CN110295313A - 一种耐低温高强高韧油套管及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种耐低温高强高韧油套管，其化学元素质量百分比为：C：0.08‑0.14％、Si：0.1‑0.4％、Mn：0.6‑1.3％、Cr：0.5‑1.5％、Mo：0.2‑0.5％、Ni：0.2‑0.5％、Nb：0.02‑0.05％、V：0‑0.1％、Al：0.01‑0.05％、Ca：0.0005‑0.005％，余量为Fe和不可避免的杂质。本发明还公开了一种耐低温高强高韧油套管的制造方法，包括步骤：(1)冶炼和连铸；(2)穿孔和连轧；(3)热处理：控制奥氏体化温度为900‑930℃，保温30‑60min后淬火，然后在480‑600℃温度范围内回火，保温时间50‑80min；(4)热定径。

Description

一种耐低温高强高韧油套管及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种油套管及其制造方法，尤其涉及一种耐低温高强高韧油套管及其制造方法。
背景技术
在特别的低温环境下使用的高钢级套管，裂纹的萌生和扩展通常都是沿管材的纵向进行。为了保证套管在低温环境下的安全使用，需要改善低温下套管的纵向冲击韧性，减小套管在低温条件下沿纵向开裂的倾向性，同时需要保证套管具有较高的机械强度和横向冲击韧性以及较低的韧脆转变温度。
现有技术中，公开号为“CN 101629476A”，公开日为2010年1月20日，名称为“耐-40～-80℃低温的高强高韧性石油套管”的中国专利文献中公开了一种耐-40～-80℃低温的高强高韧性石油套管，其C含量为0.16-0.35％，还配合有Cr、Mo、Ni元素以及V、Nb等微合金元素，常温下管材的屈服强度为1034～1172MPa；韧脆转变温度在-40℃～-80℃；在韧脆转变温度下夏比V型横向冲击功为50～80J，纵向冲击功为80～120J；平均晶粒度为8.5～10级。但其成分体系为中碳体系，其韧脆转变温度较高且在此温度下韧性较低。
公开号为“CN103160752A”，公开日为2013年6月19日，名称为“一种低温韧性优良的高强无缝钢管及其制造方法”的中国专利文献公开了一种低温韧性优良的高强无缝钢管及其制造方法，其强度级别达到125Ksi，但其成分中含有较高的Ni元素，成本较高。
鉴于此，期望获得一种耐低温高强高韧油套管，该油套管具有较好的低温韧性、较低的韧脆转变温度，并具有较高的机械强度，满足低温开采油田过程中对油套管的耐低温高强高韧性能的需求。
发明内容
本发明的目的之一在于提供一种耐低温高强高韧油套管，该油套管具有较好的低温韧性、较低的韧脆转变温度，并且具有较高的机械强度，满足低温开采油田过程中对油套管的耐低温高强高韧性能的需求。
为了实现上述目的，本发明提出了一种耐低温高强高韧油套管，其化学元素质量百分比为：
C：0.08-0.14％、Si：0.1-0.4％、Mn：0.6-1.3％、Cr：1-1.4％、Mo：0.2-0.5％、Ni：0.2-0.5％、Nb：0.02-0.05％、V：0-0.1％、Al：0.01-0.05％、Ca：0.0005-0.005％，余量为Fe和不可避免的杂质。
本发明所述的耐低温高强高韧油套管中的各化学元素的设计原理为：
C：C为碳化物形成元素，可以提高钢的强度，当含量低于0.08％时，会使淬透性降低，降低钢的强度和韧性。当含量高于0.14％时，会恶化钢的偏析，使得碳化物粗大，同时提高晶格畸变应力，造成钢的低温韧性显著降低，难以达到低温高强度高韧性的要求。因此，本案发明人将耐低温高强高韧油套管中的C含量限定在0.08-0.14％。
Si：Si固溶于铁素体可以提高钢的屈服强度。但Si含量不宜过高，太高会使钢的表面氧化皮变厚，影响冷却效果，导致钢的加工和韧性恶化。而当Si含量低于0.1％时，会降低脱氧剂的作用。因此，本案发明人将耐低温高强高韧油套管中的Si含量限定在0.1-0.4％。
Mn：Mn为奥氏体形成元素，可以提高钢的淬透性，在本案的钢种体系中其含量小于0.6％时会显著降低钢的淬透性，降低马氏体比例，从而降低韧性；当其含量大于1.3％时，将显著增加钢中的组织偏析，影响热轧组织的均匀性和冲击性能。因此，本案发明人将耐低温高强高韧油套管中的Mn含量限定在0.6-1.3％。
Mo：Mo主要是通过碳化物及固溶强化形式来提高钢的强度及回火稳定性，在本案钢种体系中由于碳含量较低，当Mo含量高于0.5％时，Mo难以形成更多的碳化物析出相，会造成合金浪费，而当Mo含量低于0.2％时，钢的强度无法达到高强度的要求。因此，本案发明人将耐低温高强高韧油套管中的Mo含量限定在0.2-0.5％。
Cr：Cr是强烈提高钢的淬透性的元素，也是强碳化物形成元素，其可以在回火时析出碳化物从而提高钢的强度，但其含量高于1.4％时容易在晶界及马氏体板条束界析出粗大M23C6碳化物，从而恶化钢的韧性，当其含量低于1％时，难以保证淬透性。因此，本案发明人将耐低温高强高韧油套管中的Cr含量限定在1-1.4％。
Ni：Ni为奥氏体形成元素，其可以扩大奥氏体相区，增加过冷奥氏体稳定性，提高钢的淬透性，还可提高淬火后残余奥氏体的比例，由于残余奥氏体具有良好的塑性和独特的分布，因此可以改善钢的低温冲击韧性。Ni含量在0.2％以下时，低温冲击韧性改善不明显，Ni含量高于0.5％时，低温冲击韧性不再发生变化，但会降低钢的强度，且会增加成本。因此，本案发明人将耐低温高强高韧油套管中的Ni含量限定在0.2-0.5％。
V：V元素能够细化钢中晶粒，其参与形成的碳化物，通过析出强化能够大幅提高钢的强度。然而，当V的添加量达到一定程度时，其增强效果并不明显，并且V是比较昂贵的合金元素，因此，本案发明人将耐低温高强高韧油套管中的V含量限定在0-0.1％。
Nb：Nb是细晶和析出强化元素，可弥补因碳降低而引起的强度的下降，其含量小于0.02％时作用不明显，高于0.05％时容易形成粗大的Nb(CN)，从而降低韧性。另外，Nb是比较昂贵的合金元素，因此，本案发明人将耐低温高强高韧油套管中的Nb含量限定在0.02-0.05％。
Ca:Ca可以净化钢液，促使MnS球化，提高冲击韧性，但含量过高时易形成粗大的非金属夹杂物。因此，本案发明人将耐低温高强高韧油套管中的Ca含量限定在0.0005-0.005％。
Al：Al是较好的脱氧元素，但加入太多容易造成氧化铝夹杂，因此要尽量提高酸溶铝占全铝的比重，真空脱气后再适量喂Al丝。因此，本案发明人将耐低温高强高韧油套管中的Al含量限定在0.01-0.05％。
需要说明的是，在本发明所述的技术方案中，不可避免的杂质主要为P、S。P和S是钢中的有害杂质元素，P过高会偏聚晶界，脆化晶界，严重恶化钢的韧性，S含量过高会使钢中夹杂物含量增多，对钢的低温韧性不利，因此应尽量降低钢中的P、S含量，优选地，本发明将耐低温高强高韧油套管中的P、S含量限定在P≤0.01、S≤0.003。
进一步地，在本发明所述的耐低温高强高韧油套管中，还满足0.3＜Mn/(Cr+Mn)≤0.5，式中Mn和Cr分别表示相应元素的质量百分比。
上述技术方案中，通过限定Mn、Cr含量使其满足0.3＜Mn/(Cr+Mn)≤0.5来改善偏析，从而保证本发明所述的耐低温高强高韧油套管具有良好的低温韧性。
更进一步地，在本发明所述的耐低温高强高韧油套管中，其微观组织为细小均匀的回火索氏体组织+残余奥氏体。
在本发明所述的技术方案中，耐低温高强高韧油套管的微观组织为细小均匀的回火索氏体组织+残余奥氏体，细小均匀回火索氏体组织可以保证耐低温高强高韧油套管具有良好的强韧性配合，残余奥氏体可以保证耐低温高强高韧油套管具有良好的塑韧性，从而能改善耐低温高强高韧油套管在低温下的冲击韧性。
进一步地，在本发明所述的耐低温高强高韧油套管中，所述残余奥氏体的相比例为3％～6％。
进一步地，在本发明所述的耐低温高强高韧油套管中，其晶粒度在10级以上。
进一步地，在本发明所述的耐低温高强高韧油套管中，其具有细小弥散分布在晶界处及晶粒内的碳化物颗粒。
进一步地，在本发明所述的耐低温高强高韧油套管中，其屈服强度≥965MPa，抗拉强度≥1034MPa，韧脆转变温度在-60℃～-100℃范围内，-60℃下的横向冲击功≥100J，纵向冲击功≥120J，断口剪切比≥75％。
相应地，本发明的另一目的在于提供一种上述耐低温高强高韧油套管的制造方法，该制造方法工艺简单，生产成本低，通过合理的成分设计和优化的工艺参数使得制得的耐低温高强高韧油套管具有较好的低温韧性、较低的韧脆转变温度，并且具有较高的机械强度。
为了实现上述目的，本发明提出了一种耐低温高强高韧油套管的制造方法，其包括步骤：
(1)冶炼和连铸；
(2)穿孔和连轧；
(3)热处理：控制奥氏体化温度为900-930℃，保温30-60min后淬火，然后在480-600℃温度范围内回火，保温时间50-80min；
(4)热定径。
进一步地，在本发明所述的制造方法中，在所述步骤(1)中，控制浇铸过程中的钢水过热度≤30℃，并且控制连铸拉速为1.8-2.2m/min。
在本发明所述的制造方法中，在一些实施方式中，可以采用废钢+高炉铁水进行配料，铁水比例可以为50-60％，钢水经电炉冶炼，通过炉外精炼、真空脱气和氩气搅拌后，再经过Ca处理进行夹杂物变性，以降低O、H含量。然后将合金浇铸成圆坯，浇铸过程中控制钢水过热度≤30℃，可以采用电磁搅拌，控制连铸拉速1.8-2.2m/min，以降低成分偏析。
更进一步地，在本发明所述的制造方法中，在所述步骤(2)中，控制圆坯在1200-1240℃温度下均热，然后穿孔，控制穿孔温度为1180-1240℃，控制连轧的终轧温度为900℃-950℃，控制定径温度为850℃-900℃。
在本发明所述的制造方法中，在一些实施方式中，将连铸后的圆坯冷却后在环形加热炉中加热，并控制连铸圆坯在1200-1240℃温度下均热，然后穿孔。
进一步地，在本发明所述的制造方法中，在所述步骤(4)中，热定径温度为400-550℃。
本发明所述的耐低温高强高韧油套管及其制造方法与现有技术相比，具有以下有益效果：
(1)本发明采用低C体系，C含量较常规钢种低，通过限定0.3＜Mn/(Cr+Mn)≤0.5来改善偏析，同时配合添加一定量的Ni元素，从而保证了本发明所述的耐低温高强高韧油套管具有较好低温韧性和较低的韧脆转变温度，并且还具有较高的机械强度；
(2)本发明所述的耐低温高强高韧油套管的制造方法工艺简单，生产成本低，易于大规模生产实施。
附图说明
图1为本发明实施例3的耐低温高强高韧油套管的金相图。
图2为本发明实施例3的耐低温高强高韧油套管的晶粒图。
图3为本发明实施例3的耐低温高强高韧油套管的碳化物颗粒分布图。
具体实施方式
下面将结合附图说明和具体的实施例对本发明所述的耐低温高强高韧油套管及其制造方法做进一步的解释和说明，然而该解释和说明并不对本发明的技术方案构成不当限定。
实施例1-5和对比例1-4
表1-1和表1-2列出了实施例1-5和对比例1-4的耐低温高强高韧油套管中的各化学元素质量百分比。
表1-1.(wt％，余量为Fe和除了P、S以外的其他不可避免的杂质)
序号 C Mn Si P S Cr Mn/(Mn+Cr)
实施例1 0.08 0.6 0.2 0.009 0.002 1.2 0.33
实施例2 0.09 0.8 0.1 0.010 0.001 1 0.44
实施例3 0.1 1 0.3 0.010 0.003 1.4 0.42
实施例4 0.12 1.1 0.4 0.012 0.002 1.4 0.44
实施例5 0.14 1.2 0.25 0.013 0.002 1.3 0.48
对比例1 0.12 <u>1.6</u> 0.26 0.007 0.003 <u>0.3</u> <u>0.84</u>
对比例2 0.12 1.2 0.33 0.008 0.003 1 <u>0.54</u>
对比例3 <u>0.26</u> 0.9 0.2 0.010 0.001 1.2 0.43
对比例4 <u>0.18</u> 1.2 0.3 0.010 0.003 1.2 0.50
表1-2.(wt％，余量为Fe和除了P、S以外的其他不可避免的杂质)
序号 Mo V Nb Al Ca Ni
实施例1 0.2 0 0.03 0.01 0.0005 0.3
实施例2 0.3 0.03 0.02 0.04 0.001 0.4
实施例3 0.4 0.05 0.03 0.05 0.005 0.3
实施例4 0.5 0.07 0.03 0.03 0.003 0.2
实施例5 0.4 0.1 0.04 0.02 0.002 0.4
对比例1 0.2 0.05 0.03 0.023 0.002 0.5
对比例2 0.3 0.03 0.03 0.03 0.002 0
对比例3 <u>0.6</u> 0.05 0.02 0.04 0.001 0.3
对比例4 0.4 0.06 0.04 0.05 0.003 0.2
实施例1-5和对比例1-4的耐低温高强高韧油套管采用下述步骤制得：
(1)冶炼和连铸：采用废钢+高炉铁水进行配料，铁水比例为50-60％，钢水经电炉冶炼，通过炉外精炼、真空脱气和氩气搅拌后，再经过Ca处理进行夹杂物变性，以降低O、H含量。然后将合金浇铸成圆坯，浇铸过程中控制钢水过热度≤30℃，采用电磁搅拌，控制连铸拉速1.8-2.2m/min；
(2)穿孔和连轧：将连铸后的圆坯冷却后在环形加热炉中加热，并控制连铸圆坯在1200-1240℃温度下均热，然后穿孔。控制穿孔温度为1180-1240℃，控制连轧的终轧温度为900℃-950℃，控制定径温度为850℃-900℃；
(3)热处理：控制奥氏体化温度为900-930℃，保温30-60min后淬火，然后在480-600℃温度范围内回火，保温时间50-80min；
(4)热定径：控制热定径温度为400-550℃。
表2-1和表2-2列出了实施例1-5和对比例1-4的耐低温高强高韧油套管的制造方法的具体工艺参数。
表2-1.
表2-2.
对实施例1-5和对比例1-4的耐低温高强高韧油套管取样，进行各项力学性能测试，将试验测得到的相关力学性能列于表3中。其中，断口剪切比指的是纤维状区域面积/断口总面积。
表3.
从表3可以看出，实施例1-5的耐低温高强高韧油套管屈服强度≥965MPa，抗拉强度≥1034MPa，韧脆转变温度在-60℃～-80℃，在-60℃下的横向冲击功≥100J、纵向冲击功≥120J，断口剪切比≥75％。
对比例1的Cr含量较低，Mn含量较高，Mn/(Mn+Cr)＞0.5，导致组织中偏析严重，偏析处存在粗大碳化物，虽然强度可以保持，但韧脆转变温度显著升高，-60℃下的冲击韧性急剧降低。
对比例2没有添加Ni，导致淬透性低，热处理后残余奥氏体含量降低，虽然对强度影响不大，但韧脆转变温度明显升高，-60℃下的冲击韧性急剧降低，剪切比降低。
对比例3和4的C含量过高，导致热处理后偏析严重，韧脆转变温度明显升高，-60℃下的冲击韧性急剧降低，剪切比降低。
从图1可以看出，实施例3的耐低温高强高韧油套管具有细小均匀的回火索氏体组织。
从图2可以看出，实施例3的耐低温高强高韧油套管存有3-6％的残余奥氏体，其晶粒度相比常规石油套管更加细小，晶粒度在10级以上。
从图3可以看出，实施例3的耐低温高强高韧油套管中碳化物颗粒细小弥散分布在晶界及晶粒内。
需要说明的是，本发明的保护范围中现有技术部分并不局限于本申请文件所给出的实施例，所有不与本发明的方案相矛盾的现有技术，包括但不局限于在先专利文献、在先公开出版物，在先公开使用等等，都可纳入本发明的保护范围。
此外，本案中各技术特征的组合方式并不限本案权利要求中所记载的组合方式或是具体实施例所记载的组合方式，本案记载的所有技术特征可以以任何方式进行自由组合或结合，除非相互之间产生矛盾。
还需要注意的是，以上所列举的实施例仅为本发明的具体实施例。显然本发明不局限于以上实施例，随之做出的类似变化或变形是本领域技术人员能从本发明公开的内容直接得出或者很容易便联想到的，均应属于本发明的保护范围。

Claims (11)

1.一种耐低温高强高韧油套管，其特征在于，其化学元素质量百分比为：
C：0.08-0.14％、Si：0.1-0.4％、Mn：0.6-1.3％、Cr：1-1.4％、Mo：0.2-0.5％、Ni：0.2-0.5％、Nb：0.02-0.05％、V：0-0.1％、Al：0.01-0.05％、Ca：0.0005-0.005％，余量为Fe和不可避免的杂质。
2.如权利要求1所述的耐低温高强高韧油套管，其特征在于，还满足0.3＜Mn/(Cr+Mn)≤0.5，式中Mn和Cr分别表示相应元素的质量百分比。
3.如权利要求1所述的耐低温高强高韧油套管，其特征在于，其微观组织为细小均匀的回火索氏体组织+残余奥氏体。
4.如权利要求3所述的耐低温高强高韧油套管，其特征在于，所述残余奥氏体的相比例为3％～6％。
5.如权利要求3所述的耐低温高强高韧油套管，其特征在于，其晶粒度在10级以上。
6.如权利要求3所述的耐低温高强高韧油套管，其特征在于，其具有细小弥散分布在晶界处及晶粒内的碳化物颗粒。
7.如权利要求1所述的耐低温高强高韧油套管，其特征在于，其屈服强度≥965MPa，抗拉强度≥1034MPa，韧脆转变温度在-60℃～-100℃范围内，-60℃下的横向冲击功≥100J，纵向冲击功≥120J，断口剪切比≥75％。
8.如权利要求1-7中任意一项所述的耐低温高强高韧油套管的制造方法，其包括步骤：
(1)冶炼和连铸；
(2)穿孔和连轧；
(3)热处理：控制奥氏体化温度为900-930℃，保温30-60min后淬火，然后在480-600℃温度范围内回火，保温时间50-80min；
(4)热定径。
9.如权利要求8所述的制造方法，其特征在于，在所述步骤(1)中，控制浇铸过程中的钢水过热度≤30℃，并且控制连铸拉速为1.8-2.2m/min。
10.如权利要求8所述的制造方法，其特征在于，在所述步骤(2)中，控制圆坯在1200-1240℃温度下均热，然后穿孔，控制穿孔温度为1180-1240℃，控制连轧的终轧温度为900℃-950℃，控制定径温度为850℃-900℃。
11.如权利要求8所述的制造方法，其特征在于，在所述步骤(4)中，热定径温度为400-550℃。
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