專利名稱：N80級電阻焊石油套管用鋼及其制造方法
技術領域：
本發明涉及一種直縫電阻焊管(簡稱ERW/HFW)用鋼及其制造方法，特別是涉及APISPEC 5CT中一種具有優良焊接性和沖擊韌性的高強度N80鋼級I類ERW石油套管用鋼及其制造方法。
背景技術：
石油套管是油田最常用的石油專用管材之一，用量大，花錢多，是油氣田鉆采作業中必不可少的施工材料。HFff套管與無縫管相比，具有壁厚均勻、尺寸精度高、射孔性能好、抗擠毀能力強、成本低等顯著優勢，正在逐漸替代傳統的無縫鋼管。API Spec 5CT標準規定，可以用無縫管和直縫焊管制造石油套管。就直縫焊套管而言，傳統的生產工藝是根據套管性能的需要，設計合適的化學成分；冶煉并軋成熱軋板 卷；將板卷通過成型和直縫電阻焊方式制成管料；對鋼管焊縫或鋼管整體進行熱處理；并對管端進行適當的螺紋加工，最終生產出合格的石油套管。就N80鋼級石油套管而言，標準規定管體的屈服強度在552_758MPa之間，抗拉強度彡689MPa，伸長率彡19%，(TC沖擊功Akv(橫向)彡24J。隨著人們對油井安全要求的提高，用戶對鋼帶的沖擊韌性要求也越來越高，如中海油要求沖擊功> 80J，剪切面積SA ^ 75%。目前，N80級ERW套管的生產工藝是成分設計采用高碳設計(>0.20%)，有的添加合金元素(Mo、Ni、Nb、V和Cu)，冶煉并軋制成熱軋鋼帶；然后，將鋼帶通過ERW方式制成焊管，并對焊縫或鋼管整體進行熱處理，隨后對管端進行適當的螺紋加工，最終生產出合格的N80級別石油套管。由于碳含量較高(>0. 20%)，無法得到焊接性優良的熱軋鋼帶，不僅提高HFW制管的工藝復雜程度，且降低了制管的生產效率；較高的碳含量同時也導致鋼帶的沖擊韌性一般。在本發明之前，已有多個有關N80鋼級ERW石油套管用鋼的文獻或發明專利，如下I)中國專利CN101096737A，一種高強度直縫焊石油套管鋼及其制造方法。該專利成分中c 0. 20%-0. 30%，C含量高，對焊接性和韌性不利；Mo 0. 10%-0. 30%，合金成本高。2)日本專利JP58199818A，高強度油井用鋼管制造方法。成分中C 0. 28%_0. 35%，Mn 1. 40%-2. 00%, Mo 0. 1%_0· 3%, V 0. 02%_0· 10%，制管后整管進行正火熱處理。該專利中添加貴重元素Mo，合金成本高；C含量偏高，影響鋼帶沖擊韌性。3)日本專利JP58093821A，油井用電阻焊鋼管的制造方法。成分中C :
O.23%-0. 26%, Mn 1. 8%-2. 0%, Cr 0. 30%-0. 35%, V 0. 03%-0. 10%，制管后整管進行正火或調質熱處理。該專利中C含量偏高，影響鋼帶的沖擊韌性；同時Mn、Cr含量也高，造成碳當量偏高(Ceq 0. 60%-0. 68%)，鋼帶的焊接性不良。4)日本專利JP58199819A，高強度油井用鋼管制造方法。成分中C 0. 30%-0. 35%，Mn 1. 60%-2· 00%, V 0. 05%_0· 09%,制管后整管進行正火熱處理。該專利中C含量偏高，影響鋼帶的沖擊韌性含量高，合金成本高；同時Mn含量也高，造成碳當量偏高(Ceq O. 58%-0. 70%)，鋼帶的焊接性不良。5)日本專利JP01225722A，油井用高強度電阻焊管制造方法。成分中C:
0.14%-0. 22%, Mn 1. 20%-2. 00%, Ti 0. 04%-0. 07%,選擇性加入 Nb 0-0. 045%, V 0-0. 10%。成分中C含量偏高，影響鋼帶的沖擊韌性；Ti含量較高，合金成本高。6)日本專利JP07102321A，拉伸強度800MPa高強度非熱處理油井用鋼管的制造方法。成分中 C 0. 25%-0. 40%, Mn 1. 00%_2· 00%, Nb 0. 01%-0. 10%, V 0. 01%-0. 10%。該專利中C含量偏高，影響鋼帶的沖擊韌性；同時添加Nb和V，合金成本高。7)論文“N80 HFW套管試制工藝研究”，焊管，2010，33 (7)，成分中C :0. 09%，Mn :
1.68%, Si 0. 23%, P 0. 009%, S 0. 002%, Mo 0. 01%, Ni 0. 02%, Cr 0. 24%。該論文中 C 含量低，為了提高強度，需要添加貴重合金元素Mo、Ni，合金成本高。公開的專利和文獻中，C含量都較高，鋼帶焊接性一般；有的添加貴重合金元素Mo, Ni, Cu等，合金成本高；有的需要整管熱處理。以上公開的直縫焊石油套管用鋼達到了美國石油協會API Spec 5CT規定的N80鋼管要求，但碳含量偏高，焊接性和韌性一般；添加合金元素Mo，Ni, Cu，合金成本高；整管熱處理，工藝復雜。
發明內容
為了克服上述現有技術的缺點，本發明的目的在于提供一種直縫電阻焊石油套管鋼及其制造方法，特別是采用低碳(〈O. 10%)設計，具有優良焊接性和沖擊韌性((TC，橫向Akv>200J, SA>90%)的高強度N80鋼級ERW石油套管鋼及其制造方法。為達到以上目的，本發明的技術方案之一是提出一種N80級ERW石油套管用鋼，化學成分(重量，%)配比如下C 0. 05%-0. 09%, Si 0. 15%-0. 35%, Mn 1. 70%-1. 95%, P (0. 020%, S ^ 0. 008%, Ti 0. 010%-0. 050%, Als 0. 02%-0. 06%, Nb 0. 05%-0. 08%, Cr
0.20%-0. 30%, K 0. 008%，其余為Fe和不可避免元素。與現有技術相比，本方案C含量較低(〈O. 10%)，鋼帶的焊接性優良，沖擊韌性良好(0°C, Akv>200J, SA>90%);少量Cr取代貴重元素Mo、Ni、Cu等，節約合金成本；制管后只需要對焊縫和熱影響區進行熱處理，不需要整管熱處理。C :碳為碳化物形成元素，通過固溶強化和析出強化作用提高鋼材的強度，是保證強度的最有效元素，但碳含量過高將影響產品的焊接性能和沖擊韌性，碳控制在
O.05%-0. 09 %較為適宜。Si :硅可以起到固溶強化作用，但其含量過高會使鋼的塑性和韌性降低，其最佳范圍是 O. 15-0. 35%。Mn:錳具有固溶強化作用，還能增加奧氏體穩定性，對提高淬透性也有利，有效保證鋼的強度。但錳含量過大，可增加連鑄坯的中心偏析傾向，影響熱軋鋼材的組織均勻性，給焊縫質量帶來負面影響，其最佳范圍是I. 70%-1. 95%。P :磷是鋼中有害元素，增加鋼的冷脆性，使焊接性能變壞，降低塑性，使冷彎性能變壞，應控制其含量< O. 020%。S :硫是鋼中有害元素，使鋼產生熱脆性，降低鋼的延展性和韌性，焊接性能也不利，應控制其含量彡O. 008%。
Nb :鈮是細晶和析出強化元素，可彌補因碳降低而引起的強度的下降，改善焊接性能，但過高會增加合金成本，合適的范圍是O. 05%-0. 08%。Ti :鈦是強碳氮化物形成元素，顯著細化奧氏體晶粒，可彌補因碳降低而引起的強度的下降。含量太高，易形成粗大的TiN，降低材料性能，合適的范圍是O. 010%-0. 050%。Cr :鉻可通過固溶強化和細晶強化來增加強度，合適的范圍是O. 20%-0. 30%。Als :鋁是常用的脫氧劑，在鋼中加入少量的鋁，可細化晶粒，提高沖擊韌性，合適的范圍是O. 02-0. 06%οN :固溶氮有釘扎位錯的強烈作用，對韌性有不良影響，控制其含量< O. 008%本發明的技術方案之二是提出一種N80鋼級ERW石油套管用鋼的制造方法，包括鐵水預處理、轉爐冶煉、爐外精煉和板坯連鑄、連鑄坯再加熱、軋制、冷卻、卷取。其特征是
I)冶煉連鑄工藝鐵水預處理,轉爐冶煉一經頂吹或頂底復合吹煉,爐外精煉一經LF爐輕脫硫處理、及進行鈣處理以控制夾雜物形態和提高鋼的延展性、韌性和冷彎性能，板坯連鑄制成連鑄板坯一連鑄采用電磁攪拌或動態輕壓下、以提高連鑄板坯的質量。2)軋制工藝連鑄板坯經加熱爐加熱至1200-127(TC，隨后在熱連軋機組進行兩階段控制軋制，第一階段開軋溫度為1100-1200°C，終軋溫度大于980°C;第二階段開軋溫度小于960°C，終軋溫度為760-810°C，有效地細化晶粒，有利于提高強度和韌性。3)冷卻工藝軋后鋼帶以15-20°C /s的速度進行快速冷卻，在470_520°C溫度進行鋼帶卷取。當鋼帶軋后以較快的冷卻速度(15 — 20°C /s)進行控制冷卻，并結合低溫卷取(470— 520°C )時，避開了珠光體轉變區域，而直接獲得貝氏體組織和少量的鐵素體組織。同時提高冷卻速度能盡量減少鐵素體組織體積分數且相對縮短長大過程，又能促使過冷奧氏體積累的相變能升高，為鐵素體相變提供大量的晶核，以致削弱晶粒細化和帶狀組織。同時作為強化相的貝氏體組織體積分數較多，使鋼帶強度得到明顯提高，從而得到高強度和高韌性的鋼帶。本發明技術方案的特別之處在于1) C含量較低(〈O. 10%)，焊接性優良，沖擊韌性良好(0°C，Akv>200J，SA>90%) ；2)用少量Cr取代貴重元素Mo，Ni，Cu等，節約合金成本；3)鋼帶制管后僅需要對焊縫和熱影響區進行熱處理，不需要整管熱處理，熱處理工藝簡單，鋼管生產成本低。
具體實施例方式下面結合對本發明作進一步說明試驗鋼化學成分見表I，加熱、軋制冷卻工藝見表2,力學性能見表3。表I化學成分(wt，%)
權利要求
1.一種N80級電阻焊石油套管用鋼，其特征在于化學成分按重量百分比如下C0. 05%-0. 09%, Si 0. 15%-0. 35%, Mn 1. 70%-1. 95%, P ^ O. 020%, S ^ O. 008%, Ti O. 010%-0. 050%, Als 0. 02%_0· 06%, Nb 0. 05%-0. 08%, Cr 0. 20%_0· 30%, N S O. 008%，其余為Fe和不可避免元素。
2.一種根據權利要求I所述的N80級電阻焊石油套管用鋼的制造方法，包括鐵水預處理、轉爐冶煉、爐外精煉和板坯連鑄、連鑄坯再加熱、軋制、冷卻和卷取，其特征在于軋制工藝為連鑄板坯經加熱爐加熱至1200-1270°C，隨后在熱連軋機組進行兩階段控制軋制，第一階段開軋溫度為1100-1200°C，終軋溫度大于980°C ;第二階段開軋溫度小于960°C，終軋溫度為760-810°C ;冷卻工藝為軋后鋼帶以15-20°C /s的速度進行快速冷卻，在470_520°C溫度進行鋼帶卷取。
3.根據權利要求2所述的N80級電阻焊石油套管用鋼的制造方法，其特征在于鐵水預處理和轉爐冶煉經頂吹或頂底復合吹煉；爐外精煉經LF爐輕脫硫處理、及鈣處理；連鑄采用電磁攪拌或動態輕壓下。
全文摘要
本發明公開一種N80級電阻焊石油套管用鋼及其制造方法，其特征在于化學成分按重量百分比如下C0.05%-0.09%，Si0.15%-0.35%，Mn1.70%-1.95%，P≤0.020%，S≤0.008%，Ti0.010%-0.050%，Als0.02%-0.06%，Nb0.05%-0.08%，Cr0.20%-0.30%，N≤0.008%，其余為Fe和不可避免元素。焊接性優良，沖擊韌性良好(0℃，Akv>200J，SA>90%)；鋼帶制管后僅需要對焊縫和熱影響區進行熱處理，不需要整管熱處理，熱處理工藝簡單，鋼管生產成本低。
文檔編號B21B37/74GK102912245SQ20121041135
公開日2013年2月6日 申請日期2012年10月23日 優先權日2012年10月23日
發明者黃明浩, 黃國建, 徐烽, 孔祥磊, 張英慧 申請人:鞍鋼股份有限公司