CN111607744B

CN111607744B - 一种厚壁高强高韧石油套管及其制造方法

Info

Publication number: CN111607744B
Application number: CN201910131939.4A
Authority: CN
Inventors: 董晓明; 张忠铧; 卢小庆
Original assignee: Baoshan Iron and Steel Co Ltd
Current assignee: Baoshan Iron and Steel Co Ltd
Priority date: 2019-02-22
Filing date: 2019-02-22
Publication date: 2021-11-16
Anticipated expiration: 2039-02-22
Also published as: CN111607744A

Abstract

本发明公开了一种厚壁高强高韧石油套管，其化学元素质量百分配比为：C：0.22‑0.30％、Si：0.1‑0.4％、Mn：0.5‑1.2％、Cr：0.8‑1.3％、Mo：0.6‑1.2％、Nb：0.02‑0.06％、V：0.2‑0.3％、Ti：0.02‑0.06％、B：0.0015～0.005％、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上述的厚壁高强高韧石油套管的制造方法，其包括步骤：(1)冶炼和连铸；(2)穿孔和连轧；(3)采用两次热处理工艺：其中第一次热处理采用两相区淬火工艺，以使两相区弥散分布形成的奥氏体在淬火后形成马氏体，其余组织仍保持为贝氏体；第二次热处理采用完全奥氏体化后水淬+回火的工艺。本发明所述的厚壁高强高韧石油套管，成本低廉，其同时具有高强度和高韧性，能够满足油田对高性能油井管的需求。

Description

一种厚壁高强高韧石油套管及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种石油套管及其制造方法，尤其涉及一种高强高韧石油套管及其制造方法。

背景技术

近年来石油勘探开发领域开发越来越多的井况有深井、超深井，为了保证高温高压开采开发的安全性，对管柱材料的强度提出了很高的要求。

随着钢材强度的提升，韧性一般是下降的，韧性不足极易引发早期裂纹及断裂，因此，高强度套管钢必须匹配更高的韧性，才能保证管柱安全。但是厚壁管(壁厚20mm以上)对材料的淬透性要求较高，需要在淬火后得到较多的马氏体组织以保证强韧性，因此厚壁管对合金成分的要求较薄壁管更高。

根据英国能源部指导标准，压力容器钢管的冲击韧性应该达到其屈服强度数值的10％，155钢级套管材料要求的韧性达到107J以上，而目前能够进行工业应用的套管强度能够达到155ksi以上，但是冲击韧性只有50-80J，具有高韧性和高强度的钢开发难度极大。

专利号为CN101586450A，公开日为2009年11月25日，名称为“具有高强度和高韧性石油套管及其制造方法”的中国专利文献公开了一种具有高强度和高韧性石油套管，其制造方法采用不同的热处理工艺获得1100MPa左右的高强度钢，但是其横向冲击韧性只有90J。

专利号为CN101250671A，公开日为2008年8月27日，名称为“具有高强度和高韧性的石油套管及其制造方法”的中国专利文献公开了一种具有高强度和高韧性的石油套管，其横向冲击韧性只有80J。

鉴于此，期望获得一种厚壁(壁厚20mm以上)石油套管，其同时具有高强度和高韧性，以满足油田对高性能油井管的需求。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种厚壁高强高韧石油套管，其同时具有高强度和高韧性，以满足油田对高性能油井管的需求。

为了实现上述目的，本发明提出了一种厚壁高强高韧石油套管，其化学元素质量百分配比为：

C：0.22-0.30％、Si：0.1-0.4％、Mn：0.5-1.2％、Cr：0.8-1.3％、Mo：0.6-1.2％、Nb：0.02-0.06％、V：0.2-0.3％、Ti：0.02-0.06％、B：0.0015～0.005％、Al：0.01-0.05％、Ca：0.0005-0.005％，余量为Fe和不可避免的杂质。

在本发明所述的厚壁高强高韧石油套管中，各化学元素的设计原理如下：

C：C为析出物形成元素，可以提高钢的强度，当C含量低于0.22％时，会使淬透性降低，从而降低韧性，厚壁管强度难以达到140ksi以上。当C含量高于0.3％时，会与Cr、Mo形成大量粗化的析出物，并显著加重钢的偏析，造成韧性显著降低，难以达到高强度高韧性的要求。因此，本发明将厚壁高强高韧石油套管中的C元素的质量百分比限定在0.22-0.30％。

Si：Si固溶于铁素体以提高钢的屈服强度，其含量不宜过高，太高会使加工和韧性恶化，其含量也不宜太低，低于0.1％会使钢容易氧化。因此，本发明将厚壁高强高韧石油套管中的Si元素的质量百分比限定在0.1-0.4％。

Mn：Mn为奥氏体形成元素，可以提高钢的淬透性，在本发明所述的厚壁高强高韧石油套管中，Mn含量小于0.5％时，会显著降低钢的淬透性，降低马氏体比例从而降低韧性，而当Mn含量大于1.2％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，本发明将厚壁高强高韧石油套管中的Mn元素的质量百分比限定在0.5-1.2％。

Cr：Cr是强烈提高淬透性元素和强析出物形成元素，Cr在回火时析出析出物从而提高钢的强度，但其含量高于1.3％时容易在晶界析出粗大M₂₃C₆析出物，降低韧性，其含量低于0.8时，淬透性不足，无法保证本发明所述的厚壁高强高韧石油套管的淬火效果。因此，本发明将厚壁高强高韧石油套管中的Cr元素的质量百分比限定在0.8-1.3％。

Mo：Mo主要是通过析出物及固溶强化形式来提高钢的强度及回火稳定性，在本发明所述的厚壁高强高韧石油套管中，由于碳含量较低，Mo含量高于1.2％时，难以对强度提高有显著影响，造成合金浪费，Mo含量低于0.6％时厚壁管强度无法达到140ksi以上高强度的要求。因此，本发明将厚壁高强高韧石油套管中的Mo元素的质量百分比限定在0.6-1.2％。

Nb：Nb是细晶和析出强化元素，可弥补因碳含量降低而引起的强度的下降，Nb含量小于0.02％时作用不明显，高于0.06％时容易形成粗大的Nb(CN)，从而降低韧性。因此，本发明将厚壁高强高韧石油套管中的Nb元素的质量百分比限定在0.02-0.06％。

V:V是典型的析出强化元素，可弥补因碳含量降低而引起的强度的下降，其含量小于0.2％时强化效果难以使厚壁管达到140ksi，高于0.3％时容易形成粗大的V(CN)，从而降低韧性。因此，本发明将厚壁高强高韧石油套管中的V元素的质量百分比限定在0.2-0.3％。

Ti：Ti是强碳氮化物形成元素，显著细化奥氏体晶粒，可弥补因碳含量降低而引起的强度的下降，Ti含量高于0.06％时，易形成粗大的TiN，降低材料韧性。因此，本发明将厚壁高强高韧石油套管中的Ti元素的质量百分比限定在0.02-0.06％。

B：B是显著提高钢的淬透性的元素。在C含量低的钢种中，B元素可以解决因C含量降低而带来的淬透性差的问题。然而，当B含量低于0.0015％时，B提高钢的淬透性的作用并不显著，当B含量高于0.005％，则易于形成BN脆性相，从而降低钢的韧性。因此，本发明将厚壁高强高韧石油套管中的B元素的质量百分比限定在0.0015～0.005％。

Al：Al是良好的脱氧固氮元素，可细化晶粒，因此，本发明将厚壁高强高韧石油套管中的Al元素的质量百分比限定在0.01～0.05％。

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，本发明将厚壁高强高韧石油套管中的Ca元素的质量百分比限定在0.0005-0.005％。

进一步地，在本发明所述的厚壁高强高韧石油套管中，各化学元素还满足：104V+31.5Mo+10.7Mn-16.9Cr≥40。

在本发明所述的技术方案中，为保证本发明所述的厚壁高强高韧石油套管经过两相区加热后淬火能够充分形成均匀细小的两相组织，各化学元素还满足：104V+31.5Mo+10.7Mn-16.9Cr≥40。

需要说明的是，上述公式104V+31.5Mo+10.7Mn-16.9Cr，式中的V、Mo、Mn、Cr分别表示其各自的质量百分比，并且代入上述公式的数值为百分号前的数值，例如V的质量百分比为0.2％、Mo的质量百分比为1％、Mn的质量百分比为0.8％、Cr的质量百分比为1％，则代入上述公式104V+31.5Mo+10.7Mn-16.9Cr＝104×0.2+31.5×1+10.7×0.8-16.9×1＝43.96。

更进一步地，在本发明所述的厚壁高强高韧石油套管中，各化学元素还满足：1≤(V+Nb+Ti)/C≤1.5。

在本发明所述的技术方案中，为保证C充分与V、Nb、Ti形成细小的析出物，保证V、Nb、Ti的析出强化效果并抑制C与Cr、Mo形成粗大的析出物，各化学元素还满足：1≤(V+Nb+Ti)/C≤1.5。

需要说明的是，上述公式(V+Nb+Ti)/C，式中的V、Nb、Ti、C分别表示其各自的质量百分比，并且代入上述公式的数值为百分号前的数值，例如V的质量百分比为0.2％、Nb的质量百分比为0.02％、Ti的质量百分比为0.02％、C的质量百分比为0.22％，则代入上述公式(V+Nb+Ti)/C＝(0.2+0.02+0.02)/0.22＝1.09。

进一步地，在本发明所述的厚壁高强高韧石油套管中，在不可避免的杂质中，P、S和N元素的质量百分含量满足下述各项的至少其中之一：P≤0.015％、S≤0.003％、N≤0.008％。

在本发明所述的技术方案中，P、S、N均是钢中的有害杂质元素，含量过高会降低钢的韧性，因此应尽量降低钢中的P、S、N含量。在不可避免的杂质中，P、S和N元素的质量百分含量满足下述各项的至少其中之一：P≤0.015％、S≤0.003％、N≤0.008％。

进一步地，本发明所述的厚壁高强高韧石油套管，其壁厚在20mm以上。

进一步地，本发明所述的厚壁高强高韧石油套管，其壁厚为20-35mm。

进一步地，在本发明所述的厚壁高强高韧石油套管中，其微观组织为回火索氏体。

进一步地，本发明所述的厚壁高强高韧石油套管，其晶粒度在9.5级以上；屈服强度≥965MPa，抗拉强度≥1034MPa；延伸率20％-30％；0度横向夏比冲击功≥110J。

相应地，本发明的另一目的在于提供一种上述厚壁高强高韧石油套管的制造方法，采用该方法制造获得的厚壁高强高韧石油套管同时具有高强度和高韧性，以满足油田对高性能油井管的需求。

为了实现上述目的，本发明提出了一种厚壁高强高韧石油套管的制造方法，包括步骤：

(1)冶炼和连铸；

(2)穿孔和连轧；

(3)采用两次热处理工艺：其中第一次热处理采用两相区淬火工艺，以使两相区弥散分布形成的奥氏体在淬火后形成马氏体，其余组织仍保持为贝氏体；第二次热处理采用完全奥氏体化后水淬+回火的工艺。

在本发明所述的制造方法中，在步骤(1)中，在一些实施方式中，钢水经电炉冶炼，通过炉外精炼、真空脱气和氩气搅拌后，经过Ca处理进行夹杂物变性，降低O、H含量。然后浇铸成圆坯，浇铸过程中控制钢水过热度低于30℃。

进一步地，在本发明所述的制造方法中，在第一次热处理时：将钢管加热到奥氏体化温度Ac1+40℃至Ac3-40℃，保温30-60min后水淬；其中，Ac1＝723－10.7Mn+29.1Si+16.9Cr，Ac3＝910－203C/2+44.7Si+104V+31.5Mo，式中的C、Mn、Si、Cr、V、Mo分别表示其各自的质量百分比。

需要说明的是，上述公式Ac1＝723－10.7Mn+29.1Si+16.9Cr，Ac3＝910－203C/2+44.7Si+104V+31.5Mo，式中的C、Mn、Si、Cr、V、Mo分别表示其各自的质量百分比，并且带入上述公式时的数值为百分号前的数值，例如C的质量百分比为0.22％、Mn的质量百分比为0.8％、Si的质量百分比为0.2％、Cr的质量百分比为1％、V的质量百分比为0.2％、Mo的质量百分比为1％，则代入公式Ac1＝723－10.7Mn+29.1Si+16.9Cr＝723-10.7×0.8+29.1×0.2+16.9×1＝745.72，Ac3＝910－203C/2+44.7Si+104V+31.5Mo＝910－203×0.22/2+44.7×0.2+104×0.2+31.5×1＝948.91。

进一步地，在本发明所述的制造方法中，在第二次热处理时：奥氏体化温度为900-950℃，保温30-60min后水淬；然后在600-650℃高温回火，保温时间50-80min；然后500℃以上热定径。

进一步地，在本发明所述的制造方法中，在步骤(2)中，将连铸坯冷却后在1200-1240℃的环形加热炉内加热，然后穿孔和连轧，其中穿孔温度为1180-1240℃，终轧温度为900℃-950℃。

与现有技术相比，本发明所述的厚壁高强高韧石油套管及其制造方法具有如下有益效果：

(1)本发明所述的厚壁高强高韧石油套管，成本低廉，其同时具有高强度和高韧性，能够满足油田对高性能油井管的需求。

(2)本发明所述的厚壁高强高韧石油套管，其晶粒度在9.5级以上；屈服强度≥965MPa，抗拉强度≥1034MPa；延伸率20％-30％；0度横向夏比冲击功≥110J。

(3)本发明所述的厚壁高强高韧石油套管的制造方法，工艺简单，易于大生产实施。

(4)采用本发明所述的厚壁高强高韧石油套管的制造方法制造获得的厚壁高强高韧石油套管同时具有高强度和高韧性，能够满足油田对高性能油井管的需求。

附图说明

图1为实施例1的厚壁高强高韧石油套管的微观组织结构图。

图2为对比例4的厚壁高强高韧石油套管的微观组织结构图。

图3为对比例5的厚壁高强高韧石油套管的微观组织结构图。

具体实施方式

下面将结合具体的实施例对本发明所述的厚壁高强高韧石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1-5

表1-1和表1-2列出了实施例1-5和对比例1-5的厚壁高强高韧石油套管中各化学元素的质量百分比(wt％)。

表1-1.(wt％，余量为Fe及除了P、S和N以外其他不可避免的杂质元素)

表1-2.(wt％，余量为Fe及除了P、S和N以外其他不可避免的杂质元素)

注：表中公式104V+31.5Mo+10.7Mn-16.9Cr和公式(V+Nb+Ti)/C，式中的V、Mo、Mn、Cr、Nb、Ti、C分别表示其各自的质量百分比，并且代入上述公式的数值为百分号前的数值。此外，Ac1＝723－10.7Mn+29.1Si+16.9Cr，Ac3＝910－203C/2+44.7Si+104V+31.5Mo，式中的C、Mn、Si、Cr、V、Mo分别表示其各自的质量百分比，并且带入上述公式时的数值为百分号前的数值。

实施例1-5和对比例1-5的厚壁高强高韧石油套管的制造方法如下(具体工艺参数列于表2-1和表2-2中)：

(1)冶炼和连铸：根据表1-1和表1-2所列的各化学元素进行配比，钢水经电炉冶炼，通过炉外精炼、真空脱气和氩气搅拌后，经过Ca处理进行夹杂物变性，降低O、H含量。然后浇铸成圆坯，浇铸过程中控制钢水过热度低于30℃。

(2)穿孔和连轧：将连铸坯冷却后在1200-1240℃的环形加热炉内加热，然后穿孔和连轧，其中穿孔温度为1180-1240℃，终轧温度为900℃-950℃。

(3)采用两次热处理工艺：其中第一次热处理采用两相区淬火工艺，以使两相区弥散分布形成的奥氏体在淬火后形成马氏体，其余组织仍保持为贝氏体，将钢管加热到奥氏体化温度Ac1+40℃至Ac3-40℃，保温30-60min后水淬；其中，Ac1＝723－10.7Mn+29.1Si+16.9Cr，Ac3＝910－203C/2+44.7Si+104V+31.5Mo，式中的C、Mn、Si、Cr、V、Mo分别表示其各自的质量百分比。第二次热处理采用完全奥氏体化后水淬+回火的工艺，奥氏体化温度为900-950℃，保温30-60min后水淬，然后在600-650℃高温回火，保温时间50-80min，然后500℃以上热定径。

表2-1.实施例1-5和对比例1-5的厚壁高强高韧石油套管的制造方法的具体工艺参数

表2-2.实施例1-5和对比例1-5的厚壁高强高韧石油套管的制造方法的具体工艺参数

对实施例1-5和对比例1-5的厚壁高强高韧石油套管进行性能测试，测试结果列于表3。

表3.

由表3可以看出，实施例1-5的厚壁高强高韧石油套管的屈服强度≥965MPa，抗拉强度≥1034MPa；延伸率20％-30％；0度横向夏比冲击功≥110J。

对比例1的厚壁高强高韧石油套管中C和V含量低，淬透性低，热处理之后套管强度不足，冲击功也不高。

对比例2的厚壁高强高韧石油套管中C含量较高，(V+Nb+Ti)/C不在本案的权利要求范围内，形成大量的粗大析出物，冲击功显著降低。

对比例3的厚壁高强高韧石油套管中(V+Nb+Ti)/C不在本案的权利要求范围内，热处理后形成较多的Cr、Mo的析出物，冲击功也有明显降低，其数值低于屈服强度的10％。

对比例4的厚壁高强高韧石油套管中的各化学元素质量百分比不满足104V+31.5Mo+10.7Mn-16.9Cr≥40，两相区范围较小，不能获得较好的晶粒细化效果(如图2所示)，冲击功偏低。

对比例5的厚壁高强高韧石油套管未采用两相区淬火热处理，晶粒粗大(如图3所示)，冲击功偏低。

由图1可以看出，实施例1的厚壁高强高韧石油套管晶粒细小，达到10.5级。

由图2可以看出，对比例4的厚壁高强高韧石油套管，不满足104[V％]+31.5[Mo％]+10.7[Mn％]-16.9[Cr％]≥40要求，两相区范围较小，不能获得较好的晶粒细化效果，晶粒度8.5级，导致冲击功偏低。

由图3可以看出，对比例5的厚壁高强高韧石油套管，未采用两相区淬火热处理，晶粒粗大，晶粒度8级，导致冲击功偏低。

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

1.一种厚壁高强高韧石油套管，其特征在于，其化学元素质量百分配比为：

C：0.24-0.30％、Si：0.1-0.4％、Mn：0.5-1.2％、Cr：0.8-1.3％、Mo：0.6-0.8％、Nb：0.02-0.06％、V：0.2-0.3％、Ti：0.05-0.06％、B：0.0015～0.005％、Al：0.01-0.05％、Ca：0.0005-0.005％，余量为Fe和不可避免的杂质；

其中各化学元素还满足：104V+31.5Mo+10.7Mn-16.9Cr≥40；1≤(V+Nb+Ti)/C≤1.5；

所述厚壁高强高韧石油套管的壁厚在20mm以上；

其中，所述厚壁高强高韧石油套管在热处理步骤中采用两次热处理工艺：其中第一次热处理采用两相区淬火工艺，以使两相区弥散分布形成的奥氏体在淬火后形成马氏体，其余组织仍保持为贝氏体；第二次热处理采用完全奥氏体化后水淬+回火的工艺；其中在第一次热处理时：将钢管加热到奥氏体化温度Ac1+40℃至Ac3-40℃，保温30-60min后水淬；其中，Ac1＝723－10.7Mn+29.1Si+16.9Cr，Ac3＝910－203C/2+44.7Si+104V+31.5Mo，式中的C、Mn、Si、Cr、V、Mo分别表示其各自的质量百分比；在第二次热处理时：奥氏体化温度为900-950℃，保温30-60min后水淬；然后在600-650℃高温回火，保温时间50-80min；然后500℃以上热定径。

2.如权利要求1所述的厚壁高强高韧石油套管，其特征在于，在不可避免的杂质中，P、S和N元素的质量百分含量满足下述各项的至少其中之一：P≤0.015％、S≤0.003％、N≤0.008％。

3.如权利要求1所述的厚壁高强高韧石油套管，其特征在于，其壁厚为20-35mm。

4.如权利要求1所述的厚壁高强高韧石油套管，其特征在于，其微观组织为回火索氏体。

5.如权利要求1-4中任意一项所述的厚壁高强高韧石油套管，其特征在于，其晶粒度在9.5级以上；屈服强度≥965MPa，抗拉强度≥1034MPa；延伸率20％-30％；0度横向夏比冲击功≥110J。

6.如权利要求1-5中任意一项所述的厚壁高强高韧石油套管的制造方法，其特征在于，包括步骤：

(1)冶炼和连铸；

(2)穿孔和连轧；

(3)采用所述两次热处理工艺。

7.如权利要求6所述的制造方法，其特征在于，在步骤(2)中，将连铸坯冷却后在1200-1240℃的环形加热炉内加热，然后穿孔和连轧，其中穿孔温度为1180-1240℃，终轧温度为900℃-950℃。