CN112143965A

CN112143965A - 一种非调质油套管及其制造方法

Info

Publication number: CN112143965A
Application number: CN201910576030.XA
Authority: CN
Inventors: 孙文; 刘耀恒; 张忠铧; 齐亚猛; 董晓明
Original assignee: Baoshan Iron and Steel Co Ltd
Current assignee: Baoshan Iron and Steel Co Ltd; Yantai Lubao Steel Pipe Co Ltd
Priority date: 2019-06-28
Filing date: 2019-06-28
Publication date: 2020-12-29
Anticipated expiration: 2039-06-28
Also published as: CN112143965B

Abstract

本发明公开了一种非调质油套管，其化学元素质量百分配比为：C：0.25～0.4％，Si：0.8～1.8％，Mn：1～1.8％，Al：0.01～0.08％，V：0.05～0.2％，Ti：0.01～0.05％，N：0.035～0.05％，余量为铁和其他不可避免的杂质。此外，本发明还公开了上述的非调质油套管的制造方法，其包括步骤：(1)冶炼和铸造；(2)将圆坯置于1200‑1280℃的炉内均热；(3)穿孔：控制穿孔温度为1100‑1230℃；(4)连轧：控制终轧温度为800‑1000℃；(5)轧后自然冷却。所述的非调质油套管具有强韧性，其在具有高强度的同时具有较好的韧性。

Description

一种非调质油套管及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种钢管及其制造方法，尤其涉及一种油套管及其制造方法。

背景技术

油套管目前大部分以调质处理交货，而非调质油套管也需要通过正火或回火处理来提高韧性，从而满足API标准要求，但由于需要通过正火或回火热处理来改善油套管的强韧性，这会导致成本加高。而一部分厂家为了实现轧态交货，会在轧制过程中进行在线常化处理及轧后冷却的特殊控制，这一方面会导致工序繁琐且工艺要求较高，另一方面大大减缓了生产节奏，且存在不稳定风险。

非调质油套管的微观组织一般为铁素体+珠光体组织，少数也有贝氏体组织，但若要获得贝氏体组织，需要在合金中大量加入增加过冷奥氏体稳定性的元素，这势必导致制造成本增加。

公开号为CN102534375A，公开日为2012年7月4日，名称为“一种N80级含Nb贝氏体油套管用钢及其管材制造方法”的中国专利文献公开了一种N80级含Nb贝氏体油套管用钢。在该专利文献所公开的技术方案中，对于制造步骤，尤其是轧后冷却有着特殊的控制。并且对于珠光体+铁素体组织类钢种而言，80钢级为强度极限水平，强度与韧性是一对此消彼长的矛盾体，在强度极限的同时改善冲击韧性的组织要求为进一步细化晶粒组织，只能通过成分设计和轧制工艺控制。例如可以通过微合金V-N复合及Nb添加来细化铁素体珠光体组织，轧制工艺方面通过线常化工艺及轧后冷速的控制来达到组织细化目的，甚至要求轧后进行正火或回火处理。

公开号为CN1502425，公开日为2004年6月9日，名称为“一种高性能无缝钢管的制造方法”的中国专利文献公开了一种高性能无缝钢管的制造方法。在该专利文献所公开的技术方案中，其高能无缝钢管的微观组织为珠光体+铁素体组织，钢管所采用的成分为C-Mn复合添加微合金元素，且对于制造工艺也有一定的要求。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种非调质油套管，该非调质油套管利用碳锰微合金体系，通过Si-Mn合理搭配，实现组织均匀细化以保证所获得的非调质油套管的强韧性，使得该非调质油套管在具有高强度的同时具有较好的韧性。

为了实现上述目的，本发明提出了一种非调质油套管，其化学元素质量百分配比为：

C：0.25～0.4％，Si：0.8～1.8％，Mn：1～1.8％，Al：0.01～0.08％，V：0.05～0.2％，Ti：0.01～0.05％，N：0.035～0.05％，余量为铁和其他不可避免的杂质。

在本发明所述的非调质油套管中，本案发明人采用碳锰微合金成分体系，通过Si-Mn合理搭配，实现组织均匀细化以保证强韧性。其中，Mn元素的添加可能导致管体偏析带出析出局部贝氏体组织而恶化韧性，因此，本案发明人为了抑制由Mn元素导致的管体偏析带析出局部羽毛状上贝氏体引起的冲击韧性恶化效果，降低Mn元素的同时，通过添加高比例的Si(例如质量百分比为0.8～1.8％)，利用其固溶强化导致的晶格畸变效应，阻碍偏析处贝氏体形成改善韧性。此外，Si元素的添加可以明显增加铁素体比例以及细化了铁素体晶粒。但需要指出的是，Si的强化作用明显弱于Mn，为了保证最终获得的非调质油套管的强度，将Mn的质量百分比控制在1～1.8％。

此外，本案的合金成分体系还有V-Ti-N复合添加的特点，配合不同温度区间的析出以实现晶粒细化，改善韧性。其中，为防止添加Ti使V的析出强化效果减弱，在本发明所述的非调质油套管中，控制N的质量百分比在0.035～0.05％之间。由于Ti的碳氮化物析出温度在1250-1300℃，其可在管坯加热及轧制过程中钉扎晶界，阻碍晶粒的长大，从而起到细化晶粒的效果，同时在制管后冷却过程中形成的Ti的碳氮化物，可作为形核点促进晶间内铁素体的析出，抑制贝氏体的析出，改善韧性。另外，V的碳氮化物此时温度较低，可促进晶内铁素体析出，同时起到较好的析出强化效果。

此外，本发明所述的非调质油套管中的各化学元素的设计原理如下所述：

C：在本发明所述的非调质油套管中，C元素是保证强度的重要元素，当C的质量百分比低于0.25％时，非调质油套管的强度不能满足要求，然而，当C的质量百分比高于0.4％时，则会导致非调质油套管的塑韧性降低，不能满足实际使用的要求，并且C的质量百分比过高还会导致局部贝氏体的析出，增加轧后的弯管风险。基于此，在本发明所述的非调质油套管中控制C的质量百分比在0.25～0.4％。

Si：在本发明所述的非调质油套管中，Si元素是铁素体形成元素，也是脱氧元素。因此，添加Si可以在提高钢水纯净度的同时，促进组织中铁素体的析出比例，细化铁素体晶粒，同时Si可以抑制局部贝氏体形成，改善塑韧性。但是当Si的质量百分比低于0.8％时，会导致铁素体含量低，韧性较差，而当Si的质量百分比高于1.8％时，Si含量的增加对强度及韧性均无任何积极作用，反而增加了合金成本。基于此，在本发明所述的非调质油套管中控制Si的质量百分比在0.8～1.8％。

Mn：在本发明所述的技术方案中，Mn是珠光体+铁素体类组织钢种的重要元素，其存在会明显改善钢种的韧性和强度。但当Mn的质量百分比低于1％时，所获得的非调质油套管的强度较低，而当Mn的质量百分比高于1.8％时，组织中会析出部分贝氏体组织，强烈降低韧性，增加轧后的弯管风险。基于此，在本发明所述的非调质油套管中控制Mn的质量百分比在1～1.8％。

Al：在本发明所述的技术方案中，Al为较好的脱氧元素，但加入太多容易造成氧化铝夹杂，因此，需要提高酸溶铝占全铝的比重。在一些实施方式中，可以采用真空脱气后再适量喂Al丝，以控制Al的质量百分比在0.01～0.08％。

V：在本发明所述的非调质油套管中，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0.2％以上时，其增强效果并不明显，并且考虑到V是比较昂贵的合金元素，因此，对于本发明的技术方案来说，控制V的质量百分比控制其范围在0.05％～0.2％。

Ti：在本发明所述的非调质油套管中，Ti是强脱氧剂，它可使组织致密，另可在高温下与N、C结合形成碳氮析出相，起到析出强化及细化晶粒作用，然而，Ti的质量百分比过低，则析出强化及细化晶粒作用不明显，但Ti的质量百分比过高会形成大块碳化物，对所获得的非调质油套管的韧性不利。基于上述考虑，在本发明所述的非调质油套管中控制Ti的质量百分比在0.01～0.05％。

N：在本发明所述的技术方案中，N元素可与Ti或V合金元素结合形成碳氮化物，增加V的析出相析出比例，提高析出强化作用，提高Ti的碳氮化物的析出温度，并且还可以起到细化晶粒作用。因此，在本发明所述的非调质油套管中，控制N的质量百分比在0.035-0.05％。

进一步地，在本发明所述的非调质油套管中，其中Si、Mn和Ti元素还满足：0.25≤Si/2-Mn/3+10Ti≤0.8。

进一步地，在本发明所述的非调质油套管中，其他不可避免的杂质至少包括S和P，其含量满足：S≤0.01％，并且/或者P≤0.01％。

需要说明的是，在本发明所述的技术方案中，不可避免的杂质包括P和S，P和S是钢中的有害杂质元素，P的质量百分比过高会偏聚晶界，脆化晶界，严重恶化韧性。而S的质量百分比过高会导致钢中夹杂物含量增多，对低温韧性不利，因此应尽量降低钢中的P、S含量。

此外，在一些实施方式中，为了保证总体强化效果，V和Ti的质量百分比还可以满足以下关系式：V+10Ti≥0.3，需要说明的是式中V、Ti分别对应表示相应元素的质量百分比。

进一步地，在本发明所述的非调质油套管中，其微观组织为铁素体+珠光体，不具有局部贝氏体组织。

进一步地，在本发明所述的非调质油套管中，铁素体的相比例为30～70％。

进一步地，在本发明所述的非调质油套管中，铁素体的相比例为40～50％。

进一步地，在本发明所述的非调质油套管中，其屈服强度≥600MPa，至少0℃的纵向冲击韧性≥50J。

相应地，本发明的另一目的还在于提供上述的非调质油套管的制造方法，通过该制造方法可以获得强度高、韧性佳的非调质油套管。

为了达到上述发明目的，本发明还提出了上述的非调质油套管的制造方法，其包括步骤：

(1)冶炼和铸造；

(2)将圆坯置于1200-1280℃的炉内均热；

(3)穿孔：控制穿孔温度为1100-1230℃；

(4)连轧：控制终轧温度为800-1000℃；

(5)轧后自然冷却。

在本发明所述的制造方法中，控制圆坯置于1200-1280℃的炉内加热，是因为：当加热的温度低于1200℃时，会导致所获得的非调质油套管的变形抗力大且塑性较差，但若加热的温度高于1280℃时，则管坯组织中局部会发生过烧现象，导致热变形缺陷的产生。

另外，在本发明所述的技术方案中，将穿孔温度控制在1100-1230℃，是因为：穿孔温度低于1100℃时，会导致所获得的非调质油套管的变形抗力大，咬入困难，而若穿孔温度高于1230℃时，则会导致热变形缺陷的产生。

此外，在上述方案中，控制终轧温度在800-1000℃，是因为：当终轧温度低于800℃，容易导致所获得的非调质油套管的外表缺陷产生，同时残余应力较大，致使韧性较差，而若终轧温度高于1000℃，则会导致晶粒粗大，铁素体析出比例降低，韧性较差。

综上所述可以看出，本发明所述的制造方法可以直接轧后自然冷却，工艺简单，无需其他轧后快冷、热处理等工序，使得采用本发明所述的制造方法所获得的非调质油套管的成本低且稳定性较好。也就是说，本案的制造方法可以无需在线常化或是轧后冷却控制的特殊控制工艺手段，并且也无需轧后热处理，即可获得制造成本低且具有良好的强韧性配合的非调质油套管。

进一步地，在本发明所述的制造方法中，在步骤(3)中，保温控制穿孔温度为1150-1230℃。

进一步地，在本发明所述的制造方法中，在步骤(5)中，采用冷床进行自然冷却。

本发明所述的非调质油套管及其制造方法相较于现有技术具有如下所述的优点以及有益效果：

本发明所述的非调质油套管利用碳锰微合金体系，通过Si-Mn合理搭配，实现组织均匀细化以保证所获得的非调质油套管的强韧性，使得该非调质油套管在具有高强度的同时具有较好的韧性。

此外，本发明所述的制造方法可以无需在线常化或是轧后冷却控制的特殊控制工艺手段，并且也无需轧后热处理，即可获得制造成本低且具有良好的强韧性配合的非调质油套管。

附图说明

图1为实施例1的非调质油套管的典型金相组织图。

图2为对比例1的现有套管的典型金相组织图。

图3为对比例2的现有套管的典型金相组织图。

图4为对比例3的现有套管的典型金相组织图。

具体实施方式

下面将结合具体的实施例对本发明所述的非调质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1-6和对比例1-3

上述实施例1-6的非调质油套管和对比例1-3的现有套管采用以下步骤制得：

(1)按照表1所示的各化学元素的质量百分比进行冶炼和铸造。

(2)将圆坯置于1200-1280℃的炉内均热；

(3)穿孔：控制穿孔温度为1100-1230℃。

(4)连轧：控制终轧温度为800-1000℃。

(5)轧后采用冷床自然冷却。

表1列出了实施例1-6的非调质油套管和对比例1-3的现有套管的化学元素的质量百分配比。

表1.(wt％，余量为Fe和除了P、S、N、O以外的其他杂质)

表2列出了实施例1-6的非调质油套管和对比例1-3的现有套管的制造方法的具体工艺参数。

表2.

	环形炉温度(℃)	穿孔温度(℃)	终轧温度(℃)	冷却方式
					实施例1	1280	1260	880	空冷
实施例2	1220	1160	940	空冷
					实施例3	1230	1210	980	空冷
实施例4	1250	1190	950	空冷
					实施例5	1240	1180	920	空冷
实施例6	1220	1160	900	空冷
					对比例1	1280	1260	940	空冷
对比例2	1260	1240	980	空冷
					对比例3	1265	1250	910	空冷

对实施例1-6的非调质油套管和对比例1-3的现有套管进行性能评价。测试结果如表3所示。

表3.

由表3可以看出，本案各实施例的屈服强度≥600MPa，0℃纵向冲击韧性≥50J。且需要指出的是，本案各实施例的微观组织为均匀铁素体+珠光体组织，不具有局部贝氏体组织，铁素体相比例为30～70％。

而反观对比例1-3可以看出，在对比例1中，由于Si含量较低，偏析明显，且偏析处有明显贝氏体析出，导致其韧性较差；而对比例2中由于Ti的含量不满足要求，导致对比例2的晶粒局部粗大且是混晶组织，韧性较差；而对比例3中，由于Si含量较低且Ti含量不满足要求，晶粒粗大，且铁素体含量较低，冲击韧性差。

图1为实施例1的非调质油套管的典型金相组织图。

如图1所示，在实施例1的非调质油套管中，其微观组织为铁素体+珠光体，不具有局部贝氏体组织。并且在实施例1的非调质油套管中，铁素体的相比例为40～50％。

图2为对比例1的现有套管的典型金相组织图。

如图2所示，在对比例1的现有套管中，可以明显看到微观组织偏析明显，且偏析处有明显贝氏体析出，因此，导致对比例1的现有套管的韧性较差。

图3为对比例2的现有套管的典型金相组织图。

如图3所示，对比例2的现有套管的晶粒局部粗大且是混晶组织，因此，导致对比例2的现有套管的韧性较差。

图4为对比例3的现有套管的典型金相组织图。

如图4所示，对比例3的现有套管由于晶粒粗大，且铁素体含量较低，因此，导致对比例3的现有套管的冲击韧性差。

综上所述可以看出，本发明所述的非调质油套管利用碳锰微合金体系，通过Si-Mn合理搭配，实现组织均匀细化以保证所获得的非调质油套管的强韧性，使得该非调质油套管在具有高强度的同时具有较好的韧性。

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，以上列举的仅为本发明的具体实施例，显然本发明不限于以上实施例，随之有着许多的类似变化。本领域的技术人员如果从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种非调质油套管，其特征在于，其化学元素质量百分配比为：

2.如权利要求1所述的非调质油套管，其特征在于，其中Si和Mn元素还满足：0.25≤Si/2-Mn/3+10Ti≤0.8。

3.如权利要求1所述的非调质油套管，其特征在于，所述其他不可避免的杂质至少包括S和P，其含量满足：S≤0.01％，并且/或者P≤0.01％。

4.如权利要求1所述的非调质油套管，其特征在于，其微观组织为铁素体+珠光体，不具有局部贝氏体组织。

5.如权利要求4所述的非调质油套管，其特征在于，所述铁素体的相比例为30～70％。

6.如权利要求5所述的非调质油套管，其特征在于，所述铁素体的相比例为40～50％。

7.如权利要求1所述的非调质油套管，其特征在于，其屈服强度≥600MPa，至少0℃的纵向冲击韧性≥50J。

8.如权利要求1-7中任意一项所述的非调质油套管的制造方法，其特征在于，包括步骤：

(1)冶炼和铸造；

(2)将圆坯置于1200-1280℃的炉内均热；

(3)穿孔：控制穿孔温度为1100-1230℃；

(4)连轧：控制终轧温度为800-1000℃；

(5)轧后自然冷却。

9.如权利要求8所述的制造方法，其特征在于，在所述步骤(3)中，保温控制穿孔温度为1150-1230℃。

10.如权利要求8所述的制造方法，其特征在于，在所述步骤(5)中，采用冷床进行自然冷却。