CN115110010A - 140Ksi钢级非开挖钻杆用无缝钢管及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及140Ksi钢级非开挖钻杆用无缝钢管，包括如下重量百分比的各组分：C：0.24％～0.27％；Si：0.17％～0.35％；Mn：0.85％～1.10％；Cr：0.80％～0.90％；Mo：0.13％～0.18％；Al：0.010％～0.035％；Ca：0.0010％～0.0030％；P≤0.015％；S≤0.004％；H≤0.0002％；Pb、Sn、As、Sb、Bi总量≤0.0350％；其余为铁和不可避免杂质；本发明通过经济的化学成分设计和合理的工艺制度耦合作用，保证钢管的强度与低温韧性需求，并节约了成本。

Description

140Ksi钢级非开挖钻杆用无缝钢管及其制备方法

技术领域

本发明属于无缝钢管制造技术领域，尤其涉及140Ksi钢级非开挖钻杆用无缝钢管及其制备方法。

背景技术

非开挖技术是在不破坏绿地、植被等环境，不影响交通、建筑，不对居民出行、生活造成干扰的情况下，通过导向、定向等钻进方式在入口或出口地表极小部分开挖、铺设、修复和更换地下管线的施工技术。广泛的应用于给排水作业、通讯、电力、燃气、自来水等领域，也可穿越湖泊、河流、重要交通干线等复杂工况。非开挖钻杆是实现这一技术的重要载体和用具，而钻杆就是采用无缝钢管经焊接、组装、连接配件制造而成。所以，钻杆用管的材料设计和力学性能是决定非开挖钻杆质量优劣的重要因素。

目前，在生产制造140Ksi钢级(屈服强度≥965MPa，抗拉强度≥1034MPa)非开挖钻杆用无缝钢管时，一般采用添加适量Cr、Mo、V、Ti等合金元素经调质热处理来满足力学性能。但是，在耐低温冲击韧性方面，未见非开挖钻杆领域有相关文献。而其它用途无缝钢管均添加了大量Ni、Mo、V、Nb等合金元素来满足低温冲击韧性，极大的增加了成本。

专利号CN113862560公开了“一种低成本高强韧140ksi钢级无缝钢管及其制备方法”，其成分质量百分比：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。该钢管力学性能达到140Ksi级别，屈服强度≥965MPa，抗拉强度≥1034MPa，具有较好的0℃冲击韧性，经济性较好，但其未明确低温-40℃以下冲击功。

专利号CN111549293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”，其成分质量百分比：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％；RE：0.001％～0.010％；其余为Fe和不可避免的杂质。该钢管力学性能达到140Ksi级别，屈服强度≥965MPa，抗拉强度≥1034MPa，并具有较好的0℃冲击韧性，但其未明确低温-40℃以下冲击功，且添加了大量Mo、V及稀土元素，成本较高。

专利号CN101608282公开了“耐-40℃～-60℃低温钻杆钢管及其制造方法”,其成分质量百分比：C:0.18％～0.22％；Si:0.15％～0.35％；Mn:0.40％～0.60％；P：≤0.015％；S：≤0.010％；Ni:0.55％～0.70％；V:0.0％～0.05％；余量为Fe和含量不可去除的痕量元素。该钢管力学性能达到140Ksi级别，屈服强度≥965MPa，抗拉强度≥1100MPa，-40℃纵向全尺寸冲击功≥100J。虽然可满足强度和-40℃低温冲击性能，但其添加了大量Ni和V元素，成本较高。

发明内容

为解决上述技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种140Ksi钢级非开挖钻杆用无缝钢管及其制备方法，通过综合运用添加合金元素、控制成分、调整热处理工艺来满足140Ksi钢级强度(屈服强度≥965MPa，抗拉强度≥1034MPa)和低温韧性(-40℃纵向全尺寸冲击功≥100J)要求，具有良好的经济性和实用性。

本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：

140Ksi钢级非开挖钻杆用无缝钢管，所述钢管包括如下重量百分比的各组分：

C：0.24％～0.27％；Si：0.17％～0.35％；Mn：0.85％～1.10％；Cr：0.80％～0.90％；Mo：0.13％～0.18％；Al：0.010％～0.035％；Ca：0.0010％～0.0030％；P：≤0.015％；S：≤0.004％；H：≤0.0002％；Pb、Sn、As、Sb、Bi总量≤0.0350％；其余为铁和不可避免杂质。

进一步的，所述钢管中Pb：≤0.0100％；Sn：≤0.0150％；As：≤0.0150％；Sb：≤0.0100％；Bi：≤0.0100％。

进一步的，所述钢管屈服强度≥965MPa，抗拉强度≥1034MPa，-40℃纵向全尺寸冲击功≥100J。

需要说明的是，钢管中主要化学成份及其作用为：

C是提高钢强度的主要元素，为保证强度下限设计为0.24％，但是C含量过高会影响冲击韧性，所以上限设计为0.27％；

Si是钢中重要的脱氧剂，同时也能提高钢强度，但是过高含量的Si会对降低钢的韧性，所以将其范围设计为0.17％～0.35％；

Mn在提高钢的强度的同时也提高韧性，同时还起到脱氧和脱硫的作用，是钢中有益元素，将其设计为0.85％～1.10％；

Cr能显著提高钢的强度，是性价比较高的合金元素，但其含量超过1％时，会对韧性有一定影响，所以将其范围设计为0.80％～0.90％；

Mo能够提高钢的强度和韧性以及淬透性，并防止回火脆性，但其成本较高，所以含量设计为0.13％～0.18％；

Al在钢中主要作用是脱氧定氮，并且能改善低温韧性，降低韧脆转变温度，但是，Al含量过高会造成氧化铝夹杂物过多，所以控制其添加量为0.010％～0.035％；

Ca处理可以脱O、脱S，并能通过改变夹杂物形态改善钢的性能，但是过多的Ca元素会与S形成CaS夹杂物，所以控制其添加量为0.0010％～0.0030％；

P是钢中的有害元素，会引起韧性的降低，但是，脱磷是氧化反应，过低的控制P含量会导致钢中氧含量升高，所以将P含量设计为≤0.015％；

S是钢中的有害元素，降低钢的强度及冲击韧性，同时引起硫化物夹杂的增多，控制其含量≤0.004％；

H是钢中有害气体元素，一定含量的H会产生氢脆，导致韧性下降，所以控制其含量≤0.0002％；

Pb、Sn、As、Sb、Bi是钢中的五害元素，它们熔点较低，冶炼过程中会成为钢中杂质进而影响强度、韧性等，所以严格控制其总含量≤0.035％；

上述的140Ksi钢级非开挖钻杆用无缝钢管的制备方法，包括如下步骤：

炼钢：电炉冶炼、炉外精炼、真空处理；其中，采用优质废钢进行冶炼；真空保持时间≥10min；

铸造：连铸；

轧制：环形炉加热、穿孔、PQF连轧、定径；其中，环形炉管坯加热温度控制1260℃～1290℃；

调质热处理：高温炉淬火、水淬、低温炉回火、空冷；其中，高温炉淬火温度890℃～910℃，淬火保温时间20min～30min；淬火介质为水；低温炉回火温度540℃～560℃，回火保温时间60min～80min；回火后空冷。

本发明的优点和积极效果是：

本发明通过降低C含量、少量Mo、微量Al、喂Ca丝、控H控气、控制夹杂物、控制五害元素、延长回火时间来提高低温冲击功；加Cr来提高强度；通过经济的化学成分设计和合理的工艺制度耦合作用，保证钢管的强度与低温韧性需求，满足屈服强度≥965MPa，抗拉强度≥1034MPa、-40℃纵向全尺寸冲击功≥100J，满足寒冷地区、雨雪过后、冬季施工、夜间施工等低温环境作业，并节约了成本。

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

本实施例提供的140Ksi钢级非开挖钻杆用无缝钢管，所述钢管包括如下重量百分比的各组分：

C：0.24％～0.27％；Si：0.17％～0.35％；Mn：0.85％～1.10％；Cr：0.80％～0.90％；Mo：0.13％～0.18％；Al：0.010％～0.035％；Ca：0.0010％～0.0030％；P：≤0.015％；S：≤0.004％；H：≤0.0002％；Pb、Sn、As、Sb、Bi总量≤0.0350％；其余为铁和不可避免杂质。

其中，所述钢管中Pb：≤0.0100％；Sn：≤0.0150％；As：≤0.0150％；Sb：≤0.0100％；Bi：≤0.0100％。

最终获得的所述钢管屈服强度≥965MPa，抗拉强度≥1034MPa、-40℃纵向全尺寸冲击功≥100J。

上述的140Ksi钢级非开挖钻杆用无缝钢管的制备方法，包括如下步骤：

炼钢：电炉冶炼、炉外精炼、真空处理；其中，采用优质废钢进行冶炼；真空保持时间≥10min；

铸造：连铸；

轧制：环形炉加热、穿孔、PQF连轧、定径；其中，环形炉管坯加热温度控制1260℃～1290℃；

调质热处理：高温炉淬火、水淬、低温炉回火、空冷；其中，高温炉淬火温度890℃～910℃，淬火保温时间20min～30min；淬火介质为水；低温炉回火温度540℃～560℃，回火保温时间60min～80min；回火后空冷。

实施例2

利用实施例1中的方法制备了若干钢管，其具体的化学成分见表1：

表1：实施例钢管的化学成分质量百分数(wt％)

注：其中五害元素总含量均≤0.035％。

轧制方法见表2：

表2：实施例钢管的PQF轧制参数

钢管序号	环形炉温度/℃	毛管尺寸/mm	荒管尺寸/mm	规格/mm
					1	1290	222×19.7	175×9.20	127×9.19
2	1260	222×22	175×11.7	89×11.4
					3	1290	222×19.7	175×10	73.02×9.19
4	1270	222×22	175×10	88.9×9.35
					5	1280	222×19.7	175×9.20	127×9.19
6	1260	222×22	175×11.7	89×11.4
					7	1280	222×19.7	175×10	73.02×9.19
8	1260	222×22	175×10	88.9×9.35

热处理制度见表3：

表3：实施例钢管的热处理工艺参数

钢管序号	淬火温度/℃	淬火保温时间/min	回火温度/℃	回火保温时间/min
					1	900	25	550	60
2	895	22	560	70
					3	900	25	555	60
4	890	28	540	65
					5	905	30	550	75
6	910	20	550	70
					7	900	25	545	80
8	890	20	550	70

力学性能见表4：

表4：实施例钢管的力学性能

需要说明的是，表4中-40℃冲击功为非全尺寸冲击功，需要按照相关标准系数换算成全尺寸冲击，比如：纵向冲击尺寸为10×7.5的冲击功为88J，换算成纵向冲击尺寸为10×10的冲击功就是88/0.8＝110J，其中，系数0.8参照API SPEC 5DP《钻杆规范》，因此本实施例中钢管的-40℃全尺寸冲击功满足本发明设计需求。

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 (4)

1.140Ksi钢级非开挖钻杆用无缝钢管，其特征在于，所述钢管包括如下重量百分比的各组分：

C：0.24％～0.27％；Si：0.17％～0.35％；Mn：0.85％～1.10％；Cr：0.80％～0.90％；Mo：0.13％～0.18％；Al：0.010％～0.035％；Ca：0.0010％～0.0030％；P：≤0.015％；S：≤0.004％；H：≤0.0002％；Pb、Sn、As、Sb、Bi总量≤0.0350％；其余为铁和不可避免杂质。

2.根据权利要求1所述的140Ksi钢级非开挖钻杆用无缝钢管，其特征在于：所述钢管中Pb：≤0.0100％；Sn：≤0.0150％；As：≤0.0150％；Sb：≤0.0100％；Bi：≤0.0100％。

3.根据权利要求1所述的140Ksi钢级非开挖钻杆用无缝钢管，其特征在于：所述钢管屈服强度≥965MPa，抗拉强度≥1034MPa、-40℃纵向全尺寸冲击功≥100J。

4.权利要求1-3任一项所述的140Ksi钢级非开挖钻杆用无缝钢管的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

炼钢：电炉冶炼、炉外精炼、真空处理；其中，采用优质废钢进行冶炼；真空保持时间≥10min；

铸造：连铸；

轧制：环形炉加热、穿孔、PQF连轧、定径；其中，环形炉管坯加热温度控制1260℃～1290℃；

调质热处理：高温炉淬火、水淬、低温炉回火、空冷；其中，高温炉淬火温度890℃～910℃，淬火保温时间20min～30min；淬火介质为水；低温炉回火温度540℃～560℃，回火保温时间60min～80min；回火后空冷。