专利名称：高频电阻焊石油套管用钢及其制造方法
技术领域：
本发明涉及一种在硫化氢环境下使用的高频电阻焊石油套管，具体地说，涉及一种在硫化氢环境下使用的高频电阻焊石油套管用钢，以及用该钢种制成的SOksi钢级高频电阻焊石油套管及其制造方法。
背景技术：
API标准规定，石油套管分为无缝管和焊接套管两种类型。相对于无缝管而言，高频电阻焊石油套管具有生产效率高、尺寸精度好、规格范围宽、成本低等显著特点，因此是生产厂家与油田用户的首选品种，一直受到市场的青睐。石油套管所使用的环境很多含有硫化氢等腐蚀介质，不仅能够对管体表面进行均勻腐蚀，还能与钢铁作用生成氢，进入钢铁基体内部，使套管发生应力腐蚀断裂，在极短的时间内失效，从而给油田生产带来极大的经济损失和安全隐患。高频电阻焊石油套管传统的生产工艺是根据套管性能的需要，设计合适的化学成分，冶炼并轧成热轧板卷，将板卷通过成型和高频电阻焊方式制成管料，对钢管焊缝或钢管整体进行热处理，然后对管端进行适当的螺纹加工，最终生产出合格的石油套管。此种套管抗硫性能最薄弱的地方是焊缝区，焊缝区包括熔合线和热影响区，焊缝区在高温作用下晶粒粗大，夹杂物增多，渗透到基体内部的氢容易在晶界和夹杂物处吸附聚集产生氢鼓泡导致氢致开裂，或者氢与晶界的原子反应生成氢化物，使晶界脆化，易产生应力腐蚀开裂。为了提高生产效率，除了需要对板卷边部进行高频电阻焊外，还需对两板卷头尾之间进行(X)2气体保护焊，以便实现多卷连续生产。但是(X)2气体保护焊要求板卷的碳当量低，为了能很好的进行板卷头尾对焊，一般都将板卷的碳当量控制在0. 43以下。国内外对酸性环境下焊管的研究主要是控制夹杂物。例如，日本专利JP62170458 提出加入Ti和^ 作为脱氧剂，代替Al脱氧剂的作用，保证Ti/Al，&/Al或(Ti+&)/Al的比值大于2，Al的含量大于0. 005%，通过控制夹杂物的比例提高韧性和抗氢致开裂性能。 然而，按照该成分设计方案得到的套管钢会形成大量Ti和ττ的碳化物和氮化物，降低了管体的韧性。因此，欧洲专利EP 0270952提出Ti/Al,Zr/Al或(Ti+Zr)/Al的比值小于2，降低Ti和Ir的碳化物和氮化物，同时保证Al2O3的含量小于50%。然而，上述专利申请仅解决了抗氢致开裂这一技术问题，并无法彻底解决抗硫化物应力腐蚀开裂的问题。因此，亟需一种具备高焊接性能和抗硫化物应力腐蚀开裂性能，且生产成本较低的石油套管用钢。
发明内容
本发明的目的在于提供一种在硫化氢环境下使用的高频电阻焊石油套管用钢，具有良好的抗硫化氢腐蚀性能，满足具有抗硫化氢腐蚀要求的油气田勘探开发的需要。为实现上述目的，本发明所提供的石油套管用钢，其成分质量百分比含量为C: 0. 15-0. 35、Si :0. 1-0. 6、Mn :0. 3-1、P 彡 0. 015、S ≤ 0. 003、Mo :0. 1-0. 5、V :0. 03-0. 2、Nb 0. 01-0. 05、Ti 0. 01-0. 05、Al 0. 01-0. 08、Ca 0. 0005-0. 005、B 0. 001-0. 003，余量为
Fe和不可避免的杂质，并且其碳当量< 0. 43。此外，本发明还提供了上述石油套管用钢的一种制造方法，依次包括冶炼、浇铸、 轧制、卷取、制管、热处理。优选地，所述轧制的加热温度为1200-1300°c，终轧温度为800-1000°C。优选地，所述卷取的层流冷却温度为650-700°C。优选地，所述制管包括高频电阻焊接和焊缝在线正火热处理两个步骤。优选地，所述热处理包括加热保温和回火两个步骤。更优选地，所述高频电阻焊接温度为1200-1400°C。更优选地，所述焊缝在线正火热处理的温度为880-980°C。进一步优选地，所述加热保温的温度为900-950°C，保温时间为30-60min。进一步优选地，所述回火温度为680-720°C，保温时间为90-150min。下面将进一步说明本发明。本发明通过优化设计合金成分、较低的夹杂物含量并采用多重焊缝正火在线热处理获得均勻细化的晶粒组织，使高频电阻焊石油套管用钢的抗硫化物应力腐蚀开裂性能得到较大提高。本发明在材料中加入Nb、V、Ti、B等微合金元素，通过其析出强化作用和细化晶粒效果，降低晶界缺陷，提高抗硫化物应力腐蚀开裂性能。在成分设计上添加B，利用其对晶界的强化作用，使焊缝和管体区域晶界的晶格缺位和空穴减少，晶界自由能降低，阻碍使晶界脆化的氢化物的形成；同时B能使沿晶界的析出物降低，能延迟晶界上的裂纹形成过程，提高套管用钢尤其是焊缝的抗硫化物应力腐蚀开裂性能。同时在焊接完成后进行在线热处理，采用不同的正火工艺细化焊缝区的晶粒，提高其抗硫性能。以下将本发明成分的设计进行说明C :C为碳化物形成元素，可以提高钢的强度，太低时效果不明显，太高时会显著降低钢的焊接性能。Si =Si固溶于铁素体以提高钢的屈服强度，不宜过高，太高会使加工和韧性恶化， 低于0. 效果不明显。Mn =Mn为奥氏体形成元素，可以提高钢的淬透性，含量小于0. 3时作用不明显，含量大于1 %时，将显著增加钢中的组织偏析，影响热轧组织的均勻性及抗硫性能。Mo:主要是通过碳化物及固溶强化形式来提高钢的强度及回火稳定性，含量过高会降低钢的韧性。V =V能够细化晶粒，形成碳化物，能显著提高钢的强度，但含量达到一定量时，其效果增加便不明显。Nb :Nb是细晶和析出强化元素，可弥补因碳降低而引起的强度的下降，含量小于 0.01%时作用不明显，因其价格昂贵，所以要限制使用量。Ti =Ti是强碳氮化物形成元素，显著细化奥氏体晶粒，可弥补因碳降低而引起的强度的下降，若含量太高，易形成粗大的TiN，降低材料性能。B =B可以增加淬透性，能有效的强化晶界，使沿晶界的析出物降低，能延迟晶界上的裂纹形成过程，提高抗硫化物应力腐蚀开裂性能，含量小于0. 001 %时作用不明显，含量太高则炼钢难以精确控制。
P、S :P和S是钢中的有害杂质元素，含量过高会恶化抗硫化物应力腐蚀开裂性能和钢的韧性，因此应尽量降低钢中的P、S含量。与现有石油套管用钢相比，本发明具有以下有益效果(1)本发明提供的石油套管用钢，其能够用于制造SOksi钢级具有良好抗硫化物应力腐蚀开裂的高频电阻焊石油套管，并且还能够适用于CO2气体保护焊工序，提高后续的高频电阻焊石油套管生产效率；(2)本发明提供的所述石油套管用钢焊缝多重正火热处理的方法，其能够细化焊缝晶粒，提高组织均勻性，改善焊缝的抗硫化物应力腐蚀开裂性能。(3)本发明提供的高频电阻焊石油套管用钢，其符合SOksi钢级要求，可以广泛用于石油开采；(4)本发明所使用的材料合金成本低，具有重大的经济效益。
具体实施例方式实施例1实施例1化学成分见表1。钢水经转炉冶炼，浇铸，加热至1220°C加热后轧成板带， 终轧温度850°C，层流冷却至650°C，卷曲成热轧卷；高频电阻焊温度为1400°C、焊接速度为 15m/min ；三道焊缝在线正火热处理温度分别为980°C、950°C、920°C。整管热处理加热温度 9500C，保温40min后水淬，回火温度720°C，保温时间90min，力学性能和抗硫化物应力腐蚀开裂性能如表2所示。实施例2实施例2化学成分见表1。钢水经转炉冶炼，浇铸，加热至1250°C加热后轧成板带， 终轧温度880°C，层流冷却至680°C，卷曲成热轧卷；高频电阻焊温度为1300°C、焊接速度为 12m/min ；三道焊缝在线正火热处理温度分别为960°C、950°C、900°C。整管热处理加热温度 9500C，保温30min后水淬，回火温度710°C，保温时间lOOmin，力学性能和抗硫化物应力腐蚀开裂性能如表2所示。实施例3实施例3化学成分见表1。钢水经转炉冶炼，浇铸，加热至120(TC加热后轧成板带， 终轧温度900°C，层流冷却至700°C，卷曲成热轧卷；高频电阻焊温度为1350°C、焊接速度为 14m/min ；三道焊缝在线正火热处理温度分别为980°C、920°C、880°C。整管热处理加热温度 9200C，保温50min后水淬，回火温度700°C，保温时间llOmin，力学性能和抗硫化物应力腐蚀开裂性能如表2所示。实施例4实施例4化学成分见表1。钢水经转炉冶炼，浇铸，加热至1280°C加热后轧成板带， 终轧温度910°C，层流冷却至660°C，卷曲成热轧卷；高频电阻焊温度为1250°C、焊接速度为 llm/min ；三道焊缝在线正火热处理温度分别为960°C、940°C、900°C。整管热处理加热温度 9000C，保温60min后水淬，回火温度690°C，保温时间150min，力学性能和抗硫化物应力腐蚀开裂性能如表2所示。比较例比较例1与实施例1在成分上不同之处在于不添加B，其他制造和检测方法均一致，比较例2与实施例1不同之处在于焊接后不经过焊缝在线正火热处理，其他制造和检测方法均一致，力学性能和抗硫化物应力腐蚀开裂性能如表2所示。比较例1和比较例2中焊缝的抗硫化物应力腐蚀开裂性能不满足要求。可见，采用本发明所设计的化学成分和制造工艺，可以稳定生产出满足SOksi钢级抗硫化物应力腐蚀开裂性能良好的高频电阻套管用钢。、硫化氢性能检验采用NACE TM0177-2005抗硫化物应力腐蚀开裂钢铁的实验室检测方法进行检测。表1实施例、比较例的化学成分(wt % )
权利要求
1.一种高频电阻焊石油套管用钢，其成分质量百分比含量为 C 0. 15-0. 35Si 0. 1-0. 6 Mn 0. 3-1 P 彡 0.015 S 彡 0. 003 Mo 0. 1-0. 5 V 0. 03-0. 2 Nb 0. 01-0. 05 Ti: 0. 01-0. 05 Al 0. 01-0. 08 Ca 0. 0005-0. 005 B 0. 001-0. 003余量为Fe和不可避免的杂质，并且其碳当量< 0. 43。
2.如权利要求1所述的石油套管用钢，其特征在于，所述C的质量百分比含量为 0. 2-0. 3，所述Mo的质量比百分含量0. 2-0. 4，所述V的质量百分比含量为0. 05-0. 15。
3.制造如权利要求1所述的套管用钢的方法，其特征在于，所述方法依次包括冶炼、浇铸、轧制、卷取、制管、热处理。
4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述轧制的加热温度为1200-1300°C，终轧温度为 800-1000°C。
5.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述卷取的层流冷却温度为650-700°C。
6.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述制管包括高频电阻焊接和焊缝在线正火热处理两个步骤。
7.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述热处理包括加热保温和回火两个步骤。
8.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述高频电阻焊接温度为1200-1400°C。
9.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述焊缝在线正火热处理的温度为 880-980 "C。
10.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述加热保温的温度为900-950°C，保温时间为 30-60min。
11.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述回火温度为680-720°C，保温时间为 90-150min。
全文摘要
本发明涉及一种在硫化氢环境下使用的高频电阻焊石油套管用钢，其成分质量百分比含量为C0.15-0.35、Si0.1-0.6、Mn0.3-1、P≤0.015、S≤0.003、Mo0.1-0.5、V0.03-0.2、Nb0.01-0.05、Ti0.01-0.05、Al0.01-0.08、Ca0.0005-0.005、B0.001-0.003，余量为Fe和不可避免的杂质，并且其碳当量≤0.43。本发明提供的石油套管用钢，其能够用于制造80ksi钢级具有良好抗硫化物应力腐蚀开裂的高频电阻焊石油套管，并且还能够适用于CO2气体保护焊工序，提高后续的高频电阻焊石油套管生产效率。
文档编号C21D9/50GK102296233SQ20101020791
公开日2011年12月28日 申请日期2010年6月23日 优先权日2010年6月23日
发明者史宏德, 田青超, 董晓明 申请人:宝山钢铁股份有限公司