低屈強比石油套管用鋼、石油套管及其制法的制作方法

專利名稱：：低屈強比石油套管用鋼、石油套管及其制法的制作方法
技術領域：
：本發(fā)明涉及低屈強比石油套管用鋼及低屈強比石油套管，具體涉及通過亞溫淬火加高溫回火生產(chǎn)低屈強比K55鋼級石油套管。技術背景K55鋼級石油套管是一種高附加值產(chǎn)品，不僅要滿足材料力學性能的要求，而且對鋼管表面質量的要求也高。該套管用鋼的屈服強度須在379552.MPa之間，抗拉強度須大于655MPa,其特點是材料的屈強比低，其屈強比小于0.85。石油及天然氣開采用套管一般而言是根據(jù)API標準組織生產(chǎn)與供貨的。API標準規(guī)定，K55鋼級石油套管有無縫管和焊管兩種類型。相對于無縫管而言，焊管具有生產(chǎn)效率高、尺寸精度好、規(guī)格范圍寬、成本低，顯著特點，因此是生產(chǎn)廠家與油田用戶的首選品種，一直受到市場的青睞。但是對于K55電阻焊套管(K55ERW套管)，由于生產(chǎn)難度高，目前僅有國外少數(shù)廠家可以生產(chǎn)?？紤]到構件的安全性，追求材料的低屈強比一直是材料科學工作者孜孜追求的目標之一。從材料的成分設計而言，實際上普通的碳錳鋼是實現(xiàn)低屈強比的理想選擇，如廣泛用于生產(chǎn)K55無縫鋼管的37Mn5鋼種，其含C約0.37。/。、Mn約1.5%。37Mn5軋后材料屈服強度在450MPa左右，抗拉強度在700MPa以上，可以非常好的滿足K55鋼級無縫鋼管力學性能的要求。然而，ERW套管的生產(chǎn)工藝是煉鋼一連鑄一熱軋成板巻一板巻頭尾剪切對焊一板帶成型一在線焊接一焊縫熱處理或整管熱處理一管加工一出廠檢驗等。板巻頭尾剪切對焊工序是實現(xiàn)多巻連續(xù)生產(chǎn)、體現(xiàn)ERW焊管生產(chǎn)效率的關鍵工序。但是由于板巻頭尾對焊要求材料的碳當量須低，否則容易造成鋼板斷帶，嚴重影響生產(chǎn)效率。顯而易見，37Mn5鋼種碳當量超過了0.6，結合焊管的生產(chǎn)工藝特點，這一鋼種顯然不適宜用于生產(chǎn)K55ERW套管。因此，K55ERW套管生產(chǎn)的難度之一在于，在材料設計上須保證在較低的碳當量下獲得低的屈強比。K55ERW套管生產(chǎn)的另一難點是板帶成型工序帶來的。通過采取降低碳含量、采用合金化以及熱軋時控制冷卻等手段，生產(chǎn)出力學性能滿足K55要求的熱軋板巻在材料設計上還是可行的。但是，由于制管時板帶成型而引入的加工硬化的作用，與板巻相比，管體屈服強度會有所提高，抗拉強度會因材料損傷而略有降低。實踐表明，成型后管體屈服強度較板巻升高約50-100MPa，抗拉強度可以下降約10-30MPa,這樣，理想的板巻屈服強度應該控制在400MPa左右而抗拉強度應該控制在680MPa以上，這樣要求材料的屈強比小于0.6。對于普碳或低合金鋼來說很難達到這一要求。另外，即使通過控制熱軋而獲得性能滿意的K55熱軋板巻，板帶成型后，即使管體性能滿足K55性能要求，ERW焊縫以及熱影響區(qū)的力學性能合格的幾率也是微乎其微，因為焊縫在線熱處理根本不可能和熱軋時的熱機械過程相匹配。毫無疑問，相變誘發(fā)塑性的trip技術可以解決這一難題。Trip鋼主要為硅錳鋁鋼，用于汽車制造行業(yè)，其屈服強度可以方便地控制在400MPa左右而抗拉強度控制在680MPa以上。如中國專利公開說明書CN1729307A公開了一種合金，該合金除了硅錳鋁合金化外，還著重添加了磷，見表1,而這一元素是石油行業(yè)API標準規(guī)定的需嚴格控制的元素之一，這一專利申請所涉及的合金產(chǎn)品冷軋鋼板厚度約lmm左右，在760-850°C兩相區(qū)退火，以大于2°C/s的速度淬火至460-490°C保溫。主要采用Mn、Al合金化的中國專利200510023375.0(CN1644746A)公開了碳含量小于0.2的低碳低硅冷軋相變塑性鋼(表1)。然而，一般而言，碳含量低的石油套管，其抗粘扣性能差。更重要的是，trip鋼技術需要采用臨界區(qū)中溫淬火熱處理，得到鐵素體、貝氏體及穩(wěn)定殘余奧氏體的混合組織，這樣形變時才能相變誘發(fā)塑性。這樣一來，采用trip鋼技術生產(chǎn)石油套管存在兩個問題。其一，因為石油套管壁厚可高達20mm，從800°C左右的臨界區(qū)淬火到400°C左右的貝氏體溫度區(qū)間很難獲得整管分布均勻的組織，力學性能難以控制穩(wěn)定；其二，即使獲得理想的鐵素體、貝氏體及穩(wěn)定殘余奧氏體的混合組織，但是，在套管使用過程中，殘余的奧氏體必然會因形變而轉變?yōu)轳R氏體。低合金鋼石油套管訂貨與使用的技術要求一般不允許鋼管中存在馬氏體。英國鋼鐵公司(BSC)的Corby鋼管廠采用2種成分生產(chǎn)K55套管，其成分設計見表1的成分1和2。成分1因碳含量較低，故加入了V、Nb等元素來彌補強度的不足，其制造特點是焊管制管后需再次加熱經(jīng)張力減徑，在降低其屈服強度的同時，去除了表面的氧化皮，從而制成K55套管，因此在設備上要求生產(chǎn)廠家具有相關配套的張力減徑設備。如果生產(chǎn)廠家沒有張力減徑設備，則不能生產(chǎn)K55;成分2碳當量接近0.6，制管后需再次加熱到88(TC正火處理制成K55套管，正火后管壁內外的氧化皮難以去除，表面質量較差。成份3為美國產(chǎn)品的成分，和成分2存在同樣的問題。由此可見，國外廠家對板巻成型焊接后均采取了后處理。焊管整管熱處理不僅可以消除材料的加工硬化以及板巻本身性能的波動對力學性能的影響，同時也使焊縫處的力學性能和組織形貌和管體接近，整管力學性能穩(wěn)定性好。通過降低碳當量，采用合金化的手段以彌補強度的不足，從而僅通過正火的手段生產(chǎn)出性能合格的K55套管也是可行的。實踐表明，在880-110(TC保溫30-60min可以生成厚0.5-lmm的氧化皮，正火后很難去除，不僅影響套管的表面質量，而且更嚴重的是，當套管在油田下井使用的過程中，遺留的氧化皮的邊緣在介質中形成腐蝕電池，加速套管的腐蝕破壞。用于生產(chǎn)K55無縫鋼管的37Mn5鋼種，交貨狀態(tài)是軋制態(tài)，表面也存在氧化鐵皮。這種由于氧化皮引入的表面質量問題，對于附加值很高的K55石油套管來說，無疑是一個嚴重的問題。因此，本發(fā)明的一個目的在于提供一種低屈強比石油套管用鋼。本發(fā)明的另一個目的在于提供一種低屈強比石油套管。本發(fā)明的再一個目的在于提供一種低屈強比石油套管的生產(chǎn)方法。
發(fā)明內容為達到上述目的，本發(fā)明的技術方案是，在材料設計上主要使用Si、Mn、Al等煉鋼常用脫氧元素為主要合金元素，適當配以V、Ti、Nb微合金化。通過兩相區(qū)保溫獲得一定比例的鐵素體和奧氏體組織，水淬使得奧氏體轉變?yōu)轳R氏體，最后高溫回火，獲得鐵素體和回火索氏體組織。本發(fā)明提供的低屈強比石油套管用鋼其基本組成為如下質量百分比的成分C:0.19~0.27Si:0.3~1.6Mn:1.2~1.7P:《0.02S:O.012Al:0.02~0.8其余為Fe和不可避免雜質。本發(fā)明的低屈強比石油套管用鋼的一個優(yōu)選實施方案為在上述化學成分中添加V:0~0.12°/。和Ti:00.02%。本發(fā)明的低屈強比石油套管用鋼的另一個優(yōu)選實施方案為在上述化學成分中添加Nb:00.04X和Ti:00.02%。上述成分碳當量小于0.6,可以滿足剪切對焊的要求。本發(fā)明提供的低屈強比石油套管由本發(fā)明的低屈強比石油套管用鋼制成，其化學成分質量百分比為C:0.19~0.27;Sh0.3~1.6;Mn:1.2-1.7;P:《0.02;S:<0.012;Al:0.02~0.8;其余為Fe和不可避免雜質。本發(fā)明的低屈強比石油套管的一個優(yōu)選實施方案為在上述化學成分中添加V:0~0.12%和Ti:00.02%。本發(fā)明的低屈強比石油套管的另一個優(yōu)選實施方案為在上述化學成分中添加Nb:00.04X和Ti:00.02%。本發(fā)明的低屈強比石油套管的碳當量小于0.6，可以滿足剪切對焊的要求。下面，對本發(fā)明的低屈強比石油套管用鋼及以該鋼種制成的低屈強比石油套管的化學成分作用作詳細敘述。C:決定鋼的顯微組織構成，可以顯著提高鋼的強度，過高時會大大降低焊接性能，按重量百分比計，宜采用含量0.19~0.27;Mn:固溶于鐵素體與奧氏體相中起固溶強化作用，為擴大奧氏體區(qū)最有效元素之一，但含量過高時，鋼中的組織偏析嚴重，影響焊接性能，按重量百分比宜采用含量1.2~1.7;Si:穩(wěn)定鐵素體元素，促進先共析鐵素體生成同時抑制滲碳體的形成，固溶于鐵素體而起到強化的效果，按重量百分比，宜采用硅含量為0.3-1.6;Al:和Si具有相似的作用，促進先共析鐵素體生成可以抑制滲碳體的形成，但含量過高有損強塑性，按重量百分比，宜采用含量0.02-0.8;V:釩的碳氮化物在鐵素體中以細小彌散形式均勻析出，可以顯著提高材料的抗拉強度而不明顯增加屈服強度，按重量百分比宜采用含量0~0.14;Ti: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。若含量太高，易形成粗大的TiN，降低材料性能。按重量百分比，宜采用含量0~0.02;Nb: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。按重量百分比，宜采用含量00.04。采用本發(fā)明所使用的化學成分可以生產(chǎn)出表面質量良好的電阻焊或無縫K55石油套管。本發(fā)明的低屈強比電阻焊(ERW)K55石油套管的制造方法是，經(jīng)轉爐或電爐煉鋼，連鑄成坯。連鑄坯經(jīng)1200125(TC加熱后熱軋成板帶，終軋溫度大于850°C，軋后板帶經(jīng)層流冷卻到650'C以下巻取成板巻，經(jīng)ERW制管。ERW套管的生產(chǎn)工藝是煉鋼一連鑄一熱軋成板巻一板巻頭尾剪切對焊一板帶成型一在線焊接一焊縫熱處理等。生產(chǎn)低屈強比、高強塑積無縫管的方法是，合金熔煉后，連鑄成圓坯，在1220-1260。C環(huán)形爐內均熱，穿孔溫度1200-1240。C，在1050-1150。C軋管，930-1000。C平整，850-900。C三輥定徑。將根據(jù)上述方法制備好的鋼管在75084(TC兩相區(qū)保溫。在這一溫度區(qū)間，將發(fā)生鐵素體再結晶和珠光體向奧氏體轉變的過程，隨著保溫時間的延長，奧氏體量將不斷的增加直至平衡。合適的保溫時間按鋼管壁厚計算取3-7min/mm。在兩相區(qū)保溫的目的是獲得一定比例的鐵素體與奧氏體，溫度越低獲得的鐵素體量越多，材料最終的強度越低，塑性越好。鐵素體量可按公式l-240Z/(912-r)估算，其中，X為鋼的C含量，T為加熱溫度；隨后水淬，鋼管中的奧氏體將轉變?yōu)轳R氏體，鐵素體將在馬氏體相變應力的作用下產(chǎn)生位錯；淬火后鋼管在600以上高溫回火處理，馬氏體分解成強韌性最好的回火索氏體組織，鐵素體將發(fā)生回復與碳化物析出，強度進一步下降，塑性進一步提高。這樣，經(jīng)兩相區(qū)淬火與高溫回火，將獲得一定比例的鐵素體和回火索氏體組織，從組織控制上，確保了材料具有低的屈強比。另一方面，在80(TC左右保溫生成的氧化皮很薄，表面氧化脫碳的程度很輕。淬火時氧化皮脫落，在回火時僅形成極薄的氧化膜，鋼管的表面質量好。在鋼管冷卻后經(jīng)過管加工，制造出性能穩(wěn)定、表面質量好的K55石油套管。本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比具有顯而易見的突出特點是本發(fā)明主要合金成分為煉鋼常用的脫氧元素，材料成本很低，通過兩相區(qū)淬火與高溫回火工藝，使得所設計的材料具有低的屈強比。其顯著的優(yōu)點是鋼管最后經(jīng)兩相區(qū)淬火與高溫回火工藝，工序簡單、整管力學性能穩(wěn)定，而且表面質量好，確保了該產(chǎn)品高附加值的特性。圖1是實施例2套管的金相組織圖。具體實施方式表l示出了本發(fā)明與現(xiàn)有技術的成分對比。由表1可知，國內外類似產(chǎn)品的成份與本發(fā)明所用成份對比，兩者有很大的不同。實施例為API標準的焊管，規(guī)格為O219.08X11.43，化學成分見表2。本發(fā)明所用化學成分的質量百分比是C:0.19~0.27，Si:0.3~1.6，Mn:1.2~1.7，P:《0.02，S:<0,012，Al:0.02~0.8，V:0~0.12，Nb:0~0.04，Ti:0-0.02，其余為Fe和不可避免雜質。無縫管生產(chǎn)流程是合金熔煉后，連鑄成圓坯，在1220-1260。C環(huán)形爐內均熱，穿孔溫度1200-1240°C，在1050-1150。C軋管，930-1000°C平整，850-900°C三輥定徑，生產(chǎn)出規(guī)格為O219.08X11.43的鋼管。ERW焊管生產(chǎn)流程是經(jīng)電爐煉鋼，連鑄成坯。連鑄坯經(jīng)1200125(TC加熱后熱軋成厚11.43mm的板帶，終軋溫度大于850°C，軋后板帶經(jīng)層流冷卻到560-700'C巻取。實施例熱軋態(tài)力學性能見表3。經(jīng)剪切對焊、板巻成行、ERW制管，生產(chǎn)出規(guī)格為O219.08X11.43的鋼管。將制備好的鋼管在75084(TC兩相區(qū)退火，保溫60min后淬火，在600-650°C高溫回火。經(jīng)兩相區(qū)保溫和高溫回火處理后，生成的套管表面質量好，氧化皮很薄。熱處理后力學性能見表4。實施例的屈服強度均小于552MPa，抗拉強度》655MPa，屈強比小于0.8。本發(fā)明制備的鋼管，其金相組織為鐵素體和回火索氏體。圖1所示為實施例2的金相組織，該實施例碳含量0.2，兩相區(qū)退火溫度800°C，按公式l-240義/(912-r)，其鐵素體區(qū)域所占比例約55%。比較例1的Al含量過高而比較例3的Mn含量過低，致使材料的抗拉強度達不到要求。比較例2的V含量則過高，致使材料的強度過高?？梢姡捎帽景l(fā)明所設計的化學成分和熱處理制度，可以穩(wěn)定生產(chǎn)出低屈強比附加值高的電阻焊K55石油套管。表l國內外K55套管化學成分<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>表2實施例和對比例套管化學成分<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>表3實施例熱軋態(tài)力學性能<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage11</column></row><table>權利要求1.一種低屈強比石油套管用鋼，其基本組成為如下質量百分比的成分C0.19～0.27Si0.3～1.6Mn1.2～1.7P≤0.02S＜0.012Al0.02～0.8其余為Fe和不可避免雜質。2.如權利要求1所述的低屈強比石油套管用鋼，其中還添加V:0~0.12%和Ti:00.02%。3.如權利要求l所述的低屈強比石油套管用鋼，其中還添加Nb:00.04X和Ti:00.02%。4.如權利要求l所述的低屈強比石油套管用鋼，其碳當量<0.6。5.—種低屈強比石油套管，由權利要求1或2或3所述低屈強比石油套管用鋼制成。6.權利要求5所述低屈強比石油套管的生產(chǎn)方法，包括合金熔煉、連鑄成坯、制管和鋼管熱處理，其特征在于所述鋼管熱處理包括于75084(TC兩相區(qū)保溫和淬火；及60(TC以上高溫回火。7.如權利要求6所述的低屈強比石油套管生產(chǎn)方法，其中所述兩相區(qū)保溫的時間以鋼管厚度計取3-7min/mm。8.如權利要求6所述的低屈強比石油套管生產(chǎn)方法，其中所述淬火采用水淬。9.如權利要求6所述的低屈強比石油套管生產(chǎn)方法，其中當套管為ERW套管時，所述連鑄成坯后，經(jīng)1200125(TC熱軋成板帶，板帶經(jīng)層流冷卻至65(TC以下巻取成板巻，經(jīng)ERW制管。10.如權利要求6所述的低屈強比石油套管生產(chǎn)方法，.其中當套管為無縫管時，所述連鑄成坯為連鑄成圓坯，在1220-1260。C環(huán)形爐內均熱，1200-1240。C穿孔，1050-1150。C軋管，930-1000°C平整，850-900°C三輥定徑。全文摘要本發(fā)明提供一種低屈強比石油套管用鋼及用該石油套管用鋼制成的石油套管，其化學成分質量百分比為C0.19～0.27；Si0.3～1.6；Mn1.2～1.7；P≤0.02；S＜0.012；Al0.02～0.8；其余為Fe和不可避免雜質。本發(fā)明的生產(chǎn)方法包括合金熔煉、連鑄成坯、制管和鋼管熱處理，其中所述鋼管熱處理包括于750～840℃兩相區(qū)保溫和淬火及600℃以上高溫回火。本發(fā)明的材料成本很低，通過兩相區(qū)淬火與高溫回火工藝，使所設計的材料具有低的屈強比；本發(fā)明的工序簡單、整管力學性能穩(wěn)定，而且表面質量好，確保了產(chǎn)品的高附加值特性。文檔編號C21D9/08GK101328559SQ20071009388公開日2008年12月24日申請日期2007年6月22日優(yōu)先權日2007年6月22日發(fā)明者丁維軍,田青超,董曉明,郭金寶申請人:寶山鋼鐵股份有限公司