CN111996447A - 一种大厚壁高韧性电阻焊套管用钢及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种大厚壁高韧性电阻焊套管用钢及其制造方法，C：0.18％‑0.25％，Si：0.10％‑0.35％，Mn：1.0％‑1.35％，P：≤0.015％，S：≤0.003％，Ti：0.01％‑0.03％，Al：0.03％‑0.06％，Nb：0.01％‑0.03％，Cr：0.30％‑0.50％，Ni：0.10％‑0.20％，Cu：≤0.20％，N：≤0.005％，其余为Fe和不可避免元素。厚度大于13mm且‑10℃冲击功250J。

Description

一种大厚壁高韧性电阻焊套管用钢及其制造方法
技术领域
本发明属于钢铁材料技术领域，尤其涉及一种大壁厚(＞13mm)高韧性(-10℃冲击功250J以上)直缝电阻焊石油套管用钢及其制造方法。
背景技术
石油套管是油田最常用的石油专用管材之一，每年的需求量约为80～100万吨，占石油工业用钢的总量的40％以上，是油气田钻采作业中必不可少的施工材料。HFW套管与无缝管相比，具有壁厚均匀、尺寸精度高、射孔性能好、抗挤毁能力强、成本低等显著优势。ERW套管替代传统的无缝钢管是未来发展趋势。
未来越来越多的恶劣采油环境、地质条件复杂、埋藏深层油气的开采等都需要高韧性油井管的开发。高韧性材料有高的抵抗裂纹扩展的能力，在材料断裂前允许有更长的裂纹存在，因此提高材料的韧性不但可以防止油井管的脆断，更重要的是延长油井管的使用寿命。
大壁厚高韧性HFW焊管产品报道较少，只有英国能源部发布指导性技术文件规定压力钢管的冲击功要求为抗拉强度的1/10，如J55抗拉强度517MPa，对应0℃冲击功为51.6J。对于本发明厚度大于13mm且-10℃冲击功250J以上油套管用钢，国内外无任何报道。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种直缝电阻焊石油套管(简称/HFW/ERW)用钢及其制造方法，特别是采用Cr-Ni复合设计，壁厚＞13mm，-10℃冲击功250J以上ERW石油套管用钢及其制造方法。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案实现：
本发明的技术方案之一是一种大厚壁高韧性电阻焊套管用钢，其特征在于化学成分按重量百分比如下：C：0.18％-0.25％，Si：0.10％-0.35％，Mn：1.0％-1.35％，P：≤0.015％，S：≤0.003％，Ti：0.01％-0.03％，Al：0.03％-0.06％，Nb：0.01％-0.03％，Cr：0.30％-0.50％，Ni：0.10％-0.20％，Cu：≤0.20％，N：≤0.005％，其余为Fe和不可避免元素。
与现有技术相比，本方案C、Mn含量适中，有效保证厚规格强度，Cr、Ni复合添加提高低温断裂韧性。
C：碳属于固溶元素，主要起固溶强化作用，是保证强度最为有效的元素，可以提高淬透性，提高屈服和抗拉强度，因此，碳含量不宜过低；但是，碳含量的增加对材料低温断裂韧性和焊接性不利，所以，碳含量也不能过高，本发明碳控制在0.18％～0.25％较为适宜。
Si：硅可以起到固溶强化作用，可提高强度，但其含量过高会使钢的塑性和韧性降低，其最佳范围是0.10％-0.35％。
Mn：锰为奥氏体形成元素，可以提高钢的淬透性，锰具有固溶强化作用，还能增加奥氏体稳定性，对提高淬透性也有利，有效保证钢的强度。但锰含量过大，可增加连铸坯的中心偏析倾向，影响热轧钢材的组织均匀性，给焊缝质量带来负面影响，降低冲击韧性，其最佳范围是1.0％-1.35％。
P：磷是钢中有害元素，增加钢的冷脆性，使焊接性能变坏，降低塑性，使冷弯性能变坏，应控制其含量≤0.015％。
S：硫是钢中有害元素，使钢产生热脆性，降低钢的延展性和韧性，对焊接性能也不利，应控制其含量≤0.003％。
Al：铝是常用的脱氧剂，在钢中加入少量的铝，可细化晶粒，提高冲击韧性，合适的范围是0.03％-0.06％。
Ti：钛是强碳氮化物形成元素，显著细化奥氏体晶粒，可弥补因碳降低而引起的强度的下降。含量太高，易形成粗大的TiN，降低材料性能，合适的范围是0.01％-0.03％。
Nb：铌是微合金元素，可以推迟奥氏体再结晶而显著细化晶粒，降低韧脆转变温度，在焊接重结晶过程中阻碍奥氏体晶粒长大，有利于提高焊缝性能。但含量过高则造成合金成本高，其最佳范围是0.01％-0.03％。
Cr：铬可通过固溶强化和细晶强化来提高强度。Cr可以和Mn一样固溶到固溶体中，起到提高强度的作用。Cr元素溶入奥氏体后增大过冷奥氏体的稳定性，使C曲线右移，提高钢的淬透性。钢材具有高的强度、硬度。但Cr含量过高会显著提高钢的脆性转变温度，降低伸长率。合适的范围是0.30％-0.50％。
Ni：镍能增加淬透性，扩大奥氏体区，细化晶粒，提高钢的低温韧性和抗疲劳性。提高钢的耐腐蚀性能。含量过高易增加钢的脆性和过热敏感性。其最佳范围是0.10％-0.20％。
Cu：少量的铜能够提高钢的强韧性和耐腐蚀性。过高容易成本升高和产生表面缺陷。其最佳范围是0-0.20％。
N：固溶氮有钉扎位错的强烈作用，对韧性有不良影响，应控制其含量≤0.005％。
本发明的技术方案之二是提出一种大厚壁高韧性电阻焊套管用钢的制造方法，包括铁水预处理、钢水冶炼、炉外精炼和板坯连铸、连铸坯再加热、轧制、冷却、卷取，其特征在于：
1)冶炼连铸工艺：铁水预处理，转炉冶炼－经顶吹或顶底复合吹炼，炉外精炼－LF-RH炉轻脱硫处理、及进行钙处理以控制夹杂物形态和提高钢的延展性、韧性和冷弯性能，板坯连铸制成连铸板坯－连铸采用电磁搅拌或动态轻压下，以提高连铸板坯的质量。
2)轧制工艺：连铸板坯经加热炉加热至1160-1200℃，随后在热连轧机组进行两阶段轧制，第一阶段终轧温度大于980℃；第二阶段开轧温度920-960℃，终轧温度为830-880℃。
3)冷却工艺：轧后的钢带采用层流连续式冷却，冷却速度为15-20℃/s；该冷却速度下，对细化珠光体间距有利，可明显提高屈服强度和抗拉强度，同时提高韧性；如果冷却速度过大，会产生过硬的马氏体组织，后续无法制管使用；如果冷却速度过小，细化晶粒效果有限，强度和韧性无法保证。在590-650℃卷取，有利于Nb元素析出强化作用，提高屈服和抗拉强度；有利于Cr-Ni元素的复合强化作用，有效提高强度和韧性。
本发明同现有技术相比，有益效果如下：1)本方案C、Mn含量适中，钢板的焊接性和低温韧性好；2)-10℃冲击功250J以上，安全性好；3)Cr、Ni复合添加，提高韧性和改善抗耐腐蚀性能；4)壁厚大，对油井安全有利。
具体实施方式
下面结合具体实施例进行说明：
实施例1～6化学成分见表1，加热、轧制、冷却工艺参数见表2，力学性能检测结果见表3。
表1实施例化学成分wt％
Figure BDA0002614562910000041
表2实施例加热、轧制、冷却工艺参数
Figure BDA0002614562910000042
表3实施例力学性能
Figure BDA0002614562910000043
由表3可见，采用本发明的成分、冶炼、连铸、加热、轧制、冷却和卷取工艺，生产出大厚壁(＞13mm)大壁厚高韧性石油套管用卷板，力学性能满足API SPEC 5CT标准对J55级钢管的要求。

Claims (5)

1.一种大厚壁高韧性电阻焊套管用钢，其特征在于化学成分按重量百分比如下：C：0.18％-0.25％，Si：0.10％-0.35％，Mn：1.0％-1.35％，P：≤0.015％，S：≤0.003％，Ti：0.01％-0.03％，Al：0.03％-0.06％，Nb：0.01％-0.03％，Cr：0.30％-0.50％，Ni：0.10％-0.20％，Cu：≤0.20％，N：≤0.005％，其余为Fe和不可避免元素。
2.根据权利要求1所述的大厚壁高韧性电阻焊套管用钢，其特征在于：所述钢壁厚＞13mm，-10℃冲击功250J以上。
3.一种根据权利要求1或2所述大厚壁高韧性电阻焊套管用钢的制造方法，包括冶炼、连铸、轧制、冷却和卷取，其特征在于：所述轧制工艺为连铸板坯经加热炉加热至1160-1200℃，随后在热连轧机组进行两阶段轧制，第一阶段终轧温度大于980℃；第二阶段开轧温度920-960℃，终轧温度为830-880℃；所述冷却工艺为轧后的钢带采用层流连续式冷却，冷却速度为15-20℃/s；所述卷取工艺为在590-650℃卷取。
4.根据权利要求3所述大厚壁高韧性电阻焊套管用钢的制造方法，其特征在于：所述冶炼为转炉冶炼，经顶吹或顶底复合吹炼，炉外精炼－LF－RH炉轻脱硫处理、及进行钙处理。
5.根据权利要求3所述大厚壁高韧性电阻焊套管用钢的制造方法，其特征在于：所述连铸采用电磁搅拌或动态轻压下。
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