，用户对该钢种的冲击功都有强制性要求，即要求O℃全尺寸纵向冲击功≥27J。按该标准规定，N80-1应进行正火处理，或由制造厂选择进行正火加回火，再或者进行正火轧制，即终轧温度高于所处理钢材的上临界温度Ar3。因此，从生产工艺上而言，正火轧制是非调质态生产N80钢级无缝油套管的最经济的做法。然而，由于屈服强度较高，采用正火轧制生产N80的难点是冲击功的要求难以满足。
中国专利CN201210576236.0，名称为“高性能N80级非调制石油套管用无缝钢管及其制造方法”，所述石油套管化学成分的配比为C：0.15-0.30％；Si：0.50-0.80％；Mn：1.7-2.2％；B：0.0015-0.002％；Ti：0.017-0.020％；Al：0.015-0.020％，Ca：0.005-0.007％。由于其Mn含量高于1.7，热轧后往往会因偏析而形成石油套管所不允许存在的马氏体组织，所以热轧后需500℃回火1小时，由于热轧后还需回火处理，生产成本较高。
中国专利CN201710763638.4，名称为“一种N80钢级石油套管及其制备方法”、中国专利CN201210168792.4，名称为“PSL-2等级非调质N80钢级油套管生产工艺”、中国专利CN201310246102.7，名称“细晶粒铁素体+珠光体型N80-1非调质无缝油套管及生产方法”等发明专利，均为添加V的合金化钢种，V含量从0.06到0.145。采用高V合金生产N80-1钢种面临很大的成本压力。另外，中国专利CN201710763638.4，名称为“一种N80钢级石油套管及其制备方法”，配方中由于C含量较低且N≤0.01，对于生产较大规格如φ139以上的N80-1套管强度往往达不到要求；中国专利CN201210168792.4，名称“PSL-2等级非调质N80钢级油套管生产工艺”，配方中由于不含N，套管的韧性往往不合格；中国专利CN201310246102.7，名称为“细晶粒铁素体+珠光体型N80-1非调质无缝油套管及生产方法”，配方中除了含V量过高外，由于对炼钢没有特殊要求，强度和韧性波动性满足要求。
发明内容
发明目的：本发明目的是提供一种高强度石油钢管，该钢管强度、韧性高。
本发明的另一目的是提供所述高强度石油钢管的制备方法。
技术方案：本发明提供的高强度石油钢管，包括如下重量百分比的成分：C：0.35-0.39％、Si：0.25-0.55％、Mn：1.45-1.65％、P：≤0.012％、S：≤0.005％、Al：0.01-0.04％、Cr：0.2-0.4％、Ti：0.005-0.02％、Nb：0.015-0.04％、V：0.02-0.055％、N：0.013-0.017％、Ca：0.0005-0.005％，余量为Fe和不可避免的杂质。
进一步地，所述高强度石油钢管，包括如下重量百分比的成分：C：0.35％、Si：0.55％、Mn：1.65％、P：0.012％、S：0.003％、Al：0.01％、Cr：0.2％、Ti：0.005％、Nb：0.03％、V：0.055％、N：0.017％、Ca：0.005％，余量为Fe和不可避免的杂质。
所述的高强度石油钢管的制备方法，包括如下步骤：
(1)冶炼钢水：按照配比称取各原料，并冶炼成钢水；
(2)钙处理：钢水经炉外精炼和真空脱气后，进行钙处理，合金化，合金熔炼，连铸成圆坯；
(3)穿孔：圆坯在1220-1260℃下均热3-4h，穿孔温度1200-1240℃，应变量保证完全动态再结晶的动力学条件，为轧管工序做好组织准备；
(4)轧管：穿孔后在1050-1150℃下轧管，连轧后钢管在脱管机上与芯棒分离，在1050-1150℃轧管，应变量保证奥氏体非再结晶的动力学条件，充分利用Al、Ti、Nb等元素析出物颗粒的拖曳作用细化奥氏体晶粒；
(5)再加热：钢管连轧后进加热炉之前水雾冷却，保证钢管进在线再加热炉前温度≤600℃，再加热炉温度为900～940℃；
(6)张力减径或定径：钢管定径机入口温度≥880℃，终轧温度≥850℃，定径结束后风冷，在30min内降低至200℃以下，以快速完成组织转变。
进一步地，所述步骤(2)中合金化以控制硫化物分布形态。
进一步地，所述硫化物分布形态呈细小球形、弥散均布。
进一步地，所述步骤(3)中圆坯在环形炉内均热。
进一步地，所述步骤(6)中组织转变为均匀分布的铁素体+珠光体。
有益效果：本发明通过合金元素的合理搭配和添加，有效提高钢质的纯净度以及夹杂物形态；充分利用钢中碳氮化物在连铸、穿孔、连轧、再加热以及钢管冷却过程中的析出作用，来细化晶粒，最终达到同时提高强度和韧性的目的。
附图说明
图1是本发明实施例A1金相微观组织；
图2是本发明实施例A1珠光体的形态。
具体实施方式
以下列举了5个实施例A1-A5和2个对比例B1-B2对本发明进行具体阐述。
实施例A1-A5、对比例B1-B2制得的钢管尺寸为Φ139.7×10.54mm，采用本发明方法制成，钢管的化学成分重量百分配比如表1所示，工艺参数如表2所示。
(1)冶炼钢水：按照配比称取各原料，并冶炼成钢水；
(2)钙处理：钢水经炉外精炼和真空脱气后，进行钙处理，合金化，合金熔炼，连铸成圆坯，合金化以控制硫化物分布形态；硫化物分布形态呈细小球形、弥散均布；
(3)穿孔：圆坯在1220-1260℃下环形炉内均热3-4h，穿孔温度1200-1240℃，应变量保证完全动态再结晶的动力学条件，为轧管工序做好组织准备；
(4)轧管：穿孔后在1050-1150℃下轧管，连轧后钢管在脱管机上与芯棒分离，在1050-1150℃轧管，应变量保证奥氏体非再结晶的动力学条件，充分利用Al、Ti、Nb等元素析出物颗粒的拖曳作用细化奥氏体晶粒；
(5)再加热：钢管连轧后进加热炉之前水雾冷却，保证钢管进在线再加热炉前温度≤600℃，再加热炉温度为900～940℃；
(6)张力减径或定径：钢管定径机入口温度≥880℃，终轧温度≥850℃，定径结束后风冷，在30min内降低至200℃以下，以快速完成组织转变，最终转变为均匀分布的铁素体+珠光体。
表1为本案实施例A1-A5以及对比例B1-B2中的各钢管的化学元素质量百分配比。
表1 试验钢化学成分
Figure BDA0001926943390000031
Figure BDA0001926943390000041
表2为管坯加热制度、制管工艺参数及其对应的力学性能。
表2 力学性能
Figure BDA0001926943390000042
结合表1和表2可以看出，由于实施例A1-A5中的各无缝钢管具有本发明的技术方案所规定的化学元素质量百分配比，并且其均按照本发明所提供的制造方法进行加工生产，因此实施例A1-A5中的经济型正火轧制高强度无缝石油套管的屈服强度均大于552MPa，小于758MPa，且在0℃纵向全尺寸冲击吸收功最低为33J，均符合N80-1钢级的要求。与之形成对比的是，对比例B1的强度无法达到552MPa，对比例B2在0℃的冲击吸收功不满足27J的要求。
由此可知，本发明的技术方案通过合理的成分设计+合理制造工艺，获得了经济型N80-1高强度无缝石油套管。

Claims (6)

1.一种高强度石油钢管，其特征在于：由如下重量百分比的成分组成：C：0.35-0.39％、Si：0.25-0.55％、Mn：1.45-1.65％、P：≤0.012％、S：≤0.005％、Al：0.01-0.04％、Cr：0.2-0.4％、Ti：0.005-0.02％、Nb：0.015-0.04％、V：0.02-0.055％、N：0.013-0.017％、Ca：0.0005-0.005％，余量为Fe和不可避免的杂质；
所述高强度石油钢管的制备方法，包括如下步骤：
(1)冶炼钢水：按照配比称取各原料，并冶炼成钢水；
(2)钙处理：钢水经炉外精炼和真空脱气后，进行钙处理，合金化，合金熔炼，连铸成圆坯；
(3)穿孔：圆坯在1220-1260℃下均热3-4h，穿孔温度1200-1240℃；
(4)轧管：穿孔后在1050-1150℃下轧管，连轧后钢管在脱管机上与芯棒分离；
(5)再加热：钢管连轧后进加热炉之前水雾冷却，保证钢管进在线再加热炉前温度≤600℃，再加热炉温度为900～940℃；
(6)张力减径或定径：钢管定径机入口温度≥880℃，终轧温度≥850℃，定径结束后风冷，在30min内降低至200℃以下，以快速完成组织转变。
2.根据权利要求1所述的高强度石油钢管，其特征在于：包括如下重量百分比的成分：C：0.35％、Si：0.55％、Mn：1.65％、P：0.012％、S：0.003％、Al：0.01％、Cr：0.2％、Ti：0.005％、Nb：0.03％、V：0.055％、N：0.017％、Ca：0.005％，余量为Fe和不可避免的杂质。
3.如权利要求1-2任一项所述的高强度石油钢管的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中合金化以控制硫化物分布形态。
4.根据权利要求3所述的高强度石油钢管的制备方法，其特征在于：所述硫化物分布形态呈细小球形、弥散均布。
5.根据权利要求3所述的高强度石油钢管的制备方法，其特征在于：所述步骤(3)中圆坯在环形炉内均热。
6.根据权利要求3所述的高强度石油钢管的制备方法，其特征在于：所述步骤(6)中组织转变为均匀分布的铁素体+珠光体。
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