一种钻井用石油套管及其制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种钻井用石油套管及其制造方法，其化学成分的重量百分比为C：0.08～0.15％，Si：0.8～1.5％，Mn：1.5～3.0％，P：≤0.010％，S：≤0.005％，Cr：0.5～1.5％，Mo：0.2～0.4％，Nb：0.05～0.2％，Al：0.005～0.01％，Ca：0.001～0.002％，B：0.0008～0.002％，RE：0.0001～0.0005％，余量为Fe和不可避免的杂质；制造方法主要为：热轧卷板纵剪，成型焊接制成管坯后进行热张力减径，之后高温管坯进行在线全管体分步控制冷却，分别冷却至500℃和350℃，再空冷至室温，获得马氏体、贝氏体和残余奥氏体的混合组织，最后进行接箍表面处理及螺纹加工，制成石油套管；石油套管的屈服强度为660～758MPa，抗拉强度为≥724MPa，延伸率≥25％；在载荷比R＝?1，循环周次为1×107下，石油套管管材的拉?压疲劳强度σ?1≥400Mpa，可用于对套管的韧性和疲劳性能要求较高的套管钻井技术领域。
【专利说明】
-种钻井用石油套管及其制造方法
技术领域：
[0001] 本发明设及一种石油套管，具体设及一种钻井用石油套管及其制造方法。
【背景技术】：
[0002] 套管钻井技术是一种十分新颖并富有创造性的钻井新技术，而且极具市场发展前 景和技术发展潜力。常规钻井方式中，套管只受轴向拉压作用，而在套管钻井中，套管要承 受扭矩、拉压、冲击等，还要承受交变应力，套管承受一种多轴随机载荷作用，疲劳失效问题 相当严重。如何提高钻井用套管的疲劳性能是减少钻井疲劳失效的关键。
[0003] 目前油套管生产中基本上采用正火工艺、调质工艺等生产，一般管材的组织为珠 光体、铁素体及回火索氏体等，鲜有人报道采用贝氏体/马氏体复相组织等生产油管和套 管。国内外文献报道中有关运种复相组织多用于超高强度钢，一般属于空冷或盐浴热处理， 在热处理中回火溫度较低（不超过550°C)，合金含量Mn、Si等较高，并未考虑到HFW焊接性 能。国内外多年的科学研究发现：贝氏体/马氏体复相组织具有较佳的强初性配合和较高的 疲劳口槛值及较低的疲劳裂纹扩展速率。
[0004] 2015年2月18日公布的公布号为CN 104357756 A的中国发明专利，该专利公开了 一种抗硫化氨应力腐蚀直缝焊接石油套管及其制造方法，设及一种在硫化氨环境下使用的 高频电阻石油套管，该制造方法制备的石油套管最终的组织结构为回火索氏体，其力学性 能受到限制，并且该专利未对疲劳性能进行说明。
[0005] 2013年6月5日公布的公布号为CN 103128108 A的中国发明专利，该专利公开了一 种提高HFW焊管热社后强初性的在线控冷方法及装置，该方法虽然可W实现在线连续的控 制冷却，但对连续生产的高溫管巧进行在线连续分步式控制冷却具有局限性，不利于控制 管巧在一定溫度范围内停留。
【发明内容】
：
[0006] 为了克服上述缺点，本发明的目的在于提供一种钻井用石油套管及其制造方法， 本发明的石油套管显微组织为马氏体、贝氏体和残余奥氏体的混合组织，其屈服强度为660 ~758MPa，抗拉强度为含750MPa，延伸率含25% ;在相似服役条件下，石油套管的拉-压疲劳 强度0-1 > 400Mpa，比常规套管产品的拉-压疲劳强度0-1提高IOOM化W上；可用于对套管的 初性和疲劳性能要求较高的套管钻井技术领域。
[0007] 为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
[000引一种钻井用石油套管，该石油套管用热社卷板化学成分的质量百分比为C:0.08~ 0.15% ;Si :0.8~1.5% ;Mn: 1.5~3.0% ;P: <0.010% ;S: < 0.005% ;Cr :0.5~1.5% ;Mo: 0.2 ~0.4% ;Nb :0.05 ~0.2% ; Al :0.005-0.0 l % ; Ca: 0.0 Ol~0.002 % ;B: 0.0008 ~ 0.002% ;RE:0.OOOl~0.0005% ;余量为化和不可避免的杂质。
[0009]上述钻井用石油套管的壁厚不均度含0.8%，外径不圆度含0.30%。
[0010]上述钻井用石油套管的屈服强度为660~758MPa，抗拉强度为^50MPa，延伸率> 25%，横向冲击功含lOOJ。
[0011] 本发明中设计合金成分选取说明：
[0012] C:碳是主要固溶强化元素，可与多种合金形成强化相，可提高钢的强度。因该产品 采用热社卷板要充分考虑焊接性能和焊缝质量，同时也要考虑控制冷却中贝氏体转变溫度 及后续热处理工艺。为实现本发明的目的将C含量控制既可发挥强化作用，又不降低焊接性 能、热处理操作等，因而C设计范围为0.08%~0.15%。
[0013] Si:娃主要起脱氧作用，适量的娃可显著改善中碳、中低碳贝氏体钢的强初性，抑 制较高溫度下的贝氏体转变，还可阻碍碳化物的析出，提高钢的回火溫度;但含量过高显著 降低焊接性能，为达到发明的目的将其限定在0.8~1.5%。
[0014] Mn:儘可显著提高钢的泽透性，提高钢的强度，同时增加奥氏体冷却时的过冷度， 缩短贝氏体的转变孕育期，增加贝氏体的最大转变量，为达到发明的目的，设计范围为1.5 ~3.0%。
[001引 P、S:硫、憐含量越低对钢的焊缝、腐蚀及疲劳性能越有利，因此，限定P: <0.010， S: < 0.005, W保证提高钢的高初性和高疲劳性能。
[0016] 化:铭提高泽透性，改善钢的强初性。但含量多时容易在HFW焊接中产生夹杂物、灰 斑等缺陷，显著降低焊缝抗性能，因此控制铭含量在0.3 %~0.8 %之间。
[0017] Mo:钢提高钢的泽透性和回火稳定性，细化晶粒作用明显，因此，本发明将其含量 控制在0.5~1.5%之间。
[0018] Nb:妮能够形成C、N化物，细化晶粒，提高钢的泽透性和贝氏体回火稳定性;与B同 时加入降低冷却时的相变溫度，有利于组织细化;因而本发明控制其含量在0.05~0.2%。
[0019] Ca:巧可与硫形成硫化物，改善硫化物夹杂的形态，对改善钢的初性和疲劳性能非 常有利。当含量含0.003%时由于夹杂物增多，降低钢的洁净度，容易造成疲劳裂纹在夹杂 物处起裂，引起钢的疲劳性能降低，为达到发明的目的，化含量设计范围为0.OOl-0.002%。
[0020] Al:侣做为脱氧剂能提高钢的初性和加工性；与Si作用相似，同时延缓渗碳体沉 淀;但含量过大，容易形成氧化物夹杂，降低初性和疲劳性能性能，因而将其含量控制在Al: 0.005 ~0.01%。
[0021] B:钢中加入微量的棚可改善钢的致密性和热社性能，提高泽透性元素，强化晶界 强度，在一定程度上可代替Ni(化、Mo)，优选的B含量为0.0008~0.002%。
[0022] 稀±36:加入稀±元素能改善非金属夹杂物形态、强化晶界等作用，提高晶界强 度、冲击初性和焊缝性能，为达到发明目的控制稀上RE含量为0.0 OOl~0.0005%。
[0023] 制造上述钻井用石油套管的方法，其制造步骤包括：
[0024] 步骤1:将原料铁水和废钢经过冶炼、炉外精炼和真空脱气后连铸成板巧，然后社 审IJ、冷却制成卷板；
[0025] 步骤2:采用高精度热社卷板为原料，将钢带纵剪、锐边，经FFX弯曲成型和HFW焊 接，调整成型工艺、控制焊接参数焊成直缝焊管;焊后及时修整内外焊缝毛刺，使焊道与管 体内外表面齐平、光滑；
[0026] 步骤3:采用中频感应加热，加热速度为25 °C~45 °C/s，将HFW焊管管巧快速加热至 管材的奥氏体化相变溫度Ac3W上约950°C~1050°C，然后进入热张力减径机社漉机组，减 径至所需规格的管巧；
[0027] 步骤4:热张力减径后，利用两部在线控冷水箱对管巧进行两级分步外淋，控制管 巧进水箱前溫度^ 900°C，两部在线控冷水箱前后布置，控冷水箱内部采用多部环形喷淋； 利用前置控冷水箱对管巧外壁进行喷淋，将整体管巧溫度降低至50(TC左右，喷水速率为 500~1000立方米/小时;利用后置控冷水箱将整体管巧溫度降低至350°C左右，喷水速率为 200~500立方米/小时;将运行中的管巧整体冷却至所需溫度范围，最后在冷床上冷却至室 溫；
[0028] 步骤5:控制冷却后管巧进行回火和矫直处理，回火溫度含450°C，回火时间控制在 < 60min;回火后进行热矫直，进矫直机的入口溫度含400°C，矫直溫度控制为300~400°C ;
[0029] 步骤6:全管体无损探伤合格后管端车丝、接髓梓接、静水压试验、上保护环、喷标 和涂漆等制成成品套管。
[0030] 上述步骤3中管巧热张力减径时采用多道次热社，热社溫度为950~1000°C。
[0031] 本发明的有益效果：
[0032] 1、本发明添加 Cr、Mo、师等细化晶粒尺寸和净化钢质的化、稀±RE等元素，管体的 洁净度高和晶粒细小，晶粒度达到9级W上。
[0033] 2、本发明采用TMCP热社卷板，HFW焊接成型后管巧尺寸精度高，最终产品尺寸精度 可达到:壁厚不均度^ 0.8%，外径不圆度^ 0.30% ;通过热张减工艺与在线分级控制冷却 相结合的手段，形成马氏体、贝氏体和残余奥氏体的混合组织，从而提高套管的强初性和疲 劳性能。
[0034] 3、本发明通过两部在线控冷水箱对管巧进行两级分步外淋，两部在线控冷水箱前 后布置，控冷水箱内部采用多部环形喷淋;利用前置控冷水箱对管巧外壁进行喷淋，将整体 管巧溫度降低至50(TC左右;利用后置控冷水箱将整体管巧溫度降低至35(TC左右，运样可 使管巧在一定溫度范围内停留。
[0035] 4、本发明石油套管符合SOksi钢级油井管力学性能要求，屈服强度为660~ 758MPa，抗拉强度为含750MPa，延伸率含25%，横向冲击功含100J。
[0036] 5、本发明采用圆弧漏斗样，载荷比R = -I,循环周次设定为IX IO7进行疲劳试验， 石油套管管材的拉-压疲劳强度0-1含400Mpa，可W用于对套管的疲劳寿命具有较高要求的 套管钻井领域。
【具体实施方式】：
[0037] 结合实施实例对本发明进一步进行说明，其实施例见下表1、表2和表3。表1为试验 钢的烙炼化学成分，表2为不同化学成分下套管的力学性能，表3为不同化学成分下套管的 疲劳性能。
[0038] 由表1可W看出：本发明通过添加 RE、AlXa、Mn等元素合金，在炼钢中降低卷板中 S、P、0、N、H等有害元素含量和MnS等夹杂物的存在，W提高钢水的洁净度。
[0039] 热张力减径过程中通过中频感应加热和合理的选择社制道次、社制溫度范围将管 巧奥氏体晶粒尺寸保持原卷板尺寸，使晶粒度达9级W上，保证原料本质上的晶粒细小。
[0040] 在热张力减径后利用高溫余热进行快速分级控制冷却，先将管体溫度控制在贝氏 体相变区，先析出一定量贝氏体铁素体可分割原奥氏体晶粒，从而使后转变马氏体板条束 得W细化；同时合金成分设计使组织在原奥氏体晶界、贝氏体片条边界及其内部的亚片条 边界、贝氏体片条与马氏体板条束边界W及马氏体板条之间形成一定厚度的残余奥氏体 膜。通过热张减工艺与在线分级控制冷却相结合的手段，控制管材组织的精细结构构成，形 成马氏体、贝氏体和残余奥氏体的混合组织，其中马氏体+贝氏体的体积含量大于90%，马 氏体的体积含量大于35%而小于50%，残余奥氏体的体积含量小于10%，从而提高套管的 强初性和疲劳性能。
[0041] 在回火过程中，选择合适的回火溫度和时间，一方面使细小的马氏体铁素体上弥 散分布球状、细小的碳化物或合金碳化物，另一方面贝氏体/马氏体复合组织结构回火后遗 留下来。
[0042] 从表2和表3可W看出：采用本发明所述的化学成分和工艺，生产的试验钻井用石 油套管的强初性能优异，本发明采用圆弧漏斗样，载荷比R = -I,循环周次设定为IX 107,进 行疲劳试验证明石油套管管材的拉-压疲劳强度400Mpa，可W用于对套管的疲劳寿命 具有较高要求的套管钻井领域，完全能满足SOksi钢级钻井用石油套管的使用性能要求。
[0043] 表1试验钢的烙炼化学成分
[0044]
[0047」表3套菅的疲劳性能
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[
[004引
[0049] W上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定 本发明的【具体实施方式】仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱 离本发明构思的前提下，做出的若干简单推演、替换或变换等都应当视为属于本发明所提 交的权利要求书确定专利保护范围。
【主权项】
1. 一种钻井用石油套管，其特征在于:所述石油套管用热乳卷板化学成分的质量百分 KSC:0.08~0.15%;Si:0.8~1.5%;Mn :1.5~3.0%;P:<0.010%;S :<0.005%;Cr:0.5 ~1.5%;Mo:0.2~0.4% ;Nb:0.05~0.2%;Al:0.005~0.01% ;Ca:0.001~0.002%;B: 0.0008~0.002% ;RE:0.0001~0.0005% ;余量为Fe和不可避免的杂质。2. 根据权利要求1所述的钻井用石油套管，其特征在于:所述石油套管的显微组织为马 氏体、贝氏体和残余奥氏体的混合组织，其中马氏体+贝氏体的体积含量大于90%，马氏体 的体积含量大于35%而小于50%，残余奥氏体的体积含量小于10%。3. 根据权利要求1所述的钻井用石油套管，其特征在于:所述石油套管的壁厚不均度< 0.8%，外径不圆度<0.30%。4. 根据权利要求1所述的钻井用石油套管，其特征在于：所述石油套管的屈服强度为 660~758MPa，抗拉强度为2 750MPa，延伸率2 25%，横向冲击功2 100J;在载荷比R = -l，循 环周次为1 X 1〇7下，石油套管管材的拉-压疲劳强度σ-Ρ 400Mpa。5. 制造权利要求1所述的钻井用石油套管的制造方法，其特征在于:所述制造方法的步 骤包括： 步骤1:将原料铁水和废钢经过冶炼、炉外精炼和真空脱气后连铸成板坯，然后乳制、冷 却制成卷板； 步骤2:采用高精度热乳卷板为原料，将钢带纵剪、铣边，经FFX弯曲成型和HFW焊接，调 整成型工艺、控制焊接参数焊成直缝焊管;焊后及时修整内外焊缝毛刺，使焊道与管体内外 表面齐平、光滑； 步骤3:采用中频感应加热，加热速度为25~45 °C/s，将HFW焊管管坯快速加热至管材的 奥氏体化相变温度Ac3以上约980~1050Γ，然后进入热张力减径机乳辊机组，减径至所需 规格的管坯； 步骤4:热张力减径后，利用两部在线控冷水箱对管坯进行两级分步外淋，控制管坯进 入水箱前温度2 900°C，两部在线控冷水箱前后布置，控冷水箱内部采用多部环形喷淋;利 用前置控冷水箱对管坯外壁进行喷淋，将整体管坯温度降低至500°C左右，喷水速率为500 ~1000立方米/小时;利用后置控冷水箱将整体管坯温度降低至350°C左右，喷水速率为200 ~500立方米/小时;将运行中的管坯整体冷却至所需温度范围，最后在冷床上冷却至室温； 步骤5:控制冷却后管坯进行回火和矫直处理，回火温度2 450°C，回火时间控制在< 60min;回火后进行热矫直，进矫直机的入口温度2 400°C，矫直温度控制为300~400°C ; 步骤6:全管体无损探伤合格后管端车丝、接箍拧接、静水压试验、上保护环、喷标和涂 漆等制成成品套管。6. 根据权利要求4所述的钻井用石油套管的制造方法，其特征在于:所述步骤3中管坯 热张力减径时采用多道次热乳，热乳温度为950~1000°C。
【文档编号】C22C38/12GK105861931SQ201610363786
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年5月27日
【发明人】毕宗岳, 何石磊, 李远征, 张峰, 韦奉, 白鹤, 李周波, 王涛, 梁航, 周新义, 王亮, 徐凯, 杨晓龙
【申请人】宝鸡石油钢管有限责任公司