CN116970869A - 无缝钢管材及制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种无缝钢管材及制备方法和应用。无缝钢管材的化学成分包括：C、0.18～0.26％，Si≤0.35％，Mn、0.50～1.00％，Cr、0.8～1.2％，Mo、0.35～0.5％，V、0.1～0.16％，W、0.45～0.70％，Al≤0.05％，Ca≤0.005％，N≤0.010％，S≤0.005％，P≤0.010％，Cu≤0.15％，Ti≤0.015％，Ni≤0.25％，O≤0.0020％，H≤0.0002％，As≤0.015％，Sn≤0.010％，Pb≤0.010％，Sb≤0.010％，Bi≤0.010％。在低成本下即可使管材同时兼顾高强度、高韧性、高抗挤毁性能和耐高温性能。

Description

无缝钢管材及制备方法和应用
技术领域
本发明涉及冶金技术领域，具体而言，涉及一种无缝钢管材及制备方法和应用。
背景技术
目前，无缝钢管材在140Ksi射孔枪管及140v套管中的应用非常广泛。其中：
(一)对于射孔枪管而言
射孔是石油勘探与开发系统工程中极其重要的一项技术，是提高油气井采收率的重要手段之一。射孔作业中射孔枪管作为弹架对射孔方向进行定位，保护射孔火工器件不受井内流体浸泡、承受压力和减轻射孔作业时对井下套管的损害，并在爆炸过程中保护油层套管。由于其工作条件恶劣，枪管除了受介质腐蚀、井温及压力的影响外，主要威胁来自射孔弹发射时产生的高压及巨大冲击波，因此对射孔枪管的质量、强度和韧性要求非常严格。
对于射孔枪管的要求不仅只是抗压能力强，而且还需要射孔枪管可抵御深井和射孔弹发射时产生的高压环境，而且抗膨胀变形能力强，有效防止卡井现象发生。此外，除了对射孔枪管的强度有所要求以外，也期望能够降低枪体壁厚，提高射孔质量。因此，射孔枪管在要求高强度的同时也需具有高的韧性匹配，因为高强度射孔枪管韧性不足，尤其是横向冲击韧性低时会导致射孔孔眼毛刺高甚至枪体开裂，造成卡井等事故。随着井深的增深，所用的套管强度越高，所以所需的射孔爆炸力也越大，对射孔枪管本身的强度要求也越高。国内对超深井射孔器材展开的研究不多，材质的选用上也集中于32CrMo4、35CrMo等常规低合金钢种，主要是通过增加射孔枪管的壁厚以提升钢管的抗挤强度。
例如，CN 107841681 B提供了一种射孔枪的制造方法，主要是钢管热处理采取了在AC1～至AC3温度之间进行亚温淬火的方式最终得到的射孔枪钢管材料，该方法现场大批量生产控制复杂，工艺稳定性差。CN108118251A专利提供了一种高强度射孔枪的制造方法，在这个专利中设计的Mo含量为0.3～0.7％，不含W，按照该方法制造的钢管性能不能同时满足室温的屈服强度>965MPa，抗拉强度≥1034Mpa和0℃全尺寸(10×10mm)V型缺口横向(T)冲击功≥80J要求。专利CN201510234477.0公开了一种高钢级的射孔枪管和成型方法，碳含量低，而Mo含量在1.0左右，含有W等合金元素，成本昂贵，在880～920℃温度下进行水淬后极易弯曲，生产难度极大。CN108251747A提供了一种起重机臂架用钢管及其制造方法，按重量百分比计，钢管成分包括0.11～0.15％的C、0.28～0.76％的Si、0.92～1.20％的Cr元素、1.10～1.20％的Mn、0.50～0.60％的Mo元素、0.056～0.12％的V元素、0.039～0.12％的Nb元素、0.565～1.23％的W元素、0.34～1.32％的Ni元素及0～0.005％的N元素，该专利的W含量较高，且含有较多的Ni、Nb，合金元素较多，合金元素相互作用和干扰性较大，最终产品性能不可控，同时该专利由于含较高的合金，材料制造成本较高。
(二)对于140v套管而言
超深井油套管具有重大的经济效益和市场应用前景。超深井的建设不仅需要油套管有更高强度，对韧性和防腐蚀性能也提出了更高的要求。140v套管的要求不仅仅是高强度，同时也需具有高韧性、高抗挤毁性能和优异的耐高温性能匹配。在新钢种的开发上，着重点就是解决高强与高韧之间的矛盾，性能和生产成本之间的矛盾。
综上，在石油勘探与开发系统工程中，对于应用在140Ksi射孔枪管及140v套管中的无缝钢管材，现有技术难以在较低成本下获得综合性能优异(诸如高强度、高韧性、高抗挤毁性能和优异的耐高温性能匹配)的无缝钢管材。故而，有必要提供一种无缝钢管材，使其在较低成本需求下即可兼具上述优异性能。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种无缝钢管材及制备方法和应用，以解决现有技术无法在较低成本需求下获得综合性能优异(诸如高强度、高韧性、高抗挤毁性能和优异的耐高温性能匹配)的无缝钢管材。
为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种无缝钢管材，按重量百分比计，无缝钢管材的化学成分包括：C、0.18～0.26％，Si≤0.35％，Mn、0.50～1.00％，Cr、0.8～1.2％，Mo、0.35～0.5％，V、0.1～0.16％，W、0.45～0.70％，Al≤0.05％，Ca≤0.005％，N≤0.010％，S≤0.005％，P≤0.010％，Cu≤0.15％，Ti≤0.015％，Ni≤0.25％，O≤0.0020％，H≤0.0002％，As≤0.015％，Sn≤0.010％，Pb≤0.010％，Sb≤0.010％，Bi≤0.010％，余量为铁和不可避免的杂质。
进一步地，按重量百分比计，无缝钢管材的化学成分包括：C、0.18～0.26％，Si、0.15～0.35％，Mn、0.65～0.85％，Cr、0.8～1.2％，Mo、0.35～0.5％，V、0.1～0.16％，W、0.45～0.70％，Al、0.008～0.04％，Ca≤0.005％，N≤0.008％，S≤0.005％，P≤0.010％，Cu≤0.15％，Ti≤0.015％，Ni≤0.25％，O≤0.0020％，H≤0.0002％，As≤0.015％，Sn≤0.010％，Pb≤0.010％，Sb≤0.010％，Bi≤0.010％，余量为铁和不可避免的杂质；优选地，W与Mo之间的重量比为0.50～0.82：1。
进一步地，无缝钢管材的金相组织包括回火索氏体和奥氏体，奥氏体的体积含量≤5％；优选地，无缝钢管材的晶粒度大于7级。
为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种前述的无缝钢管材的制备方法，其包括：按照化学计量比对原料依次进行冶炼、铸造、轧制和调质热处理，得到无缝钢管材。
进一步地，轧制过程中的轧制比≥3，优选为5～10；优选地，轧制过程包括初轧和终轧，控制初轧的温度为1100～1250℃，终轧的温度为830～950℃。
进一步地，调质热处理包括：将轧制后管坯依次进行淬火、回火和热矫直，以得到无缝钢管材；优选地，淬火包括先使物料在880～940℃温度条件下保温处理30～90min后再使物料快速淬火冷却至室温；优选地，回火包括先使物料在660～720℃温度条件下保温处理40～100min后再使物料空冷；优选地，热矫直的处理温度为450～600℃。
进一步地，淬火冷却采用的冷却介质为水；优选地，淬火冷却过程中，物料的冷却速度为40～80℃/s。
进一步地，冶炼的方式为真空感应冶炼、电弧炉冶炼或转炉冶炼中的一种。
根据本发明的另一方面，提供了一种140Ksi射孔枪管，140Ksi射孔枪管的管材为前述的无缝钢管材，或者由前述的制备方法制备得到的无缝钢管材。
根据本发明的另一方面，提供了一种140v套管，140v套管的管材为前述的无缝钢管材，或者由前述的制备方法制备得到的无缝钢管材。
应用本发明的技术方案，在较低成本下即可使无缝钢管综合性能优异(诸如高强度、高韧性、高抗挤毁性能和优异的耐高温性能匹配)。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1示出了本发明实施例3中钢管的金相组织测试图。
具体实施方式
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。下面将结合实施例来详细说明本发明。
正如本申请背景技术部分所描述的，现有技术无法在较低成本需求下即可获得综合性能优异(诸如高强度、高韧性、高抗挤毁性能和优异的耐高温性能匹配)的无缝钢管材。为了解决这一问题，本申请提供了一种无缝钢管材，无缝钢管材的化学成分包括：C、0.18～0.26％，Si≤0.35％，Mn、0.50～1.00％，Cr、0.8～1.2％，Mo、0.35～0.5％，V、0.1～0.16％，W、0.45～0.70％，Al≤0.05％，Ca≤0.005％，N≤0.010％，S≤0.005％，P≤0.010％，Cu≤0.15％，Ti≤0.015％，Ni≤0.25％，O≤0.0020％，H≤0.0002％，As≤0.015％，Sn≤0.010％，Pb≤0.010％，Sb≤0.010％，Bi≤0.010％，余量为铁和不可避免的杂质。
本发明通过特定的原料成分设计，在较低成本下即可使无缝钢管综合性能优异(诸如高强度、高韧性、高抗挤毁性能和优异的耐高温性能匹配)。为了进一步说明本发明的有益效果，对上述管材中的主要元素进行如下说明：
W的含量控制在0.45～0.70％、Cr的含量控制在0.8～1.2％、Mo的含量控制在0.35～0.5％，在此范围内的Cr、Mo、W形成的碳氮化物的合理组合不仅有效提高了钢材的韧性，还可在后续较高的回火温度的情况下使材料获得较高的强度性能。同时，本申请上述成分不含Ni和Nb，利用少量的Cr、Mo、W元素的合理配方即以低成本制备得到了高性能的无缝钢管，材料制造成本较低。C含量控制在0.18～0.26％，基于此，在保证材料高强度性能的前提下，还可减轻水淬开裂的敏感性。Si：固溶于铁素体以提高钢的屈服强度，但同时会损失塑性和韧性。为了和其他元素协同配合以使材料同时兼顾高强度性能及高韧性性能，按重量百分比，Si含量≤0.35％。Mn：主要溶于铁素体起强化作用，用来提高钢的淬透性，但含量太高时偏析严重，对材料的横向冲击影响较大。为了和其他元素协同配合以使材料在具有优异的淬透性的前提下，横向冲击影响也较小，按重量百分比，Mn含量控制在0.50～1.00％。Cr：能够强烈提高淬透性元素，强碳化物形成元素，回火时析出碳化物提高钢的强度，有利于提高材料的高温强度和抗挤毁性能，但含量过高时会析出粗大M23C6碳化物，丧失其有利效果。为了平衡材料的高温强度和抗挤毁性能，按重量百分比，Cr含量控制在0.8～1.2％。V：强碳氮化物形成元素，钒的碳氮化物在铁素体中细小弥散析出，可以在回火过程中进一步达到析出强化的效果，可以有效地钉扎位错的运动，延缓压溃失稳的过程，从而有效地提高材料的高温强度和抗挤毁性能。但V的碳化物要在高于500℃回火时才容易析出，因此，在当前的常规的回火温度条件下，为了使V的作用充分发挥，按重量百分比，将V含量控制在0.1～0.16％。Al：传统脱氧固氮元素，形成的AlN可以细化奥氏体晶粒，有利于延缓压溃失稳过程，按重量百分比，Al≤0.05％。Ca：可以净化钢液，促使MnS球化，提高材料的抗挤性能，但含量过高时易形成粗大的非金属夹杂物，故而为平衡材料综合性能，按重量百分比，将Ca≤0.005％。
需要说明的是，高强度与高韧性是一种矛盾关系。而本申请正是基于上述元素在特定用量的协同作用下，得到了较低位错密度的索氏体组织和高密度的纳米尺寸析出相，二者相辅相成才使得材料可以同时兼顾高强度、高韧性、高抗挤毁性能和优异的耐高温性能。
本申请上述钢材可达到以下优异效果：
(1)在室温的屈服强度≥965MPa，抗拉强度≥1034MPa；0℃全尺寸(10×10mm)V型缺口冲击功横向(T)≥80J，纵向(L)≥100J。
(2)在温度升高至400℃，强度下降不超过15％，可以在最高250℃环境下使用。
(3)在后续应用在射孔枪管中时，管体射孔后膨胀≤4.5mm，可以保证管体射孔不开裂。
为了进一步平衡材料的制造成本及刚性和抗高温性能，在一种优选的实施方式中，按重量百分比计，无缝钢管材的化学成分包括：C、0.18～0.26％，Si、0.15～0.35％，Mn、0.65～0.85％，Cr、0.8～1.2％，Mo、0.35～0.5％，V、0.1～0.16％，W、0.45～0.70％，Al、0.008～0.04％，Ca≤0.005％，N≤0.008％，S≤0.005％，P≤0.010％，Cu≤0.15％，Ti≤0.015％，Ni≤0.25％，O≤0.0020％，H≤0.0002％，As≤0.015％，Sn≤0.010％，Pb≤0.010％，Sb≤0.010％，Bi≤0.010％，余量为铁和不可避免的杂质。进一步优选地，W与Mo之间的重量比为0.50～0:82：1。
为了进一步促使材料获得上述优异的综合性能，在一种优选的实施方式中，无缝钢管材的金相组织包括回火索氏体和奥氏体，奥氏体的体积含量≤5％。优选地，无缝钢管材的晶粒度大于7级。
本申请还提供了一种前述的无缝钢管材的制备方法，包括：按照化学计量比对原料依次进行冶炼、铸造、轧制和调质热处理，得到无缝钢管。基于前文各项原因，本发明在较低成本下即可使无缝钢管综合性能优异(诸如高强度、高韧性、高抗挤毁性能和优异的耐高温性能匹配)。
为了进一步促使材料的金相组织均匀致密，在一种优选的实施方式中，轧制过程中的轧制比(定义：工件在轧制变形前后的的截面积比值，钢管热轧的轧制比＝轧制所用的管坯的截面积/轧制后钢管的截面积)≥3，优选为5～10。为了进一步提高材料的机械性能，在一种优选的实施方式中，轧制过程包括初轧和终扎，控制初轧的温度为1100～1250℃，终轧的温度为830～950℃。
为了进一步平衡材料的韧性及强度性能，在一种优选的实施方式中，调质热处理包括：将轧制后料依次进行淬火、回火和热矫直，以得到无缝钢管。基于钢材的成分，本申请进一步优化调质热处理工艺，通过调质热处理工艺有效控制材料金相组织的组成，从而降低位错密度，在使材料具有高强度的前提下还大幅度提高了其韧性。优选地，热矫直的处理温度为450～600℃。
在一种优选的实施方式中，淬火包括先使物料在880～940℃温度条件下保温处理30～90min后再使物料快速淬火冷却(快速淬火冷却是指大于空冷的速度，通常物料的冷却速度在20℃/s以上)至室温，通过内淋外喷水方式使物料冷却至室温(15～50℃)。为了在材料中得到95％以上的马氏体，在一种优选的实施方式中，淬火冷却采用的冷却介质为水。优选地，冷却过程中，物料的冷却速度为40～80℃/s。
在一种优选的实施方式中，回火包括先使物料在660～720℃温度条件下保温处理40～100min后再使物料空冷。根据原料的化学成分不同，会导致热处理的回火过程中，由于不同的温度条件影响碳化物析出相的生成量，为了满足高强韧性要求，对热处理的回火温度也相应进行调整。为使材料同时具有优异的韧性和强度性能，本申请在660～720℃进行回火，这是基于本申请材料成分中碳含量适中，且有较多的合金，在此温度下进行回火，可以使碳与Mo、W、V等元素充分反应形成相应的碳化物起到充分的析出强化作用。通过高温回火，降低高碳含量下的位错密度，并且使回火后的马氏体板状结构出现回复，合并宽化和多边形化，使大角度晶界(≥15度)增多，冲击过程中的裂纹扩展需要的能量增加，冲击性能增加。
本申请对上述冶炼的方式并不做特殊限定，本领域常用的冶炼方法都可以应用于本发明。为了进一步提高材料的综合性能，在一种优选的实施方式中，上述冶炼方式包括但不限于为真空感应冶炼、电弧炉冶炼或转炉冶炼中的一种。进一步说明的是，采用转炉冶炼方式时，先将原料在电炉里初炼，接着经过炉外精炼，再进行钙处理，然后真空脱气处理，这是本领域技术人员所熟知的，在此不多赘述。
本申请对上述铸造的方式也不做特殊限定，本领域常用的铸造方法都可以应用于本发明。为了进一步提高材料的综合性能，在一种优选的实施方式中，本申请在冶炼后对物料继续进行浇铸或连铸(例如弧形连铸)得到管坯，再将管坯冷却和精整后待用。
本申请对上述轧制的方式也不做特殊限定，领域常用的轧制方法都可以应用于本发明。为了进一步优化材料的组织性能，在一种优选的实施方式中，轧制包括：坯料检验修磨→锯切下料→环形炉加热→锥形辊穿孔→轧管→在线常化→步进炉再加热→定径→冷床冷却。其中，在线常化为细化热轧态的晶粒，也可以采用其他方法，使热轧的晶粒度≥7级，并且晶粒均匀。在线常化：也称为在线正火工艺，通常是指利用在线加热炉将钢重新加热到Ac3或Acm线以上温度后，保温一段时间，使钢的组织转变为奥氏体，然后空冷，有时根据需要还可以吹风或喷雾冷却等，使过冷奥氏体组织转变为珠光体，用于正火的冷却速度较常规正火的冷却速度要快些，因此得到珠光体组织也相应的要细小。
本申请还提供了一种140Ksi射孔枪管，140Ksi射孔枪管的管材为前述的无缝钢管材，或者由前述的制备方法制备得到的无缝钢管材。
基于前文的各项原因，本申请在较低成本下即可使无缝钢管综合性能优异(诸如高强度、高韧性、高抗挤毁性能和优异的耐高温性能匹配)，应用性能更优。
本申请还提供了一种140v套管，140v套管的管材为前述的无缝钢管材，或者由前述的制备方法制备得到的无缝钢管材。
基于前文的各项原因，本申请在较低成本下即可使无缝钢管综合性能优异(诸如高强度、高韧性、高抗挤毁性能和优异的耐高温性能匹配)，应用性能更优。
以下结合具体实施例对本申请作进一步详细描述，这些实施例不能理解为限制本申请所要求保护的范围。
按表1的成分配方分别得到A1～A12共12个实施例以及B1～B9共9个对比例。
表1
实施例中工艺参数见表2。
表2
性能表征：
参照GB/T 228金属材料拉伸试验对物料进行机械性能测试。
参照GB/T 229金属材料夏比摆锤冲击试验方法对物料进行横向冲击功测试。
参照SY/T6328石油天然气工业一套管、油管、钻杆和管线管性能计算进行抗挤毁强度计算，API 5C3标准中，3.1.2条款中公式(3)。
A＝3.297
B＝0.0971
C＝3751
生产钢管规格139.7×9.17。
晶粒度：GB/T 6394。
测试结果见表3。
表3
从表3可以看出，本发明所提供的无缝钢管材在高温时强度下降较少，400℃时下降不超过14％，能较好地满足其在高温井下的使用安全。对实施例3的无缝钢管材进行金相观察，结果表明本发明钢获得的显微组织为回火索氏体+3％的残余奥氏体，见图1。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，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。

Claims (10)

1.一种无缝钢管材，其特征在于，按重量百分比计，所述无缝钢管材的化学成分包括：C、0.18～0.26％，Si≤0.35％，Mn、0.50～1.00％，Cr、0.8～1.2％，Mo、0.35～0.5％，V、0.1～0.16％，W、0.45～0.70％，Al≤0.05％，Ca≤0.005％，N≤0.010％，S≤0.005％，P≤0.010％，Cu≤0.15％，Ti≤0.015％，Ni≤0.25％，O≤0.0020％，H≤0.0002％，As≤0.015％，Sn≤0.010％，Pb≤0.010％，Sb≤0.010％，Bi≤0.010％，余量为铁和不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的无缝钢管材，其特征在于，按重量百分比计，所述无缝钢管材的化学成分包括：C、0.18～0.26％，Si、0.15～0.35％，Mn、0.65～0.85％，Cr、0.8～1.2％，Mo、0.35～0.5％，V、0.1～0.16％，W、0.45～0.70％，Al、0.008～0.04％，Ca≤0.005％，N≤0.008％，S≤0.005％，P≤0.010％，Cu≤0.15％，Ti≤0.015％，Ni≤0.25％，O≤0.0020％，H≤0.0002％，As≤0.015％，Sn≤0.010％，Pb≤0.010％，Sb≤0.010％，Bi≤0.010％，余量为铁和不可避免的杂质；
优选地，W与Mo之间的重量比为0.50～0.82：1。
3.根据权利要求1或2所述的无缝钢管材，其特征在于，所述无缝钢管材的金相组织包括回火索氏体和奥氏体，所述奥氏体的体积含量≤5％；
优选地，所述无缝钢管材的晶粒度大于7级。
4.一种权利要求1至3中任一项所述的无缝钢管材的制备方法，其特征在于，包括：按照化学计量比对原料依次进行冶炼、铸造、轧制和调质热处理，得到所述无缝钢管材。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述轧制过程中的轧制比≥3，优选为5～10；
优选地，所述轧制过程包括初轧和终轧，控制所述初轧的温度为1100～1250℃，所述终轧的温度为830～950℃。
6.根据权利要求4或5所述的制备方法，其特征在于，所述调质热处理包括：将轧制后管坯依次进行淬火、回火和热矫直，以得到所述无缝钢管材；
优选地，所述淬火包括先使物料在880～940℃温度条件下保温处理30～90min后再使物料快速淬火冷却至室温；
优选地，所述回火包括先使物料在660～720℃温度条件下保温处理40～100min后再使物料空冷；
优选地，所述热矫直的处理温度为450～600℃。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述淬火冷却采用的冷却介质为水；
优选地，所述淬火冷却过程中，物料的冷却速度为40～80℃/s。
8.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述冶炼的方式为真空感应冶炼、电弧炉冶炼或转炉冶炼中的一种。
9.一种140Ksi射孔枪管，其特征在于，所述140Ksi射孔枪管的管材为权利要求1至3中任一项所述的无缝钢管材，或者由权利要求4至8中任一项所述的制备方法制备得到的无缝钢管材。
10.一种140v套管，其特征在于，所述140v套管的管材为权利要求1至3中任一项所述的无缝钢管材，或者由权利要求4至8中任一项所述的制备方法制备得到的无缝钢管材。
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