专利名称：一种低屈强比高强度连续油管用钢及其制造方法
技术领域：
本发明涉及连续油管用钢，特别是涉及一种低屈强比高强度连续油管用钢及其制造方法，采用该产品制造的连续油管主要应用于油田修井、钻井及集输等作业领域。
背景技术：
连续油管(Coiled tubing，简称CT)是相对于常规螺纹连接油管而言的，又称为连续管、挠性油管、蛇形管或盘管，可缠绕在大直径卷筒上，由若干段钢带斜接在一起，经轧制成型焊接而成的无接头连续管。连续油管主要用于油田测井、完井等辅助作业，近十多年来，随着连续油管作业装备技术的不断进步，在钻井领域的应用得到快速发展。连续油管需采用专用的装备进行作业，具有机动性强、作业灵活、可重复使用等诸多优点。但连续油管在使用过程中要经受重复的弯曲、夹持、拉伸等变形，受力状态复杂、工 况恶劣，因此连续油管的局部破坏往往是导致其整体失效的重要诱因。有研究表明，高强度有利于提闻连续油管的抗载、抗扭能力和提闻疲劳强度，低屈强比有利于提闻其均勻延伸性能和加工硬化能力，因此随着石油钻井深度的不断增加，需采用低屈强比、高强度的连续油管，以确保获得高的抗载能力和更长的使用寿命，由此也对连续油管的原材料提出了低屈强比、高强度的要求。连续油管已有50多年的发展及应用历程，其材质也经历了多个发展阶段。上世纪60-70年代的连续油管主要采用碳钢进行制造，碳钢连续油管强度低、焊缝多且耐蚀性较差，不能抵抗循环弯曲和拉力，因而连续油管在使用过程中事故频发，曾严重制约了连续油管技术的发展。80-90年代，随着冶金技术、焊接技术的不断发展，低合金高强钢和斜对焊技术在连续油管制造领域的得到应用，连续油管的使用寿命和可靠性大大提高。随后，开发了钛合金、复合材料等具有高强度、长寿命的连续油管产品，但由于制造和维修成本过高而未得到推广应用。因此，现阶段连续油管制造仍主要以低合金高强钢为主。CN101168823A公开了一种高塑性连续油管用钢及其制造方法，该申请主要针对CT70及更高钢级的连续油管用钢的开发。该申请通过炼钢工艺控制及夹杂物变性处理以及控轧空冷工艺控制，生产出铁素体软相和珠光体、贝氏体硬相结合的连续油管用钢。CN101353765A公开了一种CT80级连续油管用钢及其制造方法和应用，该申请采用低C、高Cr的成分设计保证该钢种具有良好的抗腐蚀能力，并通过加入微量Nb并配以其它少量合金元素细化晶粒，提高强度，结合控轧控冷工艺，获得铁素体+珠光体+少量贝氏体组织，从而保证获得良好塑性的同时不损失强度。需要提供一种低屈强比、高强度及较高均匀延伸性能的连续油管用钢。
发明内容
本发明的目的是根据当前连续油管的发展趋势和实际需求，制造出一种低屈强t匕、高强度及较高均匀延伸性能的连续油管用钢，以适用于国内外钻井领域前连续油管中的应用。
为实现上述目的，本发明的低屈强比、高强度连续油管用钢，其重量百分比化学成分为C0. 02-0. 15%, Si 0. 01-0. 09%、Mn :0. 7-2.0%, P ( 0.015%, S 彡 O. 005%, Cr 0. 10-0. 29%,Nb :0. 010-0. 040 Ti :0. 01-0. 03 %、Mo :0. 10-0. 40 %、Cu :0. 20-0. 60 %、Ni :0. 10-0. 50 Ca
O.0010-0. 0050%, Al 0. 01-0. 05%, N 彡 O. 008%，余量为 Fe 及不可避免的夹杂。优选地，C0. 025-0. 14%。优选地，Si0. 02-0. 09%，更优选 Si 0. 03-0. 07%。优选地，Mn:0· 71-0. 95%。优选地，S彡O. 004 %，优选S彡O. 003 %，更优选S彡O. 002 %，最优选S 彡 O. 015%。优选地，P彡 O. 013%。·优选地，Cr0. 12-0. 26%，更优选 Cr 0. 12-0. 25%。优选地，Nb0. 012-0. 039%。优选地，Ti:0· 011-0. 028%。优选地，Mo0. 11-0. 39%，优选 O. 12-0. 36%。优选地，Cu0. 20-0. 55%，更优选 Cu 0. 20-0. 50%。优选地，Ni0. 10-0. 45%。优选地，Ca:0· 0011-0. 0045%。优选地，Al0. 012-0. 049%。优选地，NO. 007%，优选< O. 006%，更优选 N :0. 002-0. 006%。优选地，本发明钢的显微组织为马氏体和贝氏体双相组织，更优选马氏体比例为10-40%。本发明中，除非另有说明，含量均指重量百分比含量。本发明的上述高强度连续油管用钢，其屈服强度Rpa2 ^ 415MPa，抗拉强度Rm彡530MPa ;延伸率A50. 8彡15% ;屈强比Rp0.2/Rm彡O. 85 ;均匀延伸率=Ag彡8%0本发明的另一个目的是提供上述低屈强比、高强度连续油管用微合金高强钢的制造方法。该方法包括冶炼一连铸一板还再加热一控制轧制一控制二阶段冷却一卷取一上卷一酸洗一切边一涂油。冶炼电炉或转炉冶炼；连铸过热度控制5_18°C，镇静时间8_15min ；板坯加热温度1180-1260°C;板坯保温时间按保温系数I. 5-2. 5min/mm计算得到的时间进行保温；终轧温度控制范围780-900°C ；控制三阶段冷却第一阶段冷却速度20_70°C /s，停冷温度范围500_580°C ；第二阶段冷却速度彡O. 50C /s，冷却时间2_5min ；第三阶段冷却速度彡50C /s，优选为10_50°C /s，停冷温度范围彡300°C，优选为200-280 0C ；卷取；酸洗和涂油。
优选地，酸洗和涂油中，上卷温度彡80°C，酸洗温度60-80°C，酸洗时间45_100秒。更优选上卷温度10-60°C。优选地，卷取后的钢自然冷却。本发明采用低碳、Nb微合金化的成分设计方法，配合合适的控制轧制及控制冷却工艺，并经过酸洗涂油处理，可以制造出具有双相组织贝氏体+马氏体(马氏体比例为10-40%)的低屈强比、高强度连续油管用钢，屈服强度高于60Ksi，屈强比在O. 85以内，同时具有良好表面质量和厚度均匀性，以及更容易实现的可制造性。与现有生产钢种相比，按照上述技术方案生产出的连续油管用钢性能达到以下要求拉伸性能=Rpa2彡415MPa,Rm彡530MPa ;延伸率A5a8彡15%;屈强比Rp0W O. 85 ;均匀延伸率Ag彡8%，优选为延伸率A5a8彡20%，屈强比RpQ.2/Rm< O. 80 ;均匀延伸率Ag彡10%。
图I是本发明实施例3钢的典型金相组织。
具体实施例方式以下通过结合实施例对本发明进行较为详细的说明。本发明采用低碳、Nb微合金化的成分设计方法，配合合适的控制轧制及控制冷却工艺，并经过酸洗涂油处理，可以制造出具有双相组织的低屈强比、高强度连续油管用钢，屈服强度高于60Ksi，屈强比在O. 85以内，优选在O. 8以下，同时具有良好表面质量和厚度均匀性，以及更容易实现的可制造性。碳C :最基本的强化元素。碳溶解在钢中形成间隙固溶体，起固溶强化的作用，与强碳化物形成元素形成碳化物析出，则起到沉淀强化的作用。但太高的C对钢的延性、韧性和焊接性能不利，C太低降低钢的强度。所以本发明中C控制在O. 02-0. 15%。优选地，C:
O.025-0. 14%。硅Si :固溶强化元素，同时也是钢中的脱氧元素，但含量过高会恶化钢材的焊接性能，同时不利于轧制过程中热轧氧化铁皮去除，因此本发明中Si含量控制在
O.01-0. 09%。优选地，Si 0. 02-0. 09%，更优选 Si 0. 03-0. 07%。锰Mn :通过固溶强化提高钢的强度，是钢中补偿因C含量降低而引起强度损失的最主要且最经济的强化元素。Mn还是扩大Y相区的元素，可降低钢的Y — α相变温度，有助于获得细小的相变产物，可提高钢的韧性。本发明中控制Mn含量为O. 7-2.0%。优选地，Mn 0. 71-0. 95%。铬Cr :提高钢的淬透性的重要元素，有效提高钢的强度；同时也是铁素体形成元素，促进铁素体的析出；而且Cr含量在O. 10%以上时，能有效改善钢的耐腐蚀性能；但太高的铬和锰同时加入钢中，会导致低熔点Cr-Mn复合氧化物形成，在热加工过程中形成表面裂纹，同时会严重恶化焊接性能。本发明中Cr含量应限定在O. 10-0. 29%，优选地，Cr
O.12-0. 26%，更优选 Cr 0. 12-0. 25%。钛Ti :是一种强烈的碳氮化物形成元素，Ti的未溶的碳氮化物在钢加热时可以阻止奥氏体晶粒的长大，在高温奥氏体区粗轧时析出的TiN和TiC可有效抑制奥氏体晶粒长大。另外在焊接过程中，钢中的TiN和TiC粒子能显著阻止热影响区晶粒长大，从而改善钢板的焊接性能同时对改善焊接热影响区的冲击韧性有明显作用。本发明中Ti含量控制在
O.01-0. 03%。优选地，Ti 0. 011-0. 028%。铌Nb =Nb是低碳微合金钢的重要元素之一，热轧过程中固溶的Nb应变诱导析出形成Nb (N，C)粒子，钉扎晶界抑制形变奥氏体的长大，经控制轧制和控制冷却使形变奥氏体相变为具有高位错密度的细小的产物。此外，固溶的Nb在卷取后，以第二相粒子NbC在基体内弥散析出，起到析出强化作用。太低的Nb含量弥散析出效果不明显，起不到细化晶粒、强化基体作用；太高的Nb含量，易产生板坯裂纹，影响表面质量，同时会严重恶化焊接性能。本发明中Nb含量应限定在O. 010-0. 040%。优选地，Nb :0. 012-0. 039%。钥Mo :扩大Y相区的元素，可降低钢的Y — α相变温度，能有效促进贝氏体转变起到强化基体的作用，得到更加细小的组织。Mo还能起到克服热处理过程中的回火脆性，改善热处理性能、疲劳性能的作用。在高强度低合金钢中，屈服强度随Mo含量的增加而提高，因此太高的Mo有损塑性。本发明中Mo含量控制在O. 10-0. 40%。优选地，Mo :0. 11-0. 39%,优选 O. 12-0. 36%。 氮N:在微合金化钢中，适当的氮含量可以通过形成高熔点的TiN粒子，起到抑制再加热过程中板坯晶粒粗化的作用，改善钢的强韧性。但当N含量过高时，时效后高浓度的自由N原子钉扎位错，使屈服强度明显提高，同时有损韧性。因此本发明中控制N 彡 O. 008%。优选地，N O. 007%，优选彡 O. 006%，更优选 N :0· 002-0. 006%。硫、磷(S、P):是钢中不可避免的杂质元素，希望越低越好。通过超低硫(小于30ppm)及Ca处理对硫化物进行夹杂物形态控制，可保证钢板具有良好的冲击韧性。优选地，S彡O. 004%，优选S彡O. 003%，更优选S < O. 002%，最优选S彡O. 015%。优选地，P 彡 O. 013%。铜、镍(Cu、Ni):可通过固溶强化作用提高钢的强度，同时Cu还可改善钢的耐蚀性，Ni的加入主要是改善Cu在钢中易引起的热脆性，且对韧性有益。本发明中CiuNi含量范围分别控制为O. 20-0. 60%,O. 10-0. 50% ο优选地，Cu :0. 20-0. 55%，更优选Cu
O.20-0. 50% ο 优选地，Ni 0. 10-0. 45% 本发明中，通过Ca处理可以控制硫化物的形态，改善钢板的各向异性，提高低温韧性。本发明中控制 Ca :0. 0010-0. 0050%，优选地，Ca :0. 0011-0. 0045%。本发明中，Al是为了脱氧而加入钢中的元素，添加适量的Al有利于细化晶粒，改善钢材的强韧性能。本发明中控制Al :0. 01-0. 05%，优选地，Al :0. 012-0. 049%。本发明以晶粒细化、析出强化、相变控制等材料理论为基础，采用了较低的C含量、含Nb、低Si和Cu、Ni、Cr、Mo合金化的成分设计；并结合控制轧制和控制冷却的热机械处理工艺，得到具有贝氏体+马氏体双相显微组织的高钢级连续油管用钢，具有低的屈强t匕、高的均匀延伸率和高的强度。根据本发明，上述成分经冶炼一连铸一板坯再加热一控制轧制一控制三阶段冷却—卷取一上卷一酸洗一切边一涂油制成连续油管用钢。连铸中，过热度控制在5_18°C，镇静时间为8_15min。过热度低于5°C时，钢液流动性较差，不利于夹杂物上浮；过热度大于18°C时，钢液内氧化物夹杂数量增加，影响最终产品的疲劳寿命。镇静时间低于8min时，钢中夹杂物上浮不充分，夹杂物含量增加；若镇静时间高于15min，则钢包内耐材易脱落，影响钢质纯净度。
板坯加热温度为1180-1260°C ;板坯保温时间按保温系数I. 5-2. 5min/mm计算得至IJ，终轧温度控制在780-900°C。板坯温度低于1180°C，则合金无法完全固溶，起不到强化和相变控制效果；板坯温度高于1260°C时，则易发生过热或过烧，降低产品的延伸率。终轧温度过低，轧制力过大，对设备能力要求较高；终轧温度过高，则晶粒尺寸粗大，降低产品强度和疲劳寿命。
控制三阶段冷却中，第一阶段冷却速度为20_70°C /s，停冷温度范围500-580°C ；第二阶段冷却速度为彡O. 50C /s，冷却时间2-5min ;第三阶段冷却速度彡5°C /s，优选为10-500C /s，停冷温度范围< 300°C，优选为200-280°C。第一阶段的冷却速度和停冷温度主要是确保得到贝氏体组织；第二阶段采用较低的冷却速度是保证贝氏体中过饱和的C原子具备向残余奥氏体中扩散的热力学条件，冷却时间过短，残余奥氏体中C含量低不利于在后续冷却过程中形成马氏体组织，冷却时间过长，则残余奥氏体易转变成中温贝氏体，且降低生产效率；第三阶段冷却是确保残余奥氏体向马氏体转变，冷速过低或停冷温度过高均不利于马氏体形成。钢板卷取后自然冷却。在酸洗、涂油工艺中，控制上卷温度彡80°C，酸洗温度为60-80°C，酸洗时间为45-100秒。上卷温度高于80°C时，易产生腰折缺陷，影响产品的表面质量；酸洗液温度在60-80°C范围内具有最佳的氢的扩散速率,在降低金属氢脆倾向同时具有好的表面质量；酸洗时间低于45秒，则易欠酸洗，表面氧化铁皮去除不尽，酸洗时间高于100秒时，则易过酸洗，使钢卷表面粗糙，降低延伸率。。本发明成分体系的有益之处在于，通过采用低C，添加适量Mo元素以改善或抑制后续热处理脆性，适量的Cr元素以促进铁素体产生；不添加V元素，并且采用较低的Nb和Cr含量，在保证性能的同时降低了生产成本；较低的Si含量，有利于提高钢的韧性，有利于轧制氧化铁皮的去除，改善表面质量；采用低硫设计，以保证开发钢具有良好的冲击韧性和抗疲劳性能；根据本发明的成分和工艺，可以得到贝氏体+马氏体的双相组织，强韧相的配合有利于提高强度、保持低的屈强比，获得较高的均匀延伸性能，具有良好的强塑性；采用合适的酸洗工艺，可以有效去除钢卷表面氧化铁皮，提高钢的抗疲劳性能。实施例表I所示为本发明的实施例1-8的化学成分，单位为重量百分比。表I
权利要求
1.高强度连续油管用钢，其重量百分比化学成分为C:0. 02-0. 15%,Si :0. 01-0. 09%,Mn 0. 7-2. O P ^ O. 015 S ^ O. 005 Cr 0. 10-0. 29 %, Nb 0. 010-0. 040 Ti O. 01-0. 03%,Mo 0. 10-0. 40%,Cu 0. 20-0. 60%,Ni 0. 10-0. 50%,Ca 0. 0010-0. 0050%,Al :0. 01-0. 05%, N ( O. 008%，余量为Fe及不可避免的夹杂。
2.如权利要求I所述的高强度连续油管用钢，其特征在于，C:0. 025-0. 14%。
3.如权利要求I或2所述的高强度连续油管用钢，其特征在于，Si:0. 02-0. 09%。
4.如权利要求1-3任一所述的高强度连续油管用钢，其特征在于，Mn:0. 71-0. 95%。
5.如权利要求1-4任一所述的高强度连续油管用钢，其特征在于，S< 0.004%，优选S 彡 O. 003%，更优选 S 彡 O. 002%。
6.如权利要求1-5任一所述的高强度连续油管用钢，其特征在于，Cr:0. 12-0. 26%。
7.如权利要求1-6任一所述的高强度连续油管用钢，其特征在于，Nb:0. 012-0. 039%。
8.如权利要求1-7任一所述的高强度连续油管用钢，其特征在于，Ti:0. 011-0. 028%。
9.如权利要求1-8任一所述的高强度连续油管用钢，其特征在于，Mo:0. 11-0. 39%，优选 O. 12-0. 36%。
10.如权利要求1-9任一所述的高强度连续油管用钢，其特征在于，Cu:0. 20-0. 55%。
11.如权利要求1-10任一所述的高强度连续油管用钢，其特征在于，Ni:0. 10-0.45%。
12.如权利要求1-11任一所述的高强度连续油管用钢，其特征在于，CaO. 0011-0. 0045% ο
13.如权利要求1-12任一所述的高强度连续油管用钢，其特征在于，Al:O.012-0. 049% ο
14.如权利要求1-13任一所述的高强度连续油管用钢，其特征在于，NO. 007%，优选彡 O. 006% ο
15.如权利要求1-14任一所述的高强度连续油管用钢，其特征在于，其显微组织马氏体和贝氏体双相组织。
16.如权利要求15所述的高强度连续油管用钢，其特征在于，马氏体比例为10-40%。
17.如权利要求1-16任一所述的高强度连续油管用钢，其特征在于，屈服强度Rp0.2 彡 415MPa，抗拉强度 Rm 彡 530MPa ;延伸率 A50. 8 彡 15% ;屈强比Rp0.2/Rm ( O. 85 ;均匀延伸率=Ag彡8%o
18.如权利要求1-17任一所述的高强度连续油管用钢的制造方法，包括 冶炼电炉或转炉冶炼； 连铸过热度控制5-18°C，镇静时间8-15min ； 板坯加热温度1180-1260°C ； 板还保温时间1. 5-2. 5min/mm ； 终轧温度控制范围780-900°C ； 控制三阶段冷却第一阶段冷却速度20-70°C /s，停冷温度范围500-580°C ； 第二阶段冷却速度彡O. 50C /s，冷却时间2-5min ； 第三阶段冷却速度彡5 0C /s，停冷温度范围彡300 0C ； 卷取； 酸洗和涂油。
19.如权利要求18所述的方法，其特征在于，酸洗和涂油中，上卷温度<80°C，酸洗温度:60-80°C，酸洗时间=45-100秒。
20.如权利要求19所述的方法，其特征在于，酸洗和涂油中，上卷温度为10-60°C。
21.如权利要求18-20任一所述的方法，其特征在于，第三阶段冷却的冷却速度为10-500C /s，停冷温度为 200-280°C。
22.如权利要求18-21任一所述的方法，其特征在于，卷取后自然冷却。
全文摘要
本发明涉及一种高强度连续油管用钢，其重量百分比化学成分为C0.02-0.15％、Si0.01-0.09％、Mn0.7-2.0％、P≤0.015％、S≤0.005％、Cr0.10-0.29％、Nb0.010-0.040％、Ti0.01-0.03％、Mo0.10-0.40％、Cu0.20-0.60％、Ni0.10-0.50％、Ca0.0010-0.0050％，Al0.01-0.05％，N≤0.008％，余量为Fe及不可避免的夹杂。其制造方法，包括电炉或转炉冶炼；连铸中过热度控制5-18℃，镇静时间8-15min；板坯加热温度1180-1260℃；板坯保温时间为1.5-2.5min/mm；终轧温度控制范围780-900℃；控制三阶段冷却；卷取后自然冷却；酸洗和涂油。获得的组织为贝氏体和马氏体双相组织，具有低屈强比和高强度的连续油管用钢，适合用于国内外钻井领域前连续油管中。
文档编号C22C38/50GK102953017SQ201110247400
公开日2013年3月6日 申请日期2011年8月25日 优先权日2011年8月25日
发明者章传国, 郑磊, 李冰 申请人:宝山钢铁股份有限公司