CN116926413A - 一种n80钢级油井管及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种N80钢级油井管，其各化学元素质量百分含量为：C：0.23～0.38％，Si：0.1～0.5％，Mn：1.0～1.5％，余量为Fe和不可避免的杂质元素；所述N80钢级油井管的微观组织为回火索氏体。相应地，本发明还公开了上述N80钢级油井管的制造方法，其包括步骤：(1)冶炼和连铸，以制得管坯；(2)管坯加热：管坯在1180℃～1230℃的环形炉中加热保温；(3)穿孔；(4)连轧；(5)连轧后冷却：连轧后的荒管冷却至500℃～560℃再进入下述步骤(6)的再加热工艺；(6)再加热炉内再加热：在900℃～930℃的再加热炉中保温；(7)张力减径和冷却；(8)调质处理和热矫直。

Description

一种N80钢级油井管及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种管材及其制造方法，尤其涉及一种油井管材及其制造方 法。
背景技术
近年来，随着我国油气行业的迅速发展，市场和用户对于油气专用管材的 需求量也开始逐年增加。其中，N80钢级油井管作为当前应用占比量很大的油 气用管材，研究人员对其的研究从未停止。
根据API标准要求，N80钢级石油钢管除了对硫、磷元素含量有要求外， 对其它化学成分、热处理工艺均未作规定。
因此，在当前现有技术中，各钢厂通过制定不同的钢种成分、轧制工艺以 及热处理工艺，已经生产出了众多满足API要求的N80钢级石油管。
例如：公开号为CN101020986A，公开日为2007年8月22日，名称为“非 调质钢生产N80钢级石油管及其工艺”的中国专利文献，公开了一种非调质钢 生产N80钢级石油管及其工艺，其通过研究V、N微合金元素、控轧控冷工艺 等对性能的影响，发明了一种新的非调质钢34Mn2VN。该技术方案尽管取消 了热处理工艺，减少了生产工序和周期，但其合金用量相对较多，其所得的非 调质钢的性能虽然满足标准要求，但性能提升不多。
又例如：公开号为CN101319292A，公开日为2008年12月10日，名称 为“高韧性N80油套管及制造方法”的中国专利文献，公开了一种高韧性N80 油套管及制造方法，其采用传统工艺通过控制合金用量，实现了在降低成本的 同时，获得高韧性N80油套。但这种技术方案所得到的高韧性N80油套管的 性能，较标准要求提高不多。
再例如：公开号为CN102534375A，公开日为2012年7月4日，名称为 “一种N80级含Nb贝氏体油套管用钢及其管材制造方法”的中国专利文献， 公开了一种N80级含Nb贝氏体油套管用钢及其管材制造方法，其通过加入较 多的Nb元素，进而提高管材的韧性、焊接性能和耐腐蚀性能，但该技术方案 所具体采用的制造工艺周期很长，空冷后需缓冷保温48h。
发明内容
本发明的目的之一在于提供一种新的N80钢级油井管，该N80钢级油井 管产品相较于传统工艺生产的同钢级油井管，其晶粒度细化且均匀，力学性能 更加优异和稳定，且合金成本更低，其屈服强度≥680MPa，抗拉强度为 770～860MPa，延伸率≥21％；0℃冲击功KV2≥150J。
该N80钢级油井管适用性相当广泛，其成本低廉，可有效应用于油气开采 用管领域中，并用作石油天然气开采中所用的油管、套管、钻杆，具有十分重 要的现实意义。
为了实现上述目的，本发明提供了一种N80钢级油井管，其各化学元素质 量百分含量为：
C：0.23～0.38％，Si：0.1～0.5％，Mn：1.0～1.5％，余量为Fe和不可避 免的杂质元素；
所述N80钢级油井管的微观组织为回火索氏体。
在本发明所述的N80钢级油井管中，各化学元素的设计原理如下所述：
C：在本发明所述的N80钢级油井管中，C是提高钢种强度、硬度及淬透 性的重要元素。发明人研究发现，当钢中C元素添加量过少，C含量小于0.23％ 时，则难以保证钢材的强度。而当钢中添加过量的C，C含量大于0.38％后， 则在淬火时容易出现裂纹，同时还会增大M23C6等晶界粗大碳化物的析出倾向。 基于此，考虑到C元素对油井管钢材性能的影响，为发挥C元素的有益效果， 在本发明所述的N80钢级油井管中，将C元素的质量百分含量控制在0.23～0.38％之间。
Si：在本发明所述的N80钢级油井管中，Si元素可以起到固溶强化和脱氧 的作用，有利于提高钢的强度。此外，钢中添加适量的Si，还能增加钢的淬透 性，并且抑制碳化物的析出。但需要注意的是，钢中Si元素含量不宜过高， 当钢中Si含量超过0.5％时，会促进σ相和碳化物的形成，增加钢材的冷脆倾 向，进而影响钢材的性能，降低钢材的塑性和韧性。因此，为了发挥Si元素 的有益效果，在本发明所述的N80钢级油井管中，将Si元素的质量百分含量 控制在0.1～0.5％之间。
Mn：在本发明所述的N80钢级油井管中，Mn元素具有扩大奥氏体相区， 增加淬透性，细化晶粒等诸多有益效果。钢中加入适量的Mn元素可以改善钢 材的性能，但Mn元素含量不宜过高，过多的Mn也会促进σ相和碳化物的形 成，且凝固时易发生偏析，导致产品中存在与基体硬度、析出相有明显差异的 带状组织。此外，当钢中Mn元素含量过高时，还会增加钢材的过热敏感性， 在稍有过热的情况下，晶粒就发生粗化，因此需要限制Mn含量在1.5％以下。 基于此，为了发挥Mn元素的有益效果，在本发明所述的N80钢级油井管中， 将Mn元素的质量百分含量具体控制在1.0～1.5％之间。
进一步地，在本发明所述的N80钢级油井管中，其还含有残留元素Cu≤ 0.1％，Ni≤0.1％，Cr≤0.15％，Mo≤0.05％，V≤0.01％，Nb≤0.01％，Al≤0.03％， Ti≤0.02％。
在本发明所述的N80钢级油井管中，Cu、Ni、Cr、Mo、V、Nb、Al以及 Ti均属残留的伴生元素，为了不影响N80钢级油井管的性能，可以进一步优 选地控制这些元素的质量百分含量上限。
Cu：在本发明中，Cu是钢中的伴生元素，当钢中Cu元素含量过高时，会 影响油井管钢材的力学性能，因此，需控制Cu元素的质量百分含量不大于 0.1％。
Ni：在本发明中，Ni是钢中的伴生元素，Ni元素虽然是奥氏体稳定化元 素且本身具有很好的耐腐蚀性，但Ni的价格非常昂贵，因此不另外添加，并 控制Ni元素的质量百分含量不大于0.1％。
Cr：在本发明中，Cr是钢中的伴生元素，当钢中Cr元素含量过高时，有 析出σ相的危险，且会降低油井管钢材的热加工性能，因此，需控制Cr元素 的质量百分含量不大于0.15％。
Mo：在本发明中，Mo是钢中的伴生元素，当钢中Mo元素含量过高时， 极易导致高温δ铁素体形成，且降低油井管钢材的热加工性能，提高油井管钢 材的成本，因此，需控制Mo元素的质量百分含量不大于0.05％。
V：在本发明中，V是钢中的伴生元素，V本身为强碳化物元素，其碳化 物的弥散析出强化能提高钢材的强度，但钢中V含量过高时会形成粗大的碳化 物，且V的价格较高，因此不另外添加，并控制V元素的质量百分含量不大 于0.01％。
Nb：在本发明中，Nb是钢中的伴生元素，Nb是有效的细化晶粒元素，其 可以提高钢材的强韧性，但Nb的价格高昂，因此不另外添加，并控制Nb元 素的质量百分含量不大于0.01％。
Al：在本发明中，Al是钢中的伴生元素，当钢中Al元素含量过高时，会 对浇铸过程产生不利影响，因此需限制其含量，并控制Al元素的质量百分含 量不大于0.03％。
Ti：在本发明中，Ti是钢中的伴生元素，当钢中Ti元素含量过高时，会 显著降低钢材的冲击韧性，因此需限制其含量，并控制Ti元素的质量百分含 量不大于0.02％。
进一步地，在本发明所述的N80钢级油井管中，在不可避免的杂质元素中， P≤0.02％，S≤0.015％。
在上述技术方案中，P、S均是本发明所述的N80钢级油井管中的杂质元 素，在技术条件允许情况下，为了获得性能更好且质量更优的钢材，应尽可能 降低N80钢级油井管中杂质元素的含量。
当钢中含有过量的P、S杂质元素时，会对钢材的热加工性、纯净度、韧 性等都有不利影响。因此，在本发明所述的N80钢级油井管中，将P、S的质 量百分含量控制为：P≤0.02％，S≤0.015％。
进一步地，在本发明所述的N80钢级油井管中，其回火索氏体晶粒度≥9 级。
进一步地，在本发明所述的N80钢级油井管中，其屈服强度≥680MPa， 抗拉强度为770～860MPa，延伸率≥21％；0℃冲击功KV2≥150J。
相应地，本发明的另一目的在于提供本发明上述N80钢级油井管的制造 方法，该制造方法采用了优化设计的工艺，该工艺能降低生产过程中的能耗 和CO2排放，采用该制造方法所获得的N80钢级油井管，不仅具有优异且稳 定的力学性能，还具有均匀且细小的晶粒度。
为了实现上述目的，本发明提出了上述N80钢级油井管的制造方法，其包 括步骤：
(1)冶炼和连铸，以制得管坯；
(2)管坯加热：管坯在1180℃～1230℃的环形炉中加热保温；
(3)穿孔；
(4)连轧；
(5)连轧后冷却：连轧后的荒管冷却至500℃～560℃再进入下述步骤(6)；
(6)再加热炉内再加热：在900℃～930℃的再加热炉中保温；
(7)张力减径和冷却；
(8)调质热处理和热矫直。
在本发明上述的技术方案中，本发明采用了合理的制造方法，该制造方 法对制造工艺进行了优化设计，其能够降低生产过程中的能耗和CO2排放。
在本发明的制造方法中，相较其它专利文献，本发明在步骤(2)的管坯 加热时降低了环形炉的炉温，其环形炉炉温控制在1180℃～1230℃之间，能够 保证在生产顺行的前提下，有效抑制钢种晶粒在高温下的长大。
此外，在现有的其它现有技术中，在制备N80钢级油井管时，均是控制连 轧后的荒管直接进再加热炉保温加热。而本发明在步骤(4)的连轧工序后， 进一步添加了步骤(5)的连轧后冷却工序，以使钢种能够发生相变，粗大的 奥氏体晶粒重新形核，可有效减小晶粒尺寸。
另外，同时和其它现有技术相比，在本发明步骤(6)的再加热工艺中， 发明人设计再加热炉炉温为900℃～930℃，其降低了再加热炉炉温，从而在保 证生产顺行的前提下，有效抑制钢种晶粒在高温下的长大。
需要说明的是，再加热后的荒管经张力减径后，可以在冷床上空冷至室温， 随后需要对荒管进行调质热处理和热矫直，最终能够得到回火索氏体组织的 N80钢级油井管。
当然，在实际应用过程中，为了满足具体应用需求，还可以根据需求进一 步对获得的N80钢级油井管进行螺纹加工。
进一步地，在本发明所述的制造方法中，在步骤(2)中，保温时间为 1.5-2.5h。
进一步地，在本发明所述的制造方法中，在步骤(6)中，保温时间为 10-30min。
进一步地，在本发明所述的制造方法中，在步骤(7)中，张力减径后在 冷床上空冷至室温。
进一步地，在本发明所述的制造方法中，还包括步骤(9)螺纹加工。
相较于现有技术，本发明所述的N80钢级油井管及其制造方法具有如下所 述的优点以及有益效果：
本发明提供一种新的N80钢级油井管，该N80钢级油井管产品相较于传 统工艺生产的同钢级油井管，其晶粒度细化且均匀，力学性能更加优异和稳定， 且合金成本更低，其屈服强度≥680MPa，抗拉强度为770～860MPa，延伸率≥ 21％；0℃冲击功KV2≥150J。
相应地，本发明还优化设计了一种制备上述合金成本低廉的N80钢级油井 管的制造方法，该制造方法通过降低环形炉和再加热炉炉温，在降低能耗、减 少CO2排放的同时，使得产品晶粒细化且均匀，从而提升了N80钢级油井管 产品的强度、韧性等力学性能，使其性能更加稳定。
该N80钢级油井管适用性相当广泛，其成本低廉，可有效应用于油气开采 用管领域中，并用作石油天然气开采中所用的油管、套管、钻杆，具有十分重 要的现实意义。
具体实施方式
下面将结合具体的实施例对本发明所述的N80钢级油井管及其制造方法 做进一步的解释和说明，然而该解释和说明并不对本发明的技术方案构成不当 限定。
实施例1-6和对比例1-6
表1列出了实施例1-6的N80钢级油井管和对比例1-6的对比油井管的各 化学元素的质量百分配比。
表1.(wt％，余量为Fe和除P、S以外其他不可避免的杂质)
在本发明中，本发明所述实施例1-6的N80钢级油井管和对比例1-6的对 比油井管均采用以下步骤制得：
(1)按照表1所示的化学成分进行冶炼和连铸，以制得管坯。
(2)管坯加热：管坯在1180℃～1230℃的环形炉中加热保温，控制保温 时间为1.5-2.5h，以保证管坯受热均匀。
(3)穿孔：加热后的管坯在穿孔机上穿孔，得到毛管。
(4)连轧：毛管经连轧机组轧制以得到荒管。
(5)连轧后冷却：连轧后的荒管在螺旋冷床上冷却至500℃～560℃再进 入再加热炉，进行下述步骤(6)。
(6)再加热炉内再加热：荒管在900℃～930℃的再加热炉中保温，控制 保温时间为10-30min。
(7)张力减径和冷却：加热后的荒管经张力减径，控制张减前荒管外表 面温度在810℃左右，并在冷床上空冷至室温。
(8)经调质处理(在880-950℃保温30-60min，水淬后在550-650℃回火 保温40-80min)后，再在400-500℃进行热矫直。
(9)螺纹加工，最终获得成品油井管。
在本发明中，实施例1-6的N80钢级油井管的化学成分设计以及相关工艺 均满足本发明设计规范要求。为了体现本发明设计的N80钢级油井管的成分设 计以及制造工艺的优越性，在设计时，发明人设计了六个对比例油井管，即对 比例1-6进行比对。
而对比例1-6的对比油井管虽然也是采用上述步骤(1)-(6)的工艺流程 进行制备，但是其在化学成分设计以及相关工艺中存在不满足本发明设计要求 的参数。
表2列出了实施例1-6的N80钢级油井管和对比例1-6的对比油井管的在 上述制造方法中的部分工艺参数。
表2.
从上述表1和表2不难看出，在本发明中，对比例1的对比油井管与实施 例1的N80钢级油井管的化学元素成分设计相同，但其再加热炉温度不满足设 计要求；对比例2的对比油井管与实施例2的N80钢级油井管的化学元素成分 设计相同，但其进入再加热炉前的温度不满足设计要求；对比例3的对比油井 管与实施例3的N80钢级油井管的化学元素成分设计相同，但其环形炉温度不 满足设计要求。
与对比例1-3不同的是，对比例4-6则是在化学成分设计时存在不足。其 中，对比例4的对比油井管的C元素含量低于设计范围；对比例5的对比油井 管的Si元素含量超出设计范围；对比例6的对比油井管的Mn元素含量超出设 计范围。
将通过上述工艺步骤得到的成品实施例1-6的N80钢级油井管和对比例 1-6的对比油井管分别取样，并进行观察和分析，以获得各实施例和对比例油 井管的微观组织以及回火索氏体晶粒度，并将观察分析的结果列于下述表3之 中。
表3列出了实施例1-6的N80钢级油井管和对比例1-6的对比油井管的微 观组织和回火索氏体晶粒度。
表3.
通过对实施例1-6的N80钢级油井管的微观组织观察可知，实施例1-6的 N80钢级油井管的微观组织均为回火索氏体，且其回火索氏体晶粒度达到9级。
相应地，完成上述观察和分析后，需要对成品实施例1-6的N80钢级油井 管和对比例1-6的对比油井管再次取样，并对各实施例和对比例油井管样品的 力学性能进行检测，所得的力学性能检测结果列于表4中。
相关性能检测手段如下所述：
(1)室温拉伸试验：依据《GB/T 228.1-2010金属材料拉伸试验第1部 分：室温拉伸试验方法》，获得实施例1-6和对比例1-6的油井管在室温下的 屈服强度、抗拉强度、延伸率，检测结果见表4。
(2)0℃V缺口夏氏冲击试验：依据《GB/T 229-2020金属材料夏比摆 锤冲击试验方法》，控制为10×10×55mm全尺寸试样，以检测获得实施例 1-6和对比例1-6的油井管在0℃下的冲击性能AKV，即0℃冲击功KV2，其 检测结果见表4。
表4列出了实施例1-6的N80钢级油井管和对比例1-6的对比油井管的力 学性能检测结果。
表4.
在上述表4中，各实施例和对比例的各列力学性能所表示的“范围”均表 示的是：对同一实施例进行多次测量而得到的多个值所处于的范围。
从表4可以看出，相较于对比例1-6的对比油井管，实施例1-6的N80钢 级油井管的综合力学性能明显更优。本发明所述实施例1-6的N80钢级油井管 产品的晶粒细小且均匀，其力学性能优异且稳定，可用作石油天然气开采中所 用的油管、套管、钻杆。
如表4所示，在本发明中，实施例1-6的N80钢级油井管屈服强度的均值 在683-741MPa之间，其抗拉强度均值在778～853MPa之间，其延伸率的均值 在21.5-25％之间，其在0℃的冲击功KV2均值在151-169J之间。
而对比例1的对比油井管的再加热炉温度高于本发明所设计的范围，易导 致晶粒长大，引起力学性能的下降。
对比例2的对比油井管在进再加热炉之前的温度高于本发明所设计的范 围，其材料未发生相变，没有起到细化、均匀晶粒的作用，力学性能下降明显， 且波动很大。
对比例3的对比油井管的环形炉温度高于本发明所设计的范围，易导致晶 粒长大，引起力学性能的下降。
对比例4的对比油井管的C含量低于本发明所设计的范围，其对钢种的强 化作用不够，尽管平均屈服强度和平均抗拉强度在标准要求性能范围之内，但 是个别案例的强度却低于API 5CT标准。
对比例5的对比油井管的Si含量高于本发明所设计的范围，其增加了钢 的冷脆倾向，易产生淬火裂纹，导致延伸率低于API 5CT标准。
对比例6的对比油井管的Mn含量高于本发明所述范围，易促进σ相和碳 化物的形成，且发生偏析造成产品中存在带状组织，导致塑性和韧性低于API 5CT标准。
综上所述可以看出，本发明所设计的这种N80钢级油井管的制造工艺降 低了能耗和CO2排放，同时生产出的N80钢级油井管产品合金成本低廉、力 学性能优异且稳定，其可较好地应用于油气开采，具有良好的应用前景。
需要说明的是，本案中各技术特征的组合方式并不限本案权利要求中所记 载的组合方式或是具体实施例所记载的组合方式，本案记载的所有技术特征可 以以任何方式进行自由组合或结合，除非相互之间产生矛盾。
还需要注意的是，以上所列举的实施例仅为本发明的具体实施例。显然本 发明不局限于以上实施例，随之做出的类似变化或变形是本领域技术人员能从 本发明公开的内容直接得出或者很容易便联想到的，均应属于本发明的保护范 围。

Claims (10)

1.一种N80钢级油井管，其特征在于，其各化学元素质量百分含量为：
C：0.23～0.38％，Si：0.1～0.5％，Mn：1.0～1.5％，余量为Fe和不可避免的杂质元素；
所述N80钢级油井管的微观组织为回火索氏体。
2.如权利要求1所述的N80钢级油井管，其特征在于，其还含有残留元素Cu≤0.1％，Ni≤0.1％，Cr≤0.15％，Mo≤0.05％，V≤0.01％，Nb≤0.01％，Al≤0.03％，Ti≤0.02％。
3.权利要求1所述的N80钢级油井管，其特征在于，在不可避免的杂质元素中，P≤0.02％，S≤0.015％。
4.如权利要求1所述的N80钢级油井管，其特征在于，其回火索氏体晶粒度≥9级。
5.如权利要求1所述的N80钢级油井管，其特征在于，其屈服强度≥680MPa，抗拉强度为770～860MPa，延伸率≥21％；0℃冲击功KV2≥150J。
6.如权利要求1-5中任意一项所述的N80钢级油井管的制造方法，其特征在于，其包括步骤：
(1)冶炼和连铸，以制得管坯；
(2)管坯加热：管坯在1180℃～1230℃的环形炉中加热保温；
(3)穿孔；
(4)连轧；
(5)连轧后冷却：连轧后的荒管冷却至500℃～560℃再进入下述步骤(6)；
(6)再加热炉内再加热：在900℃～930℃的再加热炉中保温；
(7)张力减径和冷却；
(8)调质热处理和热矫直。
7.如权利要求6所述的制造方法，其特征在于，在步骤(2)中，保温时间为1.5-2.5h。
8.如权利要求6所述的制造方法，其特征在于，在步骤(6)中，保温时间为10-30min。
9.如权利要求6所述的制造方法，其特征在于，在步骤(7)中，张力减径后在冷床上空冷至室温。
10.如权利要求6-9中任意一项所述的制造方法，其特征在于，还包括步骤(9)螺纹加工。
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