CN112853215A - 一种含稀土Ce高强高韧高抗挤毁石油套管制备方法 - Google Patents

一种含稀土Ce高强高韧高抗挤毁石油套管制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种含稀土Ce高强高韧抗挤毁石油套管制备方法，通过研究C‑Mn‑Cr‑Mo钢系的特性，结合稀土Ce在钢中的净化作用、夹杂物变性变性作用以及微合金化作用，设计了高强高韧抗挤毁石油套管钢种的化学成分，通过圆管坯冶炼连铸、无缝荒管穿孔轧制、轧管调质工艺生产出屈服强度高达700Mpa以上、0℃时的横向冲击值≥120J/cm2、挤溃值高于标准挤毁性能指标要求的30％以上的高强高韧抗挤毁石油套管。

Description

一种含稀土Ce高强高韧高抗挤毁石油套管制备方法
技术领域
本发明涉及黑色金属冶炼及金属压力加工领域，尤其涉及一种含稀土Ce高强高韧高抗挤毁石油套管制备方法。
背景技术
抗挤毁套管主要应用于深井、超深井以及工况复杂的油气田。近年来，随着易开采油田消耗殆尽，油气勘探和开采逐渐向岩层纵深方向发展，因此套管需要承受越来越苛刻的外压力，井深增加，底层温度逐渐增加，地层对油套管的压力也逐渐提高，套管被挤毁现象频频发生，严重时造成整个油气井井眼破坏，导致全井报废，带来巨大的经济损失。
经过检索，发现有三篇文献专利与本发明技术最为相关，具体内容分述如下：
文献1为高抗挤石油套管及其生产方法(专利申请号：200510038472.7)，该文献专利用来制造一种高抗挤毁套管，制备钢种选用碳锰钢，而本发明专利采用低合金CrMo钢+稀土微合金的成分设计，文献专利中材料制备过程不涉及圆坯及无缝钢管的制备，仅仅提供了成分设计以及热处理工艺，而本发明则属于全流程套管制备。
文献2为一种页岩气井用高强度高韧性焊接套管及其制造方法(专利申请号：201811171695.4)，该文献专利主要用来制造高强高韧性套管，与本专利的区别在于制造工艺不同，该文献制造的套管尺寸精度控制较好，但焊缝容易造成套管失效。
文献3为一种页岩气井用高强度高韧性套管及其制(专利申请号：201811085067.4)，该文献专利的钢种设计基于C-Mn-Cr-Mo-Ni-V-Nb钢系，钢管的生产难度相对较大、生产成本也相对较高。
发明内容
本发明的目的是提供一种残余应力低、尺寸精度高、强韧性能匹配好的含稀土Ce高强高韧抗挤毁石油套管制备方法。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
本发明一种含稀土Ce高强高韧高抗挤毁石油套管制备方法，将重量百分比 80％的高炉铁水与20％的优质废钢作为原料，以下述工艺流程进行生产：将高炉铁水与优质废钢一同加入顶底复吹转炉进行冶炼，冶炼好的钢水装入钢水包进入LF炉工位进行精炼，精炼完成后进入VD炉工位进行真空脱气处理，化学成分及温度达到要求的钢种采用5流弧形铸机进行圆管坯连铸；将连铸圆管坯坯切割成指定长度，热送至环形加热炉对连铸管坯进行加热，采用菌式穿孔机对加热好的管坯进行穿孔制成毛管，采用PQF三辊连轧机组对毛管进行连续轧制使其成为荒管，荒管先后经过张力减径、冷床冷却和定尺锯切形成定尺轧管，采用步进式加热炉对轧管进行水淬调质处理，采用三辊矫直机进行带温矫直，最后对钢管进行无损探伤、水压试验和通径检测，合格者在两端进行螺纹加工，制造出套管成品。
2.根据权利要求1所述的含稀土Ce高强高韧高抗挤毁石油套管制备方法，其特征在于，具体为：
①在顶底复吹转炉加入20％的优质废钢，兑入80％的铁水，采用单渣工艺冶炼，控制终渣碱度不大于3.0，出钢过程中进行CrMo合金化，终脱氧采用有铝脱氧工艺，出钢过程必须挡渣或扒渣；
②将钢水送入LF炉进行精练：精炼全过程按要求正常吹氩气，根据转炉来料铁水化学成分及温度进行造渣脱硫、合金元素成分调整及升温操作；
③将钢水送入VD炉进行真空处理，抽真空之前采用压入法加入铈铁合金；真空度≤0.10kPa，深真空时间≥15分钟；
④经过VD炉真空处理之后的钢水静置5分钟，送入钢包回转台进行圆坯连铸，采用结晶器+末端电磁搅拌以及全程保护浇注工艺，控制钢水过热度ΔT ≤25℃，铸坯经过矫直进行火焰切割；
⑤对管坯进行化学成分化验，管坯的化学成分按重量百分比为：C 0.23～ 0.26；Si 0.20～0.30；Mn 0.60～0.70；P≤0.015；S≤0.010；Cr 0.90～1.00； Mo 0.40～0.50；Al0.010～0.030；稀土元素Ce 0.0005～0.0020；Ni＜0.10； Cu＜0.10；余量为基体Fe和无法检测的微量杂质元素；
⑥将成分化验合格及硫印不大于2.0级的连铸圆管坯进行热装运送，将管坯放入环形加热炉进行加热，各段温度的控制范围见下表；
预热一段 预热二段 加热一段 加热二段 均热一段 均热二段
1060～1100 1160～1220 1200～1250 1230～1300 1250～1300 1260～1290
⑦将加热好的管坯进行热定心，菌式穿孔后在相应的PQF轧管机组进行连续轧制，经过张力减径、带温矫直、冷床冷却和定尺锯切，轧制时每批至少进行一次热取样，检查几何尺寸及内外表面质量；
⑧几何尺寸及表面质量检查均合格的轧管进行水淬调质处理，控制冷却水的流量、时间和温度，以保证钢管的淬火质量；控制回火加热炉的炉温和在炉时间，以保证钢管的回火稳定性；热处理制度为：890℃±10℃保温30min～ 50min、钢管出炉进行水淬，660℃±20℃保温60min～80min、钢管出炉进行空冷；
⑨回火之后执行带温低压下矫直，钢管矫直温度≥500℃；
⑩对矫直后冷却到常温的钢管逐支进行无损探伤、水压试验和通径检测，合格者在两端进行螺纹加工，制造出套管成品。
进一步的，调质后带温矫直，矫直温度不低于500℃。。
进一步的，铈铁合金的Ce元素的重量百分比为10％。
与现有技术相比，本发明的有益技术效果：
本发明提供的一种含稀土Ce高强高韧抗挤毁石油套管制备方法，通过研究 C-Mn-Cr-Mo钢系的特性，结合稀土Ce在钢中的净化作用、夹杂物变性变性作用以及微合金化作用，设计了高强高韧抗挤毁石油套管钢种的化学成分，通过圆管坯冶炼连铸、无缝荒管穿孔轧制、轧管调质工艺生产出屈服强度高达700Mpa 以上、0℃时的横向冲击值≥120J/cm2、且挤溃值高于标准挤毁性能指标要求的 30％以上的高强高韧抗挤毁石油套管。
具体实施方式
一种含稀土Ce高强高韧高抗挤毁石油套管制备方法，将重量百分比80％的高炉铁水与20％的优质废钢作为原料，以下述工艺流程进行生产：
将高炉铁水与优质废钢一同加入顶底复吹转炉进行冶炼，冶炼好的钢水装入钢水包进入LF炉工位进行精炼，精炼完成后进入VD炉工位进行真空脱气处理，化学成分及温度达到要求的钢种采用5流弧形铸机进行圆管坯连铸。将连铸圆管坯坯切割成指定长度，热送至环形加热炉对连铸管坯进行加热，采用菌式穿孔机对加热好的管坯进行穿孔形成毛管，采用PQF三辊连轧机组对毛管进行连续轧制使其成为荒管，荒管先后经过张力减径、冷床冷却和定尺锯切形成定尺轧管，采用步进式加热炉对轧管进行水淬调质处理，采用三辊矫直机进行带温矫直，最后对钢管进行无损探伤、水压试验和通径检测，合格者在两端进行螺纹加工，这样制造出套管成品。
工艺流程简述为：铁水预处理→顶底复吹转炉冶炼→LF炉精炼→VD炉真空处理→圆坯连铸→定尺切割→管坯加热→菌式穿孔→连续轧管→张力减径→冷床冷却→定尺锯切→钢管几何尺寸及表面质量检查→调质处理→带温矫直→无损探伤→水压试验→通径检测→螺纹加工。
结合实施例1～实施例3对本发明专利作进一步详细说明，实施例1～实施例3在原料配比、生产工艺、水淬调质处理工艺和产品规格等工艺指标均完全相同，所不同的只是其管坯的化学成分，具体生产工艺流程如下所述：
①在顶底复吹转炉加入20％的优质废钢，兑入80％的铁水，采用单渣工艺冶炼，控制终渣碱度不大于3.0，出钢过程中进行CrMo合金化，终脱氧采用有铝脱氧工艺，出钢过程必须挡渣或扒渣；
②将钢水送入LF炉进行精练：精炼全过程按要求正常吹氩气，根据转炉来料铁水化学成分及温度进行造渣脱硫、成分调整及升温操作；
③将钢水送入VD炉进行真空处理，抽真空之前采用压入法加入铈铁合金 (Ce元素的重量百分比为10％)；真空度≤0.10kPa，深真空时间≥15分钟；
④经过VD炉真空处理之后的钢水静置5分钟，送入钢包回转台进行圆坯连铸，采用结晶器+末端电磁搅拌以及全程保护浇注工艺，控制钢水过热度ΔT ≤25℃；铸坯经过矫直进行火焰切割；
⑤对管坯进行化学成分化验，管坯的化学成分应符合下述要求(重量百分比％)：C0.23～0.26；Si 0.20～0.30；Mn 0.60～0.70；P≤0.015；S≤0.010； Cr 0.90～1.00；Mo0.40～0.50；Al 0.010～0.030；稀土元素Ce 0.0005～0.0020； Ni＜0.10；Cu＜0.10；余量为基体Fe和无法检测的微量杂质元素；
⑥将成分化验合格及硫印不大于2.0级的连铸圆管坯进行热装运送，将管坯放入环形加热炉进行加热，各段温度的控制范围见表1；
表1环形加热炉各段温度控制(℃)
预热一段 预热二段 加热一段 加热二段 均热一段 均热二段
1060～1100 1160～1220 1200～1250 1230～1300 1250～1300 1260～1290
⑦将加热好的管坯进行热定心，菌式穿孔后在相应的PQF轧管机组进行连续轧制，经过张力减径、带温矫直、冷床冷却和定尺锯切，轧制时每批至少进行一次热取样，检查几何尺寸及内外表面质量；
⑧几何尺寸及表面质量检查均合格的轧管再进行水淬调质处理，控制冷却水的流量、时间和温度，以保证钢管的淬火质量；控制回火加热炉的炉温和在炉时间，以保证钢管的回火稳定性。热处理制度为：890℃±10℃保温30min～ 50min、钢管出炉进行水淬(淬火的水温＜30℃)，660℃±20℃保温60min～ 80min、钢管出炉进行空冷；
⑨回火之后执行带温低压下矫直，钢管矫直温度≥500℃；
⑩对矫直后冷却到常温的钢管逐支进行无损探伤、水压试验和通径检测，合格者在两端进行螺纹加工。
按照上述制造工艺生产的规格为
Figure BDA0002884982720000062
139.7mm*10.54mm的含稀土Ce高强高韧高抗挤毁石油套管各项指标见表2，表3。
表2套管的力学性能
R<sub>t0.5</sub>(MPa) R<sub>m</sub>(MPa) R<sub>t0.5</sub>/R<sub>m</sub> A(％) a<sub>KV</sub>(J/cm<sup>2</sup>) 压溃值(MPa)
实施例1 691 785 0.88 25 165 66.5
实施例2 705 802 0.88 24 152 68.8
实施例3 722 821 0.88 23 137 72.1
注：冲击试样均为横向、试验温度为0℃。
表3套管的尺寸控制精度/mm
Figure BDA0002884982720000061
Figure BDA0002884982720000071
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (4)

1.一种含稀土Ce高强高韧高抗挤毁石油套管制备方法，其特征在于，将重量百分比80％的高炉铁水与20％的优质废钢作为原料，以下述工艺流程进行生产：将高炉铁水与优质废钢一同加入顶底复吹转炉进行冶炼，冶炼好的钢水装入钢水包进入LF炉工位进行精炼，精炼完成后进入VD炉工位进行真空脱气处理，化学成分及温度达到要求的钢种水采用5流弧形铸机进行圆管坯连铸；将连铸圆管坯坯切割成指定长度，热送至环形加热炉进行加热，采用菌式穿孔机对加热好的管坯进行穿孔形成毛管，采用PQF三辊连轧机组对毛管进行连续轧制使其成为荒管，荒管先后经过张力减径、冷床冷却和定尺锯切形成定尺轧管，采用步进式加热炉对轧管进行水淬调质处理，采用三辊矫直机进行带温矫直，最后对钢管进行无损探伤、水压试验和通径检测，合格者在两端进行螺纹加工，制造出套管成品。
2.根据权利要求1所述的含稀土Ce高强高韧高抗挤毁石油套管制备方法，其特征在于，具体为：
①在顶底复吹转炉加入20％的优质废钢，兑入80％的铁水，采用单渣工艺冶炼，控制终渣碱度不大于3.0，出钢过程中进行CrMo合金化，终脱氧采用有铝脱氧工艺，出钢过程必须挡渣或扒渣；
②将钢水送入LF炉进行精练：精炼全过程按要求正常吹氩气，根据转炉来料铁水化学成分及温度进行造渣脱硫、合金元素成分调整及升温操作；
③将钢水送入VD炉进行真空处理，抽真空之前采用压入法加入铈铁合金；真空度≤0.10kPa，深真空时间≥15分钟；
④经过VD炉真空处理之后的钢水静置5分钟，送入钢包回转台进行圆坯连铸，采用结晶器+末端电磁搅拌以及全程保护浇注工艺，控制钢水过热度ΔT≤25℃，铸坯经过矫直进行火焰切割；
⑤对管坯进行化学成分化验，管坯的化学成分按重量百分比为：C 0.23～0.26；Si0.20～0.30；Mn 0.60～0.70；P≤0.015；S≤0.010；Cr 0.90～1.00；Mo 0.40～0.50；Al0.010～0.030；稀土元素Ce 0.0005～0.0020；Ni＜0.10；Cu＜0.10；余量为基体Fe和无法检测的微量杂质元素；
⑥将成分化验合格及硫印不大于2.0级的连铸圆管坯进行热装运送，将管坯放入环形加热炉进行加热，各段温度的控制范围见下表；
预热一段 预热二段 加热一段 加热二段 均热一段 均热二段 1060～1100 1160～1220 1200～1250 1230～1300 1250～1300 1260～1290
⑦将加热好的管坯进行热定心，菌式穿孔后在相应的PQF轧管机组进行连续轧制，经过张力减径、带温矫直、冷床冷却和定尺锯切，轧制时每批至少进行一次热取样，检查几何尺寸以及内外表面质量；
⑧几何尺寸及表面质量检查均合格的轧管再进行水淬调质处理，控制冷却水的流量、时间和温度，以保证钢管的淬火质量；控制回火加热炉的炉温和在炉时间，以保证钢管的回火稳定性；热处理制度为：890℃±10℃保温30min～50min、钢管出炉进行水淬，660℃±20℃保温60min～80min、钢管出炉进行空冷；
⑨回火之后执行带温低压下矫直，钢管矫直温度≥500℃；
⑩对矫直后冷却到常温的钢管逐支进行无损探伤、水压试验和通径检测，合格者在两端进行螺纹加工，制造出套管成品。
3.根据权利要求2所述的含稀土Ce高强高韧高抗挤毁石油套管制备方法，其特征在于，调质后带温矫直，矫直温度不低于500℃。
4.根据权利要求2所述的含稀土Ce高强高韧高抗挤毁石油套管制备方法，其特征在于，铈铁合金的Ce元素的重量百分比为10％。
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