CN111485176A - 一种低成本j55级石油套管用钢及其生产方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低成本J55级石油套管用钢及其生产方法和应用，其中提供的低成本J55级石油套管用钢的化学成分按重量百分比为C：0.22‑0.27％、Si：0.15‑0.25％、Mn：1.20‑1.35％、P：≤0.015％、S：≤0.005％、Nb：0.010‑0.025％、Al：0.020‑0.050％、N：≤50ppm，余量为Fe和不可避免的杂质。提供的低成本J55级石油套管用钢的生产方法可以获得具有优异力学性能的石油套管用钢，用其生产的石油套管成本低、内在质量好、尺寸精度高、综合性能优良。

Description

一种低成本J55级石油套管用钢及其生产方法和应用

技术领域

本发明属于钢铁冶金技术领域，具体涉及一种低成本J55级石油套管用钢及其生产方法和应用，尤其是在生产小口径套管中的应用。

背景技术

石油套管是用于支撑油、气井井壁的钢管，以保证钻井过程进行和完井后整个油井的正常运行，是维持油井运行的生命线。

石油套管按生产工艺分为无缝石油套管和电阻焊管石油套管，热轧卷板电阻焊管工艺相较无缝管具有生产效率高、质量控制好、尺寸精度高、生产成本低的特点，使得电阻焊管在成本上比同类无缝套管大幅降低。国内每年对套管的需求量为百万吨，其中J55钢级石油套管需求量占到50％以上。目前石油套管用热轧钢带在制管前原料需纵剪为两条或三条，若生产更小口径的石油套管需要采用窄钢带，或者将原料纵剪为更多条，制管时生产效率较低，小口径套管主要采用无缝管。在能源结构变革的大潮中，石油供需格局发生根本性改变，石油低成本勘探开发将成为常态，在企业降本增效的前提下，需要开发低成本高效率小口径石油套管生产工艺。在满足J55级套管使用要求前提下，套管生产企业需要采购低成本原料，结合较低成本的生产工艺实现降本增效，低成本高效率生产小口径石油套管。

专利文献CN102373368A公开了一种石油套管用钢及其制造方法，其化学成分：C：0.14-0.20％，Si：0.10-0.25％，Mn：0.75-1.20％，P：≤0.018％，S：≤0.005％，Nb：0.010-0.030％，Ti：0.008-0.025％，Ca：0.0015-0.0045％，Alt：0.015-0.045％。采用该文献所述的成分和TMCP工艺制成钢卷，钢卷经HFW焊接成型，用中频加热对焊缝进行正火热处理，制造出性能稳定的HFWJ55套管。但是该文献成分采用Nb-Ti合金化，合金成本较高；焊接质量很大程度取决于钢带质量，对钢带夹杂物级别和组织偏析要求很严格，该文献并未提供；并且该文献钢管的焊缝进行正火热处理，未提供管径。

专利文献CN104632064A公开了一种高频焊J55套管用钢、套管及其制造方法，其化学成分为C：0.13-0.18％，Si：0.15-0.25％，Mn：0.60-1.00％，P：≤0.015％，S：≤0.005％，Nb：0.008-0.020％，Ca：0.0010-0.0045％，Alt：0.010-0.040％，N：≤0.008％。钢带经HFW电阻焊接成型得到钢管，对钢管的焊缝进行正火热处理，得到套管管体和焊缝性能满足要求。但该文献元素C元素含量较低，钢管螺纹车削加工性能和抗粘扣性能较差；并且文献中未提供钢带夹杂物级别和带状组织偏析，钢带制管后为进行正火热处理。

发明内容

针对现有技术中存在的问题的一个或多个，本发明一个方面提供一种低成本J55级石油套管用钢，所述低成本J55级石油套管用钢的化学成分按质量百分比计为C：0.22-0.27％、Si：0.15-0.25％、Mn：1.20-1.35％、P：≤0.015％、S：≤0.005％、Nb：0.010-0.025％、Al：0.020-0.050％、N：≤50ppm，余量为Fe和不可避免的杂质。

上述低成本J55级石油套管用钢的力学性能满足：屈服强度≥515MPa，抗拉强度≥645MPa，屈强比≤0.81，延伸率≥32.0％，夹杂物等级总和≤1.5，晶粒度≥12.0，金相组织为铁素体+珠光体组织。

本发明另一方面提供了上述的低成本J55级石油套管用钢的生产方法，其包括以下工序：铁水预处理-转炉顶底复吹冶炼-LF炉外精炼-板坯连铸-堆垛缓冷-板坯加热-高压水除鳞-粗轧轧制-飞剪-高压水除鳞-精轧轧制-冷却-卷取-标识-入库；其中：

所述铁水预处理工序采用KR法脱硫铁水，保证入转炉铁水元素S≤0.003％；

所述转炉顶底复吹冶炼工序出钢温度≥1620℃；

所述LF炉外精炼工序采用大渣量进行造渣脱硫，保证S≤0.003％，精炼过程加入铌铁；钢水进行钙处理，Ca含量为0.0010～0.0030％，氩气软吹时间大于10min；

所述板坯连铸工序中全程保护浇注，过热度控制在15-25℃，拉速为0.90-1.10m/min，并采用动态轻压下技术，以减少连铸坯中心偏析，铸坯中心偏析不大于C 3.0级，中心疏松不大于2.0级；

所述板坯加热工序采用步进式加热炉，加热温度1150～1190℃，加热时间≥120min，确保钢坯温度均匀；

所述粗轧轧制采用R1二辊水平可逆轧机和R2四辊水平可逆轧机进行3+5道次轧制，中间坯厚度为46mm；

所述精轧轧制采用七机架四辊精轧机组轧制，精轧开轧温度980～1020℃，终轧温度为810～850℃；

所述冷却工序中，钢带进入加密型层流冷却区域，冷却方式为前段分散冷却；

所述卷取的温度为570～610℃，最终得到所述低成本J55级石油套管用钢。

本发明又一方面提供一种小口径石油套管的生产方法，其在上述低成本J55级石油套管用钢的生产方法的基础上还包括以下工序：开卷-制管；

其中所述开卷为将所述低成本J55级石油套管用钢开平纵剪，纵剪后原料分为三条，获得纵剪钢带；

将所述纵剪钢带采用高频电阻焊焊接(HFW)生产大口径母管，其中的焊接功率为215±10KW，焊成的大口径母管直径为φ193mm，并且在焊接过程中不填充金属；

大口径母管全管体经中频感应快速加热，加热温度为930～950℃，中频加热后经热张力减径及在线控冷，张减后获得成品管，该成品管管径为φ139mm；随后控冷，冷前温度为740～770℃，冷后温度为620～650℃，随后空冷至室温。

本发明再一方面还提供一种小口径石油套管，其由上述小口径石油套管的生产方法生产获得，所述小口径石油套管的力学性能满足：管拉：屈服强度R_p0.2≥475MPa，抗拉强度≥610MPa，屈强比≤0.79，延伸率≥32.0％；焊拉：抗拉强度≥620MPa；晶粒度≥10.0，金相组织为铁素体+珠光体组织。

基于以上技术方案提供的低成本J55级石油套管用钢的生产方法通过提高C含量减少合金加入量降低成本，相较目前卷板电阻焊制管工艺，合金成本更低，同时高C含量有效解决了钢管螺纹车削加工性和抗粘扣性能差问题。并且通过纯净化冶炼与均质化制坯技术，控制夹杂物级别和铸坯中心偏析，结合精准的加热、轧制、冷却工艺，增加中间坯厚度，有效改善高C含量导致中心偏析严重问题，保证良好的低温冲击韧性。由此获得的低成本J55级石油套管用钢具有优异的力学性能，能够用于生产小口径石油套管。提供的小口径石油套管的生产方法采用SEW工艺，即高频电阻焊焊接(HFW)+热张力减径+控冷工艺，其中钢带经高频电阻焊焊接(HFW)生产大口径母管，焊接速度快、生产效率高。大口径母管全管体经中频感应快速加热、热张力减径及在线控冷技术高效生产小口径成品管，消除了焊缝和母材的微观组织差异，实现成品管全管体(母材及焊缝)组织性能均一，获得优良的整体均匀性能，实现小口径套管低成本高效生产。

本发明生产的小口径石油套管用钢(即低成本J55级石油套管用钢)为低成本高附加值产品，有效解决了高C含量韧性低、焊缝质量差难题，实现小口径套管低成本、高效率生产。套管具有成本低、内在质量好、尺寸精度高、综合性能优良等特点，满足J55无缝管要求，相较J55小口径无缝管，吨钢成本降低1000多元，为石油套管行业低成本高效益生产创造了更大的空间。

附图说明

图1为实施例1获得的低成本J55级石油套管用钢的金相组织照片；

图2为实施例1中大口径母管管体的金相组织照片；

图3为实施例1中大口径母管焊缝的金相组织照片；

图4为实施例1中成品管管体的金相组织照片；

图5为实施例1中成品管焊缝的金相组织照片。

具体实施方式

本发明旨在提供一种低成本J55级石油套管用钢的生产方法和利用生产获得的低成本J55级石油套管用钢生产小口径石油套管的方法，并提供了该方法生产获得的小口径石油套管。

其中低成本J55级石油套管用钢的生产方法包括以下工艺：

冶炼：铁水预处理-转炉顶底复吹冶炼-LF炉外精炼-板坯连铸-堆垛缓冷；

轧制：板坯加热-高压水除鳞-E1R1粗轧轧制-E2R2粗轧轧制-飞剪-高压水除鳞-F1～F7精轧轧制；

冷却：加密型层流冷却-卷取-标识-入库；

1、冶炼

冶炼过程采用KR法脱硫铁水和优质废钢，保证入转炉铁水元素S≤0.003％；转炉冶炼时，采用自产低硫废钢，出钢温度≥1620℃。LF精炼采用大渣量进行造渣脱硫，保证S≤0.003％，精炼过程加入铌铁。钢水进行钙处理，Ca含量为0.0010～0.0030％，氩气软吹时间大于10min，使夹杂物充分变性和上浮。板坯连铸时全程保护浇注，过热度控制在15-25℃，拉速为0.90-1.10m/min，并采用动态轻压下等技术，以减少连铸坯中心偏析，铸坯中心偏析不大于C 3.0级，中心疏松不大于2.0级。

2、加热和轧制

板坯加热采用步进式加热炉，加热温度1150～1190℃，加热时间≥120min，确保钢坯温度均匀。制造工艺为热轧两阶段控制进行，全部为纵轧，第一阶段为奥氏体再结晶区轧制，即粗轧阶段，粗轧轧制采用R1二辊水平可逆轧机和R2四辊水平可逆轧机进行3+5道次轧制，中间坯厚度为46mm；第二阶段为奥氏体未再结晶区轧制，即精轧阶段，精轧轧制采用七机架四辊精轧机组轧制。精轧开轧温度980～1020℃，终轧温度为810～850℃。

3、冷却

控制轧制结束后，钢带进入加密型层流冷却区域，冷却方式为前段分散冷却，卷取温度为570～610℃，最终得到细小均匀的铁素体+珠光体组织，晶粒组织分布均匀，无混晶和偏析出现，晶粒度为12.0级，各级别粗细系夹杂物总和小于3.0级。

其中小口径石油套管的生产方法在上述低成本J55级石油套管用钢的生产方法的基础上还包括以下工艺：

开卷：上料-拆卷-纵剪-卷取-标识-入库；

制管：上料-对焊-活套-铣边-成型-焊接-去内外毛刺-焊缝超声波探伤-喷码-定尺(大口径母管)-中频加热-热张减-定尺(小口径成品管)-控冷-冷床冷却-矫直-两端平头-水压试验-探伤-管加工-喷漆-喷标-入库；

4、开卷

将低成本J55级石油套管用钢开平纵剪，纵剪后原料分为三条，获得纵剪钢带。

5、制管

将纵剪钢带采用高频电阻焊焊接(HFW)生产大口径母管，通过高频电流的集肤效应和临近效应把钢带边缘加热溶化、并施以挤压锻合，在焊接过程中不填充金属，焊接速度快、生产效率高。其中焊接功率为215±10KW，焊成母管直径为φ193mm。

大口径母管全管体经中频感应快速加热，加热温度为930～950℃，中频加热后经热张力减径及在线控冷，张减后成品管管径为φ139mm，冷前温度为740～770℃，冷后温度为620～650℃。成品管管体和焊缝组织均铁素体+珠光体，晶粒度大于10.0级，消除了焊缝和母材的微观组织差异，实现成品管全管体(母材及焊缝)组织性能均一，获得优良的整体均匀性能，实现小口径套管低成本高效生产。

成品管性能均符合要求，管型良好，管加工、上卸扣试验符合要求，静水压试验、探伤检测质量良好，拉脱试验和水压爆破试验合格，产品完全满足J55级无缝管使用要求。

以下通过实施例详细描述本发明的内容，这些实施例仅仅是对本发明最佳实施方式的描述，并不对本发明的内容有任何限制。

实施例1

低成本J55级石油套管用钢的化学成分重量百分比见表1。板坯加热温度为1170℃，加热时间130min。粗轧采用R1和R2进行3+5道次轧制，中间坯厚度为46mm；精轧开轧温度为990℃，终轧温度为830℃，轧制结束后，钢带进入层流冷却装置，冷却方式为前段分散冷却，卷取温度为590℃，即可得到所述低成本J55级石油套管用钢，其金相组织照片如图1所示，为铁素体+珠光体组织，晶粒组织分布均匀，无混晶和偏析出现。

低成本J55级石油套管用钢开平纵剪后进行HFW制管，获得大口径母管，其管体的金相组织照片如图2所示，其焊缝的金相组织照片如图3所示，均为铁素体+珠光体组织，晶粒组织分布均匀。大口径母管管径为φ193mm，母管经中频加热后热张减径制成成品管，其中成品管的管体金相组织照片如图4所示，成品管的焊缝的金相组织如图5所示，均为铁素体+珠光体组织，晶粒组织分布均匀。热张减后成品管管径为φ139mm。其中中频加热温度为930℃，热张减后钢管冷前温度为750℃，冷后温度为630℃，空冷至室温即可得到所述小口径石油套管(即成品管)。

实施例2

低成本J55级石油套管用钢的化学成分重量百分比见表1。板坯加热温度为1185℃，加热时间125min。粗轧采用R1和R2进行3+5道次轧制，中间坯厚度为46mm；精轧开轧温度为985℃，终轧温度为815℃，轧制结束后，钢带进入层流冷却装置，冷却方式为前段分散冷却，卷取温度为575℃，即可得到所述低成本J55级石油套管用钢。

低成本J55级石油套管用钢开平纵剪后进行HFW制管，大口径母管管径为φ193mm，母管经中频加热后热张减径制成成品管，热张减后成品管管径为φ139mm。其中中频加热温度为940℃，热张减后钢管冷前温度为755℃，冷后温度为645℃，空冷至室温即可得到所述小口径石油套管。

实施例3

低成本J55级石油套管用钢的化学成分重量百分比见表1。板坯加热温度为1190℃，加热时间140min。粗轧采用R1和R2进行3+5道次轧制，中间坯厚度为46mm；精轧开轧温度为995℃，终轧温度为845℃，轧制结束后，钢带进入层流冷却装置，冷却方式为前段分散冷却，卷取温度为605℃，即可得到所述低成本J55级石油套管用钢。

低成本J55级石油套管用钢开平纵剪后进行HFW制管，大口径母管管径为φ193mm，母管经中频加热后热张减径制成成品管，热张减后成品管管径为φ139mm。其中中频加热温度为945℃，热张减后钢管冷前温度为765℃，冷后温度为625℃，空冷至室温即可得到所述小口径石油套管。

表1：实施例1～3化学成分(wt％)

实施例	C	Si	Mn	P	S	Nb	Alt	N
									1	0.22	0.17	1.22	0.010	0.001	0.012	0.030	0.0038
2	0.24	0.18	1.28	0.011	0.002	0.018	0.035	0.0035
									3	0.26	0.22	1.32	0.008	0.001	0.022	0.036	0.0040

对本发明实施例1～3的低成本J55级石油套管用钢进行力学性能检验，检验结果见表2。

表2：实施例1～3的低成本J55级石油套管用钢的力学性能

对本发明实施例1～3的低成本J55级石油套管用钢进行夹杂物和晶粒度检验，检验结果见表3。

表3：实施例1～3的低成本J55级石油套管用钢的晶粒度和夹杂物级别

对本发明实施例1～3的成品管进行性能检验，检验结果见表4。

表4：本发明实施例1～3成品管的力学性能

成品管管体和焊缝组织均铁素体+珠光体，晶粒组织分布均匀，晶粒度大于10.0级。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，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。

Claims (5)

1.一种低成本J55级石油套管用钢，其特征在于，所述低成本J55级石油套管用钢的化学成分按质量百分比计为C：0.22-0.27％、Si：0.15-0.25％、Mn：1.20-1.35％、P：≤0.015％、S：≤0.005％、Nb：0.010-0.025％、Al：0.020-0.050％、N：≤50ppm，余量为Fe和不可避免的杂质。

2.根据权利要求1所述的低成本J55级石油套管用钢，其特征在于，所述低成本J55级石油套管用钢的力学性能满足：屈服强度≥515MPa，抗拉强度≥645MPa，屈强比≤0.81，延伸率≥32.0％，夹杂物等级总和≤1.5，晶粒度≥12.0，金相组织为铁素体+珠光体组织。

3.权利要求1或2所述的低成本J55级石油套管用钢的生产方法，其包括以下工序：铁水预处理-转炉顶底复吹冶炼-LF炉外精炼-板坯连铸-堆垛缓冷-板坯加热-高压水除鳞-粗轧轧制-飞剪-高压水除鳞-精轧轧制-冷却-卷取-标识-入库；其中：

所述铁水预处理工序采用KR法脱硫铁水，保证入转炉铁水元素S≤0.003％；

所述转炉顶底复吹冶炼工序出钢温度≥1620℃；

所述LF炉外精炼工序采用大渣量进行造渣脱硫，保证S≤0.003％，精炼过程加入铌铁；钢水进行钙处理，Ca含量为0.0010～0.0030％，氩气软吹时间大于10min；

所述板坯连铸工序中全程保护浇注，过热度控制在15-25℃，拉速为0.90-1.10m/min，并采用动态轻压下技术，以减少连铸坯中心偏析，铸坯中心偏析不大于C 3.0级，中心疏松不大于2.0级；

所述板坯加热工序采用步进式加热炉，加热温度1150～1190℃，加热时间≥120min，确保钢坯温度均匀；

所述粗轧轧制采用R1二辊水平可逆轧机和R2四辊水平可逆轧机进行3+5道次轧制，中间坯厚度为46mm；

所述精轧轧制采用七机架四辊精轧机组轧制，精轧开轧温度980～1020℃，终轧温度为810～850℃；

所述冷却工序中，钢带进入加密型层流冷却区域，冷却方式为前段分散冷却；

所述卷取的温度为570～610℃，最终得到所述低成本J55级石油套管用钢。

4.一种小口径石油套管的生产方法，其在权利要求3的基础上还包括以下工序：开卷-制管；

其中所述开卷为将所述低成本J55级石油套管用钢开平纵剪，纵剪后原料分为三条，获得纵剪钢带；

将所述纵剪钢带采用高频电阻焊焊接(HFW)生产大口径母管，其中的焊接功率为215±10KW，焊成的大口径母管直径为φ193mm，并且在焊接过程中不填充金属；

大口径母管全管体经中频感应快速加热，加热温度为930～950℃，中频加热后经热张力减径及在线控冷，张减后获得成品管，该成品管管径为φ139mm；其中在线控冷的冷前温度为740～770℃，冷后温度为620～650℃，随后空冷至室温。

5.权利要求4所述的方法生产获得的小口径石油套管，其特征在于，所述小口径石油套管的力学性能满足：管拉：屈服强度R_p0.2≥475MPa，抗拉强度≥610MPa，屈强比≤0.79，延伸率≥32.0％；焊拉：抗拉强度≥620MPa；晶粒度≥10.0，金相组织为铁素体+珠光体组织。

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