CN113862560B

CN113862560B - 一种低成本高强韧140ksi钢级无缝钢管及其制备方法

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Publication number: CN113862560B
Application number: CN202111040449.7A
Authority: CN
Inventors: 谢振家; 尚成嘉; 王学敏; 杨善武; 郭晖; 王学林; 李秀程; 王静靓
Original assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Current assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Priority date: 2021-09-06
Filing date: 2021-09-06
Publication date: 2022-08-09
Anticipated expiration: 2041-09-06
Also published as: CN113862560A

Abstract

一种低成本高强韧140ksi钢级无缝钢管的制备方法，质量百分比为：C：0.15‑0.25％，Si：0.15‑0.30％，Mn：1.2‑1.6％，Cr：0.3‑0.4％，Nb：0.01‑0.03％，B：0.0012‑0.002％，余为Fe和杂质。采用两步淬火加电磁感应回火的调质热处理工艺：首先，轧制好的无缝钢管在900‑950℃奥氏体化30‑90分钟后水冷至室温，然后再在860‑880℃奥氏体化30‑90分钟后水冷至室温，最后采用电磁感应加热至500‑550℃后空冷至室温。本发明制造的钢管具有高强度高韧性：室温屈服强度大于965MPa，抗拉强度大于1034MPa，延伸率大于16％；0℃夏比冲击功大于120J。本发明高强韧V140钢级无缝钢管较常规Cr‑Mo系钢成本低廉，且强韧性匹配超过API标准，达到英国能源部指导性技术文件规定韧性要求，即冲击功值达到屈服强度值的1/10，可应用于对低温韧性要求高的油气田开采。

Description

一种低成本高强韧140ksi钢级无缝钢管及其制备方法

技术领域

本发明属于金属材料及其制造领域，具体涉及一种低成本高强韧140ksi钢级无缝钢管及其制造方法。

技术背景

油井管在石油工业中占有重要的位置，是石油工业的基础。它在石油工业中的地位，不仅表现为用量大、花钱多，更主要的是其质量、性能与石油工业的发展关系重大。我国每年仅钻柱断裂掉井事故即达1000起左右，据钻井承包商协会(IADC)统计，每起钻柱断裂事故平均直接损失10.6万美元。钻柱或套管柱损坏有时会导致油井报废。我国西部油田1口油井的成本约几千万元甚至上亿元人民币。套管的寿命直接决定油井的寿命,油井的寿命又决定了油田寿命。因此，油井管的安全可靠性、使用寿命和经济性与石油工业关系极其重大，石油工业呼唤高性能油井管。为了确保超深井的运行安全，对高性能深井用套管的综合力学性能、使用性能和寿命提出了极高的要求，特别是对强韧性匹配，在深井和其他苛刻工况条件下，不但要有较高的强度，还必须有匹配的韧性。一些国际标准对高强套管的韧性指标提出了要求，如美国石油学会标准“套管和油管规范”(API Spec 5CT)对P110钢级12.24mm-25.66mm壁厚的套管全尺寸最低韧性指标要求为20-32J，Q125钢级6.13mm-25.80mm壁厚的套管全尺寸最低韧性指标要求为20-44J，可见这种包容性的标准对高强套管的韧性要求还是较低的；而更为苛刻的英国能源部指导性技术文件规定，压力钢管最低冲击功(CVN，J)应为屈服强度的十分之一。

国外对高钢级油井管的发展起步较早，上世纪80年代初开发研究超低碳贝氏体钢，基于C、Mn、Mo、B、Ti、Nb的合金化，通过适当的调控合金元素和控制轧制工艺获得有良好强韧性的完全贝氏体组织。90年代后，高钢级油井管大部分是以C、Mn、Mo、Cr、Ni、Ti及其少量微合金元素的合理匹配，水淬后获得足够量的马氏体组织，回火后依然可得到高强度的强韧性组织。随着生产装备和工艺技术的不断发展，国外超高强度油井管取得了很大进展，例如Vallourec&Mannesmann公司开发了中碳Cr-Mo-V系VM140-155超高强度套管，其冲击韧性实现了横向-20℃大于40J的良好水平；新日铁住友开发了SM140G-155G钢级-46℃横向冲击功大于20J的超高强韧套管；此外，JFE也开发了韧性与强度匹配良好的Cr-Mo-Nb系140-170ksi钢套管。尽管如此，这些添加了大量合金元素的高成本超高强度级别的套管在严格意义上也无法完全满足英国能源部指导性技术文件规定韧性要求。

相比国外而言，国内超高强度级别油井管生产起步晚且发展相对缓慢，长期处于跟踪国际的被动状态，超高强度钢级套管一直以来未能改变以来进口的局面。可喜的是，近年来我国油、套管的主要制造企业宝山钢管有限公司、鞍钢无缝钢管厂、无锡西姆莱斯石油专用管有限公司、天津钢管公司、衡阳华菱钢管有限公司在高强度/超高强度级别钢管研发方面做了大量工作，并取得了一定的成果。然而，兼具低成本和高强韧性的V140钢级无缝钢管仍然有待进一步开发。本发明研究一种低成本高强韧V140无缝钢管及其制作方法，采用C、Mn、B及添加少量Cr的低成本合金设计及两步淬火加电磁感应回火工艺，利用晶粒细化和纳米碳化物析出强化，在保证其强度达到Cr-Mo-V系钢管的水平，同时，韧性符合英国能源部指导性技术文件规定高韧性要求。

经检索，公开号为CN 109055873 A的中国专利，公开了《一种140ksi钢级无缝钢管及其制造方法》。其化学成分为:C:0.15％-0.20％、Si:≤0.30％、Mn:0.20％-0.40％、P:≤0.010％、S:≤0.004％、Cr:1.20％-1.40％、Mo:0.80％-1.00％、V:0.11％-0.15％、Ni:1.00％-3.00％、Ti:0.02％-0.05％、B:0.0005％-0.0040％、Als:0.01％-0.05％、H:≤0.0002％、N:≤0.0050％、0:≤0.0022％，其余为Fe和不可避免杂质。工艺：冶炼→管坯制造→钢管成型→矫直。本发明得到了一种兼具高强度和高韧性的140ksi钢级无缝钢管。但是，该钢种为了提高强度，添加了大量的Cr、Mo、Ni、V、Ti等合金元素，使得材料成本合金较高。此外，大量合金元素的添加还会增加冶炼的难度，因此不利于推广使用。

经检索，公开号为CN 111549293 A的中国专利，公开了《一种含稀土140ksi钢级耐高温页岩气用无缝钢管及其制备方法》。该钢种其化学成分重量百分比:C：0.25-0.30％、Si：0.17-0.37％、Mn：0.40-0.70％、Cr：0.8-1.2％、Mo：0.50-0.80％、V：0.05-0.10％、Al：0.01-0.04％、P：≤0.015％、S：≤0.005％和RE：0.001-0.010％，其余为Fe和不可避免的杂质。所述热处理工序包括:淬火+回火,其中淬火温度为900±10℃，保温35-60min；回火温度为670±10℃,保温90-120min；热处理后保证矫直温度≥550℃。该钢种为了提高强度，Cr、Mo、V含量较高，因此其材料成本较高,不利于材料推广和大规模应用。

经检索，公开号为CN 103451544 A的中国专利，公开了《含硼深井超深井用140ksi钢级石油套管及生产方法》。该发明中化学成分为质量百分比：C：0.20-0.25％、Si：0.17-0.37、Mn：0.5-0.8％、P：≤0.015％、S：≤0.005％、Cr：0.5-1.0％、Mo：0.5-0.8％、V：0.10-0.15％、B：0.002-0.004％，其余为Fe和不可避免杂质。该发明不仅采用较高的Cr、Mo、V合金设计，成本高，且冲击韧性最高仅93J，力学性能不足屈服强度的1/10。

经检索，公开号为CN 103789629 A的中国专利，公开了《一种耐磨无缝钢管材料及其制备方法》。该钢种包含按重量百分比计的如下组分：C：0.06-0.10％、Si：0.3-0.5％、Mn：0.7-2.0％、Cu：0.2-0.4％.Zr：0.1-0.3％、Ni：0.5-0.8％、Hf：0.1-0.3％、Y：0.02-0.04％、Sr：0.02-0.03％、P：≤0.015、S：≤0.006，余量为Fe及不可避免的杂质。所述的热处理是:将管坯以25-26℃/s速度加热到800-820℃,保温30-40分钟，再以27-29℃/s速度加热到1010-1020℃,保温8-10分钟,再以240-260℃/小时速度降温到50-90℃；再以23-25℃/s速度加热到630-640℃,保温30-40分钟,再以23-25℃/s速度加热到930-940℃,保温1-1.5小时，再以240-250℃/s速度喷淋降温到300-310℃,再以190-200℃/s速度喷淋降温到60-90℃；再以21-23℃/s速度加热到550-560℃,保温2-3小时，取出空冷即得。采用的元素成本低，但是热处理工艺非常繁琐，制作成本高。而且屈服强度与抗拉强度都没有达到900MPa，吸收冲击功只有48J。

综上所述，目前140ksi钢级无缝钢管主要存在两大问题：其一是绝大多数140ksi钢级无缝钢管均添加了高含量的Cr、Mo、V合金元素，有的甚至添加了较高含量的Ni，使合金成本过高；其次，对于未添加高含量的Cr、Mo、V合金元素的合金成本较低的140ksi钢级无缝钢管，其冲击韧性往往难以达到屈服强度的1/10的高韧性水平，甚至其屈服强度都难以实现965MPa的要求。本发明的主旨在于通过低成本的合金设计，利用晶粒细化和纳米碳化物析出强化，实现屈服强度大于965MPa，抗拉强度大于1034MPa，延伸率大于16％，0℃冲击功大于屈服强度的1/10(即大于100J)的高强韧无缝钢管。

发明内容

本发明的目的在于通过低合金成本设计获得140ksi钢级高强度和0℃夏比冲击功大于屈服强度1/10的高韧性无缝钢管，以克服上述技术背景所提高的高成本或性能不足的问题，实现满足油、气田深井及超深井安全开采所需的140ksi钢级无缝钢管及其制备方法。

为了实现上述目的，本发明内容包括两个方面：其一，为了实现低的合金成本，对140ksi钢级无缝钢管进行了系统的研究，优选出可满足本发明目的的低成本的合金元素配比；其二，为了实现高强度和高韧性的优异匹配，对制备工艺进行了系统研究，优选出满足本发明目的力学性能的制备工艺。

一种低成本高强韧140ksi钢级无缝钢管，其化学成分质量百分比为：C：0.15-0.25％，Si：0.15-0.30％，Mn：1.2-1.6％，Cr：0.3-0.4％，Nb：0.01-0.03％，B：0.0012-0.002％，余为Fe和不可避免的微量的化学元素。

本发明140ksi钢级无缝钢管成分设计理由如下：

C：碳的主要作用是提高淬透性，以及回火过程中形成碳化物析出提高强度。碳含量低于0.15％时，钢管的淬透性和强度难以保证，但碳含量高于0.25％时，钢管的韧性难以得到保证，此外，碳含量过高还容易导致淬火过程中钢管出现开裂等问题。

Si：硅在炼钢过程中作为还原剂和脱氧剂，所以镇静钢一般加入0.15-0.3％的硅，用于完全脱氧处理。

Mn：锰的主要作用是提高淬透性，此外，锰还可以起到固溶强化作用，以及在回火过程中参与形成渗碳体碳化物起到析出强化的作用，但是Mn过高，容易形成中心偏析，对钢管的韧性起到恶化作用。因此，本发明Mn含量低于1.6％。Mn含量低于1.2％时，钢管的淬透性和强度难以保证。

Cr：铬是强碳化物形成元素，因此，在钢中加入铬除了起到一定的固溶强化作用和提高淬透性外，还可以在回火过程中促进碳化物析出，起到析出强化的作用。当Cr含量低于0.3％时作用不明显，但Cr含量过高，会增加钢管的合金成本。因此，本发明中Cr含量限定为0.3-0.4％。

Nb：铌元素作为微合金化元素被广泛应用于高强度低合金钢中，其主要作用是析出强化，以及通过形成纳米析出钉扎界面迁移从而在奥氏体化过程中起到晶粒细化效果。当Nb含量过低，低于0.01％时，析出强化和晶粒细化效果不明显，Nb含量过高，会增加会增加钢管的合金成本。因此，本发明中Nb含量限定为0.01-0.03％。

B：硼在钢中的主要作用是通过晶界偏聚显著提高钢的淬透性。当B含量低于0.001％时，淬透性提高效果不明显，B含量高于0.002时，B容易在晶界偏聚并形成碳化物和氮化物，恶化钢管的韧性。因此，本发明中B含量限定为0.001-0.002％。

本发明所述低成本高强韧140ksi钢级无缝钢管的力学性能满足:常温屈服强度大于980MPa，常温抗拉强度≥1034MPa,延伸率大于16％。0℃冲击功大于120J。

本发明的另一方面技术内容是采用两步淬火加电磁感应回火工艺，获得细小的原始奥氏体晶粒和纳米级渗碳体析出物，具体热处理工艺如下：

首先，将热轧好的无缝钢管在900-950℃奥氏体化30-90分钟后水冷至室温，然后再在860-880℃奥氏体化30-90分钟后水冷至室温。该技术发明的主要目的是获得细小的原始奥氏体晶粒，原始奥氏体平均晶粒尺寸小于15μm。

其次，经两步淬火后的无缝钢管经高频电磁感应加热至500-550℃，然后空冷至室温。该技术发明的主要目的是回火改善韧性同时获得小于200nm的渗碳体碳化物析出，同时获得高强度和高韧性。

本发明技术关键点在于：

(1)通过合理的元素配比，即C：0.15-0.25％的前提下，控制Mn为1.2-1.6％并添加微量B：0.001-0.002％，以保证无缝钢管的强度、韧性和淬透性。在获得高强度和高韧性的前提下，严格控制了140ksi钢级无缝钢管的Cr、Nb元素加入量，无需添加Mo、Ni等贵重金属元素，大幅度降低了140ksi钢级无缝钢管的生产成本。

(2)采用两步淬火加电磁感应回火工艺，保证了了140ksi钢级无缝钢管的屈服强度、抗拉强度和延伸率及冲击功。

本发明的优势在于：

(1)本发明的无缝钢管化学成分简单，成本低廉；

(2)本发明制造的无缝钢管满足如下性能：屈服强度大于965MPa，抗拉强度大于1034MPa，延伸率大于16％，0℃下夏比冲击功大于120J的优异性能。本发明制备的无缝钢管冲击功大于屈服强度的1/10的高韧性要求，可以满足140ksi钢级无缝钢管在深井或超深井油、气田环境使用；

(3)本发明采用电磁感应加热回火工艺，仅需加热至回火温度，无需额外保温处理，可以大大提高生产效率，缩短生产周期，降低经济和时间成本。

具体实施方式

以下通过具体实施例对本发明作进一步的说明，实施例仅用于解释的目的，本发明保护范围不限于本实施例。

下面对本发明作进一步的描述:

表1为本发明各实施例的化学成分及重量百分比含量列表。

表1本发明各实施例化学成分重量百分比含量

实施例	C	Mn	Si	Cr	Nb	B
							1	0.15	1.60	0.29	0.39	0.025	0.0018
2	0.18	1.37	0.17	0.35	0.015	0.0015
							3	0.20	1.42	0.16	0.34	0.02	0.0013
4	0.25	1.20	0.15	0.32	0.012	0.0015

表2为本发明实例的热处理工艺参数

表2本发明实例的热处理工艺参数

表3为本发明实例的力学性能

表3本发明实例的力学性能

由上可知，采用本发明制造的无缝钢管满足如下性能：屈服强度大于966-1010MPa，抗拉强度大于1040MPa，延伸率大于16％，0℃下夏比冲击功大于122J的优异性能。本发明制备的无缝钢管冲击功大于屈服强度的1/10的高韧性要求，可以满足140ksi钢级无缝钢管在深井或超深井油、气田环境使用需求。

为了表述本发明，在上述中通过实施例对本发明恰当且充分地进行了说明，以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims

1.一种低成本高强韧140ksi钢级无缝钢管，其特征在于，化学成分的质量百分比为：C：0.15-0.25％，Si：0.15-0.30％，Mn：1.2-1.6％，Cr：0.3-0.4％，Nb：0.01-0.03％，B：0.0012-0.002％，余为Fe和不可避免的微量的化学元素；

所述低成本高强韧140ksi钢级无缝钢管的力学性能满足：常温屈服强度大于980MPa，常温抗拉强度≥1034MPa，延伸率大于16％，0℃冲击功大于120J；

原始奥氏体平均晶粒尺寸小于15μm，获得小于200nm的渗碳体碳化物析出。

2.根据权利要求1所述的低成本高强韧140ksi钢级无缝钢管的制备方法，其包括以下工序：炼钢→轧制→热处理；其特征在于：

所述热处理工序采用两步淬火加电磁感应回火的调制热处理工艺：两步淬火+高频感应回火,具体热处理步骤为：首先，轧制好的无缝钢管在900-950℃奥氏体化30-90分钟后水冷至室温，然后再在860-880℃奥氏体化30-90分钟后水冷至室温，最后采用电磁感应加热至500-550℃后空冷至室温。