CN114433797A - 具有碳当量要求的石油套管及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及具有碳当量要求的石油套管，包括如下重量百分比的各组分：C：0.24～0.28；Si：0.17～0.32；Mn：1.17～1.32；P≤0.015；S≤0.01；Cr：0.16～0.25；Mo＜0.1；Cu≤0.15；Al：0.01～0.04；V：0.06～0.09；Ni≤0.15；N≤0.009；O≤0.004；B：0.0005～0.002；Ti：0.008～0.02；余量为Fe。本发明套管的各项性能指标满足该钢级力学性能的要求，且经过化学成分的调控，石油套管的碳当量在0.49～0.63之间，符合碳当量的要求。

Description

具有碳当量要求的石油套管及制备方法
技术领域
本发明属于石油化工管材技术领域，尤其涉及具有碳当量要求的石油套管及制备方法。
背景技术
API SPEC 5CT目录中常用的套管，参考该套管的化学成分要求可知，该套管的化学成分是典型的碳锰钢，按照该成分控制要求只考虑了强度、韧性及硬度等性能指标，没有考虑碳当量要求，若按碳当量公式计算，API SPEC 5CT目录中常用的套管对应不同钢级的化学成分无法满足碳当量要求。因此，需要设计一种新的化学成分，使其满足碳当量的要求，同时在炼钢、轧制、热处理后，套管的各项性能指标满足该钢级力学性能的要求。
发明内容
本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：
具有碳当量要求的石油套管，所述石油套管包括如下重量百分比的各组分：
C：0.24～0.28；
Si：0.17～0.32；
Mn：1.17～1.32；
P≤0.015；
S≤0.01；
Cr：0.16～0.25；
Mo＜0.1；
Cu≤0.15；
Al：0.01～0.04；
V：0.06～0.09；
Ni≤0.15；
N≤0.009；
O≤0.004；
B：0.0005～0.002；
V：0.06～0.09；
Ti：0.008～0.02；
余量为Fe。
所述的具有碳当量要求的石油套管的制备方法，包括如下步骤：
获取炼钢原料，经处理获得符合各组分质量含量要求的钢水，经连铸工序，浇铸成连铸坯；
将获得的铸坯进行斜轧热穿孔、PQF三辊限动芯棒热连轧、热定径；
采用淬火加回火的热处理工艺进行热处理：淬火温度为900℃±5℃，淬火介质为水，回火温度为(560～700)℃±5℃，表面除磷，空气冷却；热处理后，进行热矫直处理，冷却，探伤。
进一步的，对铸坯进行轧制时：将冷却后的铸坯在环形加热炉内加热，环形炉炉温为1280℃～1330℃；热穿孔时温度为1200℃～1250℃；PQF三辊连轧时的温度为1020℃～1130℃。
进一步的，所述石油套管的尺寸特征为：
外径：0.3％～1.0％D；D代表公称外径；
壁厚公差带控制：-10％t；t代表公称壁厚；
外径不圆度≤0.5％；
壁厚不均度≤14％。
进一步的，所述石油套管为80ksi钢级、90ksi钢级、95ksi钢级、110ksi钢级或125ksi钢级石油套管。
进一步的，
当石油套管为80ksi钢级石油套管时，具备的材料力学性能指标及组织特征为：屈服强度552～655MPa，抗拉强度≥655MPa；横向全尺寸夏比V型缺口冲击值≥130J，纵向全尺寸夏比V型缺口冲击值≥160J，洛氏硬度值≤23.0HRC，晶粒度≥9.0级，管组织为回火索氏体；
当石油套管为90ksi钢级石油套管时，具备的材料力学性能指标及组织特征为：屈服强度621～724MPa，抗拉强度≥689MPa；横向全尺寸夏比V型缺口冲击值≥120J，纵向全尺寸夏比V型缺口冲击值≥150J，洛氏硬度值≤25.4HRC，晶粒度≥9.0级，管组织为回火索氏体；
当石油套管为95ksi钢级石油套管时，具备的材料力学性能指标及组织特征为：屈服强度655～758MPa，抗拉强度≥724MPa；横向全尺寸夏比V型缺口冲击值≥110J，纵向全尺寸夏比V型缺口冲击值≥140J，洛氏硬度值≤25.4HRC，晶粒度≥9.0级，管组织为回火索氏体；
当石油套管为110ksi钢级石油套管时，具备的材料力学性能指标及组织特征为：屈服强度758～965MPa，抗拉强度≥862MPa；横向全尺寸夏比V型缺口冲击值≥100J，纵向全尺寸夏比V型缺口冲击值≥130J，晶粒度≥9.0级，管组织为回火索氏体；
当石油套管为125ksi钢级石油套管时，具备的材料力学性能指标及组织特征为：屈服强度862～1034MPa，抗拉强度≥931MPa；横向全尺寸夏比V型缺口冲击值≥80J，纵向全尺寸夏比V型缺口冲击值≥100J，晶粒度≥9.0级，管组织为回火索氏体。
本发明的优点和积极效果是：
本发明通过采用新的化学成分，使石油套管满足碳当量的要求，同时在炼钢、轧制、热处理后，套管的各项性能指标满足该钢级力学性能的要求，且经过化学成分的调控，石油套管的碳当量在0.49～0.63之间，符合碳当量的要求。
具体实施方式
首先，需要说明的是，以下将以示例方式来具体说明本发明的具体结构、特点和优点等，然而所有的描述仅是用来进行说明的，而不应将其理解为对本发明形成任何限制。此外，在本文所提及各实施例中予以描述或隐含的任意单个技术特征，仍然可在这些技术特征(或其等同物)之间继续进行任意组合或删减，从而获得可能未在本文中直接提及的本发明的更多其他实施例。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
实施例1
具有碳当量要求的石油套管，所述石油套管包括如下重量百分比的各组分：
C：0.24～0.28；
Si：0.17～0.32；
Mn：1.17～1.32；
P≤0.015；
S≤0.01；
Cr：0.16～0.25；
Mo＜0.1；
Cu≤0.15；
Al：0.01～0.04；
V：0.06～0.09；
Ni≤0.15；
N≤0.009；
O≤0.004；
B：0.0005～0.002；
V：0.06～0.09；
Ti：0.008～0.02；
余量为Fe。
所述的具有碳当量要求的石油套管的制备方法，包括如下步骤：
获取炼钢原料，可以采用铁水+优质废钢原料或全冷料+优质废钢原料，用电弧炉熔化成钢水，经炉外精炼和真空脱气获得如上所述的化学成分，经连铸工序，浇铸成连铸坯；
将获得的铸坯进行斜轧热穿孔、PQF三辊限动芯棒热连轧、热定径；具体的，对铸坯进行轧制时：将冷却后的铸坯在环形加热炉内加热，环形炉炉温为1280℃～1330℃；热穿孔时温度为1200℃～1250℃；PQF三辊连轧时的温度为1020℃～1130℃；
采用淬火加回火的热处理工艺进行热处理：淬火温度为900℃±5℃，淬火介质为水，回火温度为(560～700)℃±5℃，表面除磷，空气冷却；热处理后，进行热矫直处理，冷却，探伤。
所述石油套管的尺寸特征为：
外径：0.3％～1.0％D，D代表公称外径；
壁厚公差带控制：-10％t，t代表公称壁厚；
外径不圆度≤0.5％；
壁厚不均度≤14％。
并且，所述石油套管为80ksi钢级、90ksi钢级、95ksi钢级、110ksi钢级或125ksi钢级石油套管；当石油套管为80ksi钢级石油套管时，具备的材料力学性能指标及组织特征为：屈服强度552～655MPa，抗拉强度≥655MPa；横向全尺寸夏比V型缺口冲击值≥130J，纵向全尺寸夏比V型缺口冲击值≥160J，洛氏硬度值≤23.0HRC，晶粒度≥9.0级，管组织为回火索氏体；当石油套管为90ksi钢级石油套管时，具备的材料力学性能指标及组织特征为：屈服强度621～724MPa，抗拉强度≥689MPa；横向全尺寸夏比V型缺口冲击值≥120J，纵向全尺寸夏比V型缺口冲击值≥150J，洛氏硬度值≤25.4HRC，晶粒度≥9.0级，管组织为回火索氏体；当石油套管为95ksi钢级石油套管时，具备的材料力学性能指标及组织特征为：屈服强度655～758MPa，抗拉强度≥724MPa；横向全尺寸夏比V型缺口冲击值≥110J，纵向全尺寸夏比V型缺口冲击值≥140J，洛氏硬度值≤25.4HRC，晶粒度≥9.0级，管组织为回火索氏体；当石油套管为110ksi钢级石油套管时，具备的材料力学性能指标及组织特征为：屈服强度758～965MPa，抗拉强度≥862MPa；横向全尺寸夏比V型缺口冲击值≥100J，纵向全尺寸夏比V型缺口冲击值≥130J，晶粒度≥9.0级，管组织为回火索氏体；当石油套管为125ksi钢级石油套管时，具备的材料力学性能指标及组织特征为：屈服强度862～1034MPa，抗拉强度≥931MPa；横向全尺寸夏比V型缺口冲击值≥80J，纵向全尺寸夏比V型缺口冲击值≥100J，晶粒度≥9.0级，管组织为回火索氏体。
实施例2
按实施例1的方法生产出来的符合实施例1化学成分质量百分比的石油套管L80-1，其尺寸为
Figure BDA0003499585350000061
其化学成分及各项性能指标如下：
所述套管的化学成分(重量百分比)如下表1所示，余量为Fe：
表1 L80-1 114.3×8.56化学成分
项目 C Si Mn P S Ni Cr Mo Cu Al V Ti B O N
MAX 0.27 0.27 1.32 0.009 0.003 0.04 0.23 0.03 0.07 0.03 0.07 0.018 0.002 0.0038 0.0076
MIN 0.25 0.23 1.18 0.006 0.002 0.03 0.18 0.01 0.06 0.023 0.06 0.013 0.0007 0.0008 0.0061
采用铁水+优质废钢作为炼钢原料，用电弧炉将炼钢原料熔化为钢水，经炉外精炼和VD/RH高真空脱气，获得上述化学成分，经连铸工序浇铸成连铸坯；环形加热炉加热后，经热定心、热穿孔、PQF三辊热连轧，热定径，冷却，锯切，矫直，探伤；热处理炉内900℃±5℃温度下奥氏体化，然后水淬冷却，715℃±5℃温度下回火，空气冷却，热矫直后，冷却，探伤。
计算获得的碳当量为0.52～0.58，其中计算公式如下：
Figure BDA0003499585350000071
其中，C、Si、Mn、Cu、Ni、Cr、Mo、V分别代表各自的质量百分比。
轧制后，钢管的几何尺寸为：外径不圆度≤0.2％，壁厚不均度≤5％；
热处理后，所述套管的力学性能指标如下：
屈服强度：568-655MPa；抗拉强度：665-755MPa；断后伸长率：≥20％；冲击值及剪切比：夏比V型缺口冲击值纵向10×5尺寸≥90J，剪切比为100％；夏比V型缺口冲击值纵向全尺寸≥163J，剪切比为100％；洛氏硬度值：16.2～22.6HRC；淬透性：≥47.0HRC；
实施例3
按实施例1的方法生产出来的符合实施例1化学成分质量百分比的石油套管L80-1，其尺寸为
Figure BDA0003499585350000072
其化学成分及各项性能指标如下：
所述套管的化学成分(重量百分比)如下表2所示，余量为Fe：
表2 L80-1
Figure BDA0003499585350000073
化学成分
项目 C Si Mn P S Ni Cr Mo Cu Al V Ti B O N
检测值 0.25 0.26 1.23 0.009 0.002 0.04 0.19 0.03 0.06 0.028 0.07 0.016 0.0013 0.0018 0.0062
采用铁水+优质废钢作为炼钢原料，用电弧炉将炼钢原料熔化为钢水，经炉外精炼和VD/RH高真空脱气，获得上述化学成分，经连铸工序浇铸成连铸坯；环形加热炉加热后，经热定心、热穿孔、PQF三辊热连轧，热定径，冷却，锯切，矫直，探伤；热处理炉内900℃±5℃温度下奥氏体化，然后水淬冷却，710℃±5℃温度下回火，空气冷却，热矫直后，冷却，探伤。
计算获得的碳当量为0.54，其中计算公式如下：
Figure BDA0003499585350000081
其中，C、Si、Mn、Cu、Ni、Cr、Mo、V分别代表各自的质量百分比。
轧制后，钢管的几何尺寸为：外径不圆度≤0.2％，壁厚不均度≤5％；
热处理后，所述套管的力学性能指标如下：
屈服强度：590-655MPa；抗拉强度：705-767MPa；断后伸长率：≥30％；冲击值及剪切比：夏比V型缺口冲击值横向10×7.5尺寸≥150J，剪切比为100％；夏比V型缺口冲击值横向全尺寸≥187J，剪切比为100％；洛氏硬度值：16.9～22.9HRC；淬透性：≥47.0HRC。
以上实施例对本发明进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。

Claims (6)

1.具有碳当量要求的石油套管，其特征在于，所述石油套管包括如下重量百分比的各组分：
C：0.24～0.28；
Si：0.17～0.32；
Mn：1.17～1.32；
P≤0.015；
S≤0.01；
Cr：0.16～0.25；
Mo＜0.1；
Cu≤0.15；
Al：0.01～0.04；
V：0.06～0.09；
Ni≤0.15；
N≤0.009；
O≤0.004；
B：0.0005～0.002；
Ti：0.008～0.02；
余量为Fe。
2.权利要求1所述的具有碳当量要求的石油套管的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
获取炼钢原料，经处理获得符合各组分质量含量要求的钢水，经连铸工序，浇铸成连铸坯；
将获得的铸坯进行斜轧热穿孔、PQF三辊限动芯棒热连轧、热定径；
采用淬火加回火的热处理工艺进行热处理：淬火温度为900℃±5℃，淬火介质为水，回火温度为(560～700)℃±5℃，表面除磷，空气冷却；热处理后，进行热矫直处理，冷却，探伤。
3.根据权利要求2所述的具有碳当量要求的石油套管的制备方法，其特征在于，对铸坯进行轧制时：将冷却后的铸坯在环形加热炉内加热，环形炉炉温为1280℃～1330℃；热穿孔时温度为1200℃～1250℃；PQF三辊连轧时的温度为1020℃～1130℃。
4.根据权利要求2所述的具有碳当量要求的石油套管的制备方法，其特征在于，所述石油套管的尺寸特征为：
外径：0.3％～1.0％D；
壁厚公差带控制：-10％t；
外径不圆度≤0.5％；
壁厚不均度≤14％。
5.根据权利要求2所述的具有碳当量要求的石油套管的制备方法，其特征在于，所述石油套管为80ksi钢级、90ksi钢级、95ksi钢级、110ksi钢级或125ksi钢级石油套管。
6.根据权利要求5所述的具有碳当量要求的石油套管的制备方法，其特征在于，
当石油套管为80ksi钢级石油套管时，具备的材料力学性能指标及组织特征为：屈服强度552～655MPa，抗拉强度≥655MPa；横向全尺寸夏比V型缺口冲击值≥130J，纵向全尺寸夏比V型缺口冲击值≥160J，洛氏硬度值≤23.0HRC，晶粒度≥9.0级，管组织为回火索氏体；
当石油套管为90ksi钢级石油套管时，具备的材料力学性能指标及组织特征为：屈服强度621～724MPa，抗拉强度≥689MPa；横向全尺寸夏比V型缺口冲击值≥120J，纵向全尺寸夏比V型缺口冲击值≥150J，洛氏硬度值≤25.4HRC，晶粒度≥9.0级，管组织为回火索氏体；
当石油套管为95ksi钢级石油套管时，具备的材料力学性能指标及组织特征为：屈服强度655～758MPa，抗拉强度≥724MPa；横向全尺寸夏比V型缺口冲击值≥110J，纵向全尺寸夏比V型缺口冲击值≥140J，洛氏硬度值≤25.4HRC，晶粒度≥9.0级，管组织为回火索氏体；
当石油套管为110ksi钢级石油套管时，具备的材料力学性能指标及组织特征为：屈服强度758～965MPa，抗拉强度≥862MPa；横向全尺寸夏比V型缺口冲击值≥100J，纵向全尺寸夏比V型缺口冲击值≥130J，晶粒度≥9.0级，管组织为回火索氏体；
当石油套管为125ksi钢级石油套管时，具备的材料力学性能指标及组织特征为：屈服强度862～1034MPa，抗拉强度≥931MPa；横向全尺寸夏比V型缺口冲击值≥80J，纵向全尺寸夏比V型缺口冲击值≥100J，晶粒度≥9.0级，管组织为回火索氏体。
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