CN112522622B - 一种高钢级油井管及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高钢级油井管及其制备方法，属于油井管技术领域，解决了现有技术中油井管制造成本高，工艺复杂的问题。高钢级油井管以质量百分比计的化学成分为：C：0.03％～0.08％，Si：0.3％～0.5％，Mn：0.5％～1.5％，P：≤0.025％，S：≤0.005％，Nb：0.01％～0.07％，Al：≤0.06％，余量为Fe和无法避免的杂质。本发明的油井管的金相组织为粒状贝氏体+残余奥氏体，本发明的高钢级油井管具有良好的综合力学性能。
Description
技术领域
本发明属于油井管技术领域，特别涉及一种高钢级油井管及其制备方法。
背景技术
油井管是油气田开发时下入到油井套管内的管柱钢管，是在钻探完成后将原油和天然气从油气层运输到地表的管道，要承受几百甚至上千大气压和几千牛顿的拉伸载荷，一旦服役性能和质量出现问题，整口油井将报废。另外，随着地质苛刻的油田相继被开发，油套管的服役条件也变得更加复杂和严酷，未来我国要开钻一批深井和超深井，井深不断增加，井内温度、压力也会相应提高，为了保证油井能安全运行，油井管要兼具高强度和高韧性。
现有的油井管材料中多添加Mo、Cr或V等合金元素，其强韧性良好，然而Mo、Cr或V等合金元素的成本太高，且热处理工艺相对复杂，生产效率低，钢的成本较高。
发明内容
鉴于以上分析，本发明旨在提供一种高钢级油井管及其制备方法，用以解决现有技术中油井管制造成本高、热处理工艺时间长、工艺复杂等问题，在满足机械性能的基础上降低油井管的成本。
本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：
一方面，本发明公开了一种高钢级油井管，以质量百分比计的化学成分为：C：0.03％～0.08％，Si：0.3％～0.5％，Mn：0.5％～1.5％，P：≤0.025％，S：≤0.005％，Nb：0.01％～0.07％，Al：≤0.06％，余量为Fe和无法避免的杂质。
进一步的，Mn的含量为：0.52％～1.48％。
进一步的，Nb的含量为：0.02％～0.07％。
进一步的，所述油井管的金相组织为粒状贝氏体+残余奥氏体。
进一步的，所述油井管的屈服强度大于590MPa，抗拉强度大于860MPa，延伸率大于33％。
另一方面，本发明还公开了一种高钢级油井管的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、根据油井管成分采用冶炼、精炼、连铸成铸坯；对铸坯加热，加热温度为1180～1220℃；保温1～1.5h；
步骤2、保温后的铸坯出炉直接经过穿孔，除鳞，连轧，定径，空冷到室温得到热轧钢管；
步骤3、将热轧钢管感应加热到两相区之间的温度，保温，空冷至T2后盐浴淬火至室温，然后回火得到高钢级油井管。
进一步的，所述步骤2中，连轧工艺的终轧温度为820～860℃。
进一步的，所述步骤2中，热轧钢管的微观组织为粒状贝氏体。
进一步的，所述步骤3中，将热轧钢管感应加热到两相区之间的温度T1，T1为780～820℃。
进一步的，所述步骤3中，T2为400～450℃。
进一步的，所述回火工艺为：在500～550℃保温0.5～1h后空冷到室温，得到高钢级油井管。
与现有技术相比，本发明至少能实现以下技术效果之一：
1)本发明精确控制钢中C、Si、Mn、Nb元素的质量百分比，由于添加微量Si、Mn、Nb等元素，本发明的油井管不需要通过TMCP控轧控冷工艺(即严格控制热轧参数)控制组织，而是通过感应加热淬火+回火的方式控制组织，因此工艺窗口较宽，成材率高。本申请钢的组织为以粒状贝氏体为主，少量残余奥氏体为辅，保证本申请钢用作油井管时，能够满足优异的机械性能。由于本申请不需要加过多的Mo、Cr或V等合金元素，形成低成本管材解决方案。
2)本发明控制感应加热在两相区之间的温度保温一段时间保证得到一定量的奥氏体；然后空冷到特定温度盐浴淬火到室温，使没相变为铁素体的那部分奥氏体保留到室温，得到粒状贝氏体上弥散分布的MA组元，从而得到强韧性和屈强比的理想配合；只有在本发明的步骤和温度范围内进行热处理才能使油井管的强度和韧性匹配，全部达到要求范围。
3)采用本发明成分及方法制得的油井管具有良好的综合力学性能，其屈服强度大于590MPa，抗拉强度大于860MPa，延伸率大于33％。
本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的附图标记表示相同的部件。
图1为实施例1的热轧钢管的金相组织图；
图2为实施例1热处理后的高钢级油井管的金相组织图。
具体实施方式
以下结合具体实施例对一种高钢级油井管及其制备方法作进一步的详细描述，这些实施例只用于比较和解释的目的，本发明不限定于这些实施例中。
一种高钢级油井管，以重量百分比计的化学成分为：C：0.03％～0.08％，Si：0.3％～0.5％，Mn：0.5％～1.5％，P：≤0.025％，S：≤0.005％，Nb：0.01％～0.07％，Al：≤0.06％，余量为Fe和无法避免的杂质。
以下对本发明中所含组分的作用及用量选择作具体说明：
C：C在油管钢中主要以固溶的方式存在，以提高奥氏体的淬透性，得到贝氏体组织并保证热处理后得到一定量的MA岛硬相组织，但C含量不宜过多，否则会影响带状组织及焊接性能。因此本发明中C的含量控制在0.03％～0.08％。
Si：Si主要以固溶方式存在于钢中，抑制贝氏体转变期间渗碳体的形成，使碳进一步积聚于未转变的奥氏体中，形成富碳的MA组元，并且能够促进多边形铁素体生成。但是，Si加入量过多会降低钢的塑性和韧性，并且引起焊接性能恶化。本发明中Si的含量控制在0.3％～0.5％。
Mn：Mn既能以固溶状态存在，也可以进入渗碳体中取代一部分Fe原子，起到固溶强化作用，还能形成硫化物。Mn元素在奥氏体中聚集，可提高奥氏体稳定性。本发明中Mn的含量控制在0.5％～1.5％。
Al：Al是强铁素体形成元素，Al的加入会使奥氏体单相区缩小并右移。与Si对钢的影响类似，Al能抑制渗碳体的生成，并且炼钢时加入少量的Al来脱氧。然而，Al含量过高时，钢中Al的氧化产物增加，杂质含量增加，会降低钢的洁净度和表面性能。本发明中Al的含量控制在≤0.06％。
P：P在钢中也可以抑制渗碳体的析出，对铁素体有显著的固溶强化作用。但是，P含量过高，会影响钢的使用性能，如在低温下钢会产生冷脆效应。本发明中P的含量控制在≤0.025％。
S：S在钢中与Mn结合形成MnS，降低Mn的有效含量，同时降低钢的抗HIC能力，因此，S在钢中的含量控制得越低越好。本发明中P的含量控制在≤0.005％。
Nb：固溶的Nb能显著提高奥氏体再结晶温度，增加未再结晶区变形量，析出的碳氮化铌颗粒能增加铁素体形核点，并阻止先共析铁素体晶粒长大，使得到的铁素体晶粒细小。本发明中Nb的含量控制在0.01％～0.07％。
与现有技术相比，本发明通过精确控制钢中C、Si、Mn、Nb元素的质量百分比，并结合感应加热和盐浴淬火工艺使得本申请钢的组织为以粒状贝氏体为主，少量残余奥氏体为辅，保证本申请钢用作油井管时，能够满足优异的机械性能。由于本申请不需要添加Mo、Cr或V等合金元素，形成低成本管材解决方案。
一种高钢级油井管的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、根据油井管成分采用冶炼、精炼、连铸成铸坯；对铸坯加热，加热温度为1180～1220℃；保温1～1.5h。
步骤2、保温后的铸坯出炉直接经过穿孔，除鳞，连轧，定径，空冷到室温得到热轧钢管；其中，控制连轧工艺的终轧温度为820～860℃，保证热轧钢管的微观组织为粒状贝氏体。
步骤3、将热轧钢管感应加热到两相区之间的温度T1(例如，780～820℃)，保温10～30s，空冷至T2(400～450℃)后盐浴淬火至室温，然后回火得到高钢级油井管。
需要说明的是，上述步骤3中，控制感应加热的温度在两相区之间并保温一段时间保证得到一定量(例如4％～6％)的奥氏体；然后空冷到特定温度盐浴淬火到室温，使没相变为铁素体的那部分奥氏体保留到室温，得到粒状贝氏体上弥散分布的MA组元，从而得到强韧性和屈强比的理想配合。
需要说明的是，上述步骤3中，回火工艺为：在500～550℃保温0.5～1h后空冷到室温，得到高钢级油井管。
需要说明的是，上述步骤3中，感应加热温度过高，最终奥氏体含量过多导致强度下降；感应加热温度过低，奥氏体含量过少导致韧性不足；因此，为了保证奥氏体含量最佳，优选的，控制感应加热温度为790～810℃。
需要说明的是，上述步骤3中，感应加热保温时间过长，最终奥氏体含量过多导致强度下降；感应加热保温时间过短，奥氏体含量过少导致韧性不足；因此，控制感应加热保温时间为20～30s。
需要说明的是，上述步骤3中，控制盐浴淬火温度为400～420℃。
回火的目的是去应力，回火温度过高会进入高温回火脆性区，韧性下降；回火温度过低，会进入低温回火脆性区，韧性下降。因此，优选的，控制回火工艺为：在510～530℃保温0.5～1h后空冷到室温得到油井管。
具体的，回火后的油井管的微观组织为粒状贝氏体+残余奥氏体。
通过上述工艺，本发明制备得到微观组织为粒状贝氏体+残余奥氏体组织的油井管，提高油井管的机械性能。其屈服强度大于590MPa，抗拉强度大于860MPa，延伸率大于33％。采用本发明油井管成分及方法制备得到的油井管成本低，工艺简单，强韧性好，经济效益好。
本发明由于添加微量Si、Mn、Nb等元素，使得本发明的油井管不需要通过TMCP控轧控冷工艺(即严格控制热轧参数)控制组织，而是通过感应加热淬火+回火的方式控制组织，因此工艺窗口较宽，成材率高。
本发明通过控制感应加热在两相区之间的温度保温一段时间保证得到一定量的奥氏体；然后空冷到特定温度盐浴淬火到室温，使没相变为铁素体的那部分奥氏体保留到室温，得到粒状贝氏体上弥散分布的MA组元，从而得到强韧性和屈强比的理想配合；只有在本发明的步骤和温度范围内进行热处理才能使油井管的强度和韧性匹配，全部达到要求范围。
本发明实施例1-6的钢的化学成分见表1，实施例1-6的机械性能见表2。
实施例1：
本实施例提供了一种高钢级油井管，采用如下方法制备：
步骤1、根据油井管成分采用冶炼、精炼、连铸成铸坯；对铸坯加热，加热温度为1180℃；保温1h。
步骤2、保温后的铸坯出炉直接经过穿孔，除鳞，连轧，定径，空冷到室温得到热轧钢管；其中，控制连轧工艺的终轧温度为820℃，保证热轧钢管的微观组织为粒状贝氏体。
步骤3、将热轧钢管感应加热到780℃，保温30s，空冷至400℃后盐浴淬火至室温，然后在500℃保温1h后空冷到室温得到强韧性好的高钢级油井管。
实施例2：
本实施例提供了一种高钢级油井管，采用如下方法制备：
步骤1、根据油井管成分采用冶炼、精炼、连铸成铸坯；对铸坯加热，加热温度为1200℃；保温1.5h。
步骤2、保温后的铸坯出炉直接经过穿孔，除鳞，连轧，定径，空冷到室温得到热轧钢管；其中，控制连轧工艺的终轧温度为840℃，保证热轧钢管的微观组织为粒状贝氏体。
步骤3、将热轧钢管感应加热到780℃，保温20s，空冷至450℃后盐浴淬火至室温，然后在500℃保温1h后空冷到室温得到强韧性好的高钢级油井管。
实施例3
本实施例提供了一种高钢级油井管，采用如下方法制备：
步骤1、根据油井管成分采用冶炼、精炼、连铸成铸坯；对铸坯加热，加热温度为1220℃；保温1.5h。
步骤2、保温后的铸坯出炉直接经过穿孔，除鳞，连轧，定径，空冷到室温得到热轧钢管；其中，控制连轧工艺的终轧温度为860℃，保证热轧钢管的微观组织为粒状贝氏体。
步骤3、将热轧钢管感应加热到820℃，保温30s，空冷至450℃后盐浴淬火至室温，然后在550℃保温0.5h后空冷到室温得到强韧性好的高钢级油井管。
实施例4：
本实施例提供了一种高钢级油井管，采用如下方法制备：
步骤1、根据油井管成分采用冶炼、精炼、连铸成铸坯；对铸坯加热，加热温度为1220℃；保温1h。
步骤2、保温后的铸坯出炉直接经过穿孔，除鳞，连轧，定径，空冷到室温得到热轧钢管；其中，控制连轧工艺的终轧温度为850℃，保证热轧钢管的微观组织为粒状贝氏体。
步骤3、将热轧钢管感应加热到790℃，保温30s，空冷至430℃后盐浴淬火至室温，然后在550℃保温1h后空冷到室温得到强韧性好的高钢级油井管。
实施例5：
本实施例提供了一种高钢级油井管，采用如下方法制备：
步骤1、根据油井管成分采用冶炼、精炼、连铸成铸坯；对铸坯加热，加热温度为1200℃；保温1h。
步骤2、保温后的铸坯出炉直接经过穿孔，除鳞，连轧，定径，空冷到室温得到热轧钢管；其中，控制连轧工艺的终轧温度为860℃，保证热轧钢管的微观组织为粒状贝氏体。
步骤3、将热轧钢管感应加热到780℃，保温30s，空冷至450℃后盐浴淬火至室温，然后在500℃保温1h后空冷到室温得到强韧性好的高钢级油井管。
实施例6
本实施例提供了一种高钢级油井管，采用如下方法制备：
步骤1、根据油井管成分采用冶炼、精炼、连铸成铸坯；对铸坯加热，加热温度为1190℃；保温1h。
步骤2、保温后的铸坯出炉直接经过穿孔，除鳞，连轧，定径，空冷到室温得到热轧钢管；其中，控制连轧工艺的终轧温度为850℃，保证热轧钢管的微观组织为粒状贝氏体。
步骤3、将热轧钢管感应加热到820℃，保温30s，空冷至400℃后盐浴淬火至室温，然后在500℃保温0.5h后空冷到室温得到强韧性好的高钢级油井管。
表1为本发明钢的化学成分，实施例1-6的具体化学成分以质量百分比计为：C：0.03％～0.08％，Si：0.3％～0.5％，Mn：0.5％～1.5％，P：≤0.025％，S：≤0.005％，Nb：0.01％～0.07％，Al：≤0.06％，余量为Fe和无法避免的杂质。
表1钢的化学成分(wt％)
| 编号 | C | Si | Mn | P | S | Nb | Al |
| 实施例1 | 0.03 | 0.42 | 0.52 | 0.02 | 0.004 | 0.02 | 0.05 |
| 实施例2 | 0.05 | 0.5 | 1.03 | 0.015 | 0.003 | 0.05 | 0.05 |
| 实施例3 | 0.08 | 0.31 | 1.48 | 0.017 | 0.005 | 0.07 | 0.03 |
| 实施例4 | 0.05 | 0.44 | 0.81 | 0.019 | 0.005 | 0.05 | 0.05 |
| 实施例5 | 0.06 | 0.33 | 0.76 | 0.021 | 0.004 | 0.07 | 0.02 |
| 实施例6 | 0.08 | 0.49 | 0.54 | 0.011 | 0.005 | 0.03 | 0.03 |
表2为本发明钢的机械性能，实施例1-6的屈服强度为599～639MPa，抗拉强度Rm为862～897MPa，延伸率为35～41％，1/4尺寸0℃冲击功为16～19J。图1为实施例1热轧钢管的金相组织图，热轧钢管的金相组织为粒状贝氏体；图2为实施1热处理后的高钢级油井管的金相组织图，热处理后的高钢级油井管的金相组织为粒状贝氏体+残余奥氏体，可知采用本发明成分与方法，可制得微观组织为粒状贝氏体+残余奥氏体的机械性能较高的高钢级油井管。本发明钢的屈服强度、抗拉强度、延伸率均较优异，本发明钢具有良好的机械性能。
表2钢的机械性能(热处理后)
其中，0℃冲击功测试时，冲击试样的尺寸为2.5mm*10mm*55mm。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种高钢级油井管，其特征在于，以重量百分比计的化学成分为：C：0.03％～0.08％，Si：0.3％～0.49％，Mn：0.5％～1.5％，P：≤0.025％，S：≤0.005％，Nb：0.01％～0.07％，Al：≤0.06％，余量为Fe和无法避免的杂质；
所述高钢级油井管的制备方法包括以下步骤：
步骤1、根据油井管成分采用冶炼、精炼、连铸成铸坯；对铸坯加热，加热温度为1180～1220℃；保温1～1.5h；
步骤2、保温后的铸坯出炉直接经过穿孔，除鳞，连轧，定径，空冷到室温得到热轧钢管；
步骤3、将热轧钢管感应加热到两相区之间的温度，保温，空冷至400～450℃后盐浴淬火至室温，得到粒状贝氏体上弥散分布的MA组元，然后回火得到强度和韧性匹配的高钢级油井管；
所述油井管的金相组织为粒状贝氏体+残余奥氏体，微观组织中残余奥氏体体积含量为4-6％，屈服强度599～639MPa，抗拉强度大于860MPa，延伸率大于33％。
2.根据权利要求1所述的高钢级油井管，其特征在于，Mn的含量为：0.52％～1.48％。
3.根据权利要求1所述的高钢级油井管，其特征在于，Nb的含量为：0.02％～0.07％。
4.一种高钢级油井管的制备方法，其特征在于，用于制备权利要求1-3任一项所述的高钢级油井管，包括以下步骤：
步骤1、根据油井管成分采用冶炼、精炼、连铸成铸坯；对铸坯加热，加热温度为1180～1220℃；保温1～1.5h；
步骤2、保温后的铸坯出炉直接经过穿孔，除鳞，连轧，定径，空冷到室温得到热轧钢管；
步骤3、将热轧钢管感应加热到两相区之间的温度，保温，空冷至400～450℃后盐浴淬火至室温，然后回火得到高钢级油井管。
5.根据权利要求4所述的高钢级油井管的制备方法，其特征在于，所述步骤2中，连轧工艺的终轧温度为820～860℃。
6.根据权利要求4所述的高钢级油井管的制备方法，其特征在于，所述步骤2中，热轧钢管的微观组织为粒状贝氏体。
7.根据权利要求4所述的高钢级油井管的制备方法，其特征在于，所述步骤3中，将热轧钢管感应加热到780～820℃，保温10～30s。
8.根据权利要求7所述的高钢级油井管的制备方法，其特征在于，所述步骤3中，保温时长为20～30s。
9.根据权利要求4所述的高钢级油井管的制备方法，其特征在于，所述步骤3中，所述回火工艺为：在500～550℃保温0.5～1h后空冷到室温，得到高钢级油井管。
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