一种高强高韧n80q石油套管及其制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种高强高韧N80Q石油套管及其制造方法，其化学成分的重量百分比为C：0.08～0.22％，Si：0.15～0.30％，Mn：0.8～1.5％，P：≤0.010％，S：≤0.005％，Cr：0.5～1.0％，Mo：0.10～0.30％，Al：0.005～0.01％，Nb：0.03～0.15％，Ti：0.02～0.1％，Ca：0.001～0.003％，B：0.001～0.005％，RE：0.0002～0.001％，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，热张力减径后在线淬火，获得90％以上的马氏体组织，最后进行接箍表面处理及螺纹加工，制成石油套管；石油套管组织晶粒尺寸≤5μm，可实现钢管高的强韧性配比；本发明利用高温余热进行在线淬火，减少了热处理工艺，节约了能耗，降低了生产成本。
【专利说明】
-种高强高初N80Q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，具体设及一种高强高初N80Q石油套管及其制造方法。
【背景技术】：
[0002] 目前，油气资源的开采对套管强度的要求显著提高，但材料的初性也逐步下降，并 且材料对表面缺陷的敏感程度会进一步地增大。大量失效分析发现:组织初性较差和冲击 初性过低等是造成石油套管断裂的主要因素之一。同时，研究也表明：钢的强度和初性、塑 性通常表现为互为消长的关系，而细化晶粒是唯一可提高强度和初性的手段。
[0003] 石油套管生产工艺主要有无缝社制钢管和直缝电阻焊钢管两种。无缝套管因采用 穿孔成型，管巧的社制变形量较小，而直缝焊管采用热社卷板作原料，该原料的原始厚铸巧 经过控扎控冷工艺(TMCP)，在大的社制变形量和控制冷却下，微观组织得到有效控制，晶粒 细化效果远优于无缝管巧，因此管材强初性也优于无缝管。同时，无缝管为了提高强度，一 般加入较高的碳，但是带来的问题是初性损失。N80钢级W上高强度直缝电阻焊套管在生产 中，为了提高强度，一般需要采用离线调质处理，主要带来两方面问题:一是高溫和较长时 间保溫容易使管巧组织粗化，使得原始卷板晶粒细小优势不能得到发挥;二是管巧在电阻 炉或燃气炉进行90(TC W上长时间高溫加热，造成能源大量浪费，环境污染，制造成本增加 等。
[0004] 2013年6月12日公布的公布号为CN 103147009 A的中国发明专利，该专利公开了 一种N80Q钢级石油套管及其制造方法，设及一种经济型高强初N80Q钢级套管及其制造方 法，其钢成分设计中降低了 Cr、Ti等元素含量，但未使用Mo、Nb等元素，热处理工艺仍然采用 泽火+回火运种传统的热处理方式，其成本降低有限，限制了套管性能提升，因而该套管的 强度偏API标准要求的下限，同时其初性的增幅也有限。
[0005] 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 高频电阻石油套管用钢，化学成分采用了 Nb、V、Mo等微合金化，该专利在制造方法中虽采用 热张力减径余热后在线管材控制冷却，但是管材晶粒度>9,焊缝横向冲击功>108J，说明 在高溫热社过程中未充分发挥出热张减工艺下微合金元素细化作用，而且还有提升管材性 能和降低成本的空间。
【发明内容】
：
[0006] 为了克服上述缺点，本发明目的在于提供一种高强高初N80Q石油套管及其制造方 法，本发明的石油套管的屈服强度为650~758MPa，抗拉强度为>740MPa，延伸率>25 %，横 向冲击功> 150 J，纵向冲击功> 180 J，组织晶粒尺寸《5皿，产品强初性匹配高、晶粒细小， 简化了生产工序，提高了生产效率，降低了能耗和成本。
[0007] 为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
[000引一种高强高初N80Q石油套管，其化学成分的重量百分配比为C: 0.08~0.22 % ; Si : 0.15~0.30%;Mn:0.8~1.5%;P:《0.010%;S:《0.005%;Cr:0.5~1.0%;Mo:0.10~ 0.30%;Al:0.005~0.01%;Nb:0.03~0.15%;Ti:0.02~0.1%;Ca:0.001~0.003%;B: 0.001~0.005% ;RE:0.0002~0.001% ;余量为化和不可避免的杂质。
[0009] 上述石油套管的屈服强度为650~758M化，抗拉强度为>740M化，延伸率>25%， 横向冲击功> 150 J，纵向冲击功> 180 J。
[0010] 上述石油套管的组织晶粒尺寸《5皿。
[0011] 本发明合金成分的选取说明：
[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;但当含量 提高时恶化卷板的焊接性能，应严格限制碳含量。因本发明采用热社卷板要充分考虑焊接 性能和焊缝质量，同时也要有利于后续热处理工艺。为实现本发明的目的将C含量控制在 0.08%~0.22%。
[0013] Si:娃主要起脱氧作用，含量多时对初性和抗腐蚀性能不利，故含量越低越好，将 其限定在0.15~0.30%。
[0014] Mn:儘可显著提高钢的泽透性，提高钢的强度。但当含量多时容易形成带状组织， 降低钢的初性性能。为达到发明的目的，设计范围为0.8~1.5%。
[001引 P、S:硫、憐含量越低对钢的焊接性能、腐蚀和初性越有利，因此，限定P:《0.0 lO， S:《0.005，W保证钢的焊缝质量和初性性能指标。
[0016] Cr:铭提高泽透性，改善钢的强初性。但含量多时容易在未加保护气体HFW焊接中 产生夹杂物、灰斑等缺陷，显著降低焊缝性能。因此控制铭含量在0.5%~1.0%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。还是强碳化物形成元 素，弥散分布的合金碳化物对提高钢的强初性有利。但含量高时，因价格昂贵而成本增加明 显，并且容易在晶界形成粗大的碳化物，降低管材初性。因此，本发明将其含量控制在0.10 ~0.30 %之间。
[0018] Nb:妮能够形成C、N化合物，细化晶粒，提高钢的泽透性、强初性;但价格高，添加过 多增加成本，因而本发明控制其含量在0.03~0.15%。
[0019] Ti:提高钢的泽透性、强初性;和C、0和N形成化合物，具有在高溫热社过程中阻止 晶粒长大的作用。为达到发明的目的，Ti含量设计范围为0.02~0.1%。
[0020] Al:侣能够做为脱氧剂能提高钢的初性和加工性。但含量过大，容易形成氧化物夹 杂，降低初性。因而将其含量控制在Al: 0.0 Ol~0.003 %。
[0021] Ca:巧可与硫形成硫化物，改善硫化物夹杂的形态，对提高钢的初性非常有利。当 含量>0.003%时由于夹杂物增多，降低钢的洁净度，造成钢的初性降低。为达到发明的目 的，化含量设计范围为0.001~0.003 %。
[0022] B:在化、Mo元素存在下，添加少量B可显著提高泽透性元素，提高在线泽火的工艺 性。优选的B含量为0.0 Ol~0.005%。
[0023] 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，改善焊缝质 量，提高管材的腐蚀性能和初性。为达到发明目的控制稀±RE含量为0.0002~0.0 Ol %。 [0024]制造上述局强局初N80Q石油套管的方法，其制造步骤包括：
[002引步骤1:冶炼、社审U
[0026]采用转炉炼钢，精炼，连铸成板巧，热社制成卷板；
[0027] 步骤2:制管
[0028] 将卷板纵剪、锐边，FFX弯曲成型，HFW焊接成直缝焊管;焊后及时修整内外焊缝毛 刺，毛刺余高均《0. .25mm，壁厚不均度《4%，外径不圆度《0.35% ;
[00巧]步骤3:热张力减径
[0030] 采用中频感应炉加热，加热速度为30~50°C/s，将管巧加热至960~1050°C，之后 进入热张力减径机社漉机组减径，减径至所需规格管巧，同时控制张减速率，控制出口溫度 >900。。
[0031] 步骤4:在线泽火
[0032] 热张力减径后，控制管巧溫度进入水箱前>85(TC，利用在线泽火装置对管巧进行 内喷外淋;在线泽火装置采用环形喷淋环对管巧外壁进行喷淋，且喷射方向沿管巧外壁，与 管巧旋转方向相反，喷水速度为200~1000立方米/小时；同时沿旋转高溫管巧轴向内壁喷 水，内壁喷水速度为2000~3000立方米/小时；内喷外淋时间为10~20s，最终使焊管冷却至 室溫；
[0033] 步骤5:回火处理及矫直
[0034] 在线泽火后对管巧进行回火处理，回火溫度>550°C，回火时间为60~90min;回火 后对管巧进行热矫直，进矫直机的入口溫度>450°C，热矫直溫度为450~600°C ;
[0035] 步骤6:探伤、管端车丝等后续加工
[0036] 热矫直后，对管巧进行全管体无损探伤，探伤合格后进行管端车丝、接髓梓接、静 水压试验、上保护环、喷标和涂漆，制成成品套管。
[0037] 上述的步骤3中热张力减径采用多道次热社的方式，热社溫度控制在900~980°C。
[0038] 本发明的有益效果：
[0039] 1、因添加Mo、师、Ti等细化晶粒尺寸和净化钢质的化、稀±RE等元素，卷板用钢的 洁净度高和晶粒细小，组织晶粒尺寸《5WH;结合中频感应加热、热张减工艺及热张减后快 速在线泽火，使管巧热社后细化管巧的奥氏体晶粒保存下来，获得90% W上的马氏体组织， 提高了管巧的强度和初性。
[0040] 2、本发明直接利用热张减后余热进行泽火处理，采用环形喷淋环进行内喷外淋， 减少热处理工序，避免了常规调质处理中高溫常时保溫造成奥氏体晶粒的粗大，降低了能 耗和节约生产成本，提高了生产效率。
[0041 ] 3、本发明的回火溫度>550°C，回火时间为60~90min，使球状、细小的碳化物或合 金碳化物弥散分布在细小的马氏体和铁素体，减少碳化物在板条界或晶界的析出，从而提 高套管管体和焊缝区域的强初性。
[0042] 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650~ 7581口曰，抗拉强度为>7401口曰，延伸率>25%，横向冲击功>1501，纵向冲击功>18(^。
【具体实施方式】：
[0043] 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和表2。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及腐蚀性能。
[0044] 由表1可W看出：本发明添加Nb、Ti、Mo等元素，使卷板在控制社制和热张力减径工 艺中更好将管材原奥氏体晶粒尺寸细化。
[0045] 通过选择合适加热速率和加热溫度的中频感应加热，W及合理社制道次、社制溫 度范围的热张力减径工艺，使Nb、Ti等微合金元素的晶粒细化作用发挥，使管巧的奥氏体晶 粒进一步细化;热张力减径后管巧高溫余热进行在线全管体泽火冷却可保留细化的奥氏体 晶粒尺寸，获得90% W上的马氏体组织；在线泽火后进行回火，选择合适的回火溫度和时 间，使球状、细小的碳化物或合金碳化物弥散分布在细小的马氏体铁素体上，并减少碳化物 在板条界或晶界的析出，从而提高套管管体和焊缝区域的强初性。
[0046] 由表2可W看出：采用本发明所述的化学成分和工艺，生产的高强高初N80Q石油套 管的强初性能优异，完全能满足SOksi钢级石油套管的使用性能要求。
[0047] 表1试验钢的烙炼化学成分 [004引
[(
[(
[0051] 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. 一种高强高韧N80Q石油套管，其特征在于:所述石油套管化学成分的重量百分比为 C:0.08~0.22%;Si:0.15~0.30%;Mn :0.8~1.5%;P:<0.010%;S :<0.005%;Cr:0.5~ 1.0%;Mo:0.10~0.30% ;Al:0.005~0.01%;Nb:0.03~0.15% ;Ti:0.02~0.1%;Ca: 0.001 ~0.003% ;Β:0·001 ~0.005% ;RE:(h0002~0.001% ;余量为Fe和不可避免的杂质。2. 根据权利要求1所述的高强高韧N80Q石油套管，其特征在于:所述石油套管的屈服强 度为650~758MPa，抗拉强度为彡740MPa，延伸率彡25%，横向冲击功彡150J，纵向冲击功彡 180J〇3. 根据权利要求1所述高强高韧N80Q石油套管，其特征在于:所述石油套管的组织晶粒 尺寸彡5μηι。4. 制造权利要求1所述的高强高韧N80Q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:冶炼、乳制 采用转炉炼钢，精炼，连铸成板坯，热乳制成卷板； 步骤2:制管 将卷板纵剪、铣边，FFX弯曲成型，HFW焊接成直缝焊管;焊后及时修整内外焊缝毛刺，毛 刺余高均<〇. .25mm，壁厚不均度<4%，外径不圆度<0.35% ; 步骤3:热张力减径 采用中频感应炉加热，加热速度为30~50°C/s，将管坯加热至960~1050°C，之后进入 热张力减径机乳辊机组减径，减径至所需规格管坯，同时控制张减速率，控制出口温度多 900 °C； 步骤4:在线淬火 热张力减径后，控制管坯温度进入水箱前多850°C，利用在线淬火装置对管坯进行内喷 外淋;在线淬火装置采用环形喷淋环对管坯外壁进行喷淋，且喷射方向沿管坯外壁，与管坯 旋转方向相反，喷水速度为200~1000立方米/小时；同时沿旋转高温管坯轴向内壁喷水，内 壁喷水速度为2000~3000立方米/小时；内喷外淋时间为10~20s，最终使焊管冷却至室温； 步骤5:回火处理及矫直 在线淬火后对管坯进行回火处理，回火温度^550°C，回火时间为60~90min;回火后对 管坯进行热矫直，进矫直机的入口温度多450°C，热矫直温度为450~600°C ; 步骤6:探伤、管端车丝等后续加工 热矫直后，对管坯进行全管体无损探伤，探伤合格后进行管端车丝、接箍拧接、静水压 试验、上保护环、喷标和涂漆，制成成品套管。5. 根据权利要求4所述的高强高韧N80Q石油套管的制造方法，其特征在于:所述步骤3 中热张力减径采用多道次热乳的方式，热乳温度控制在900~980 °C。
【文档编号】C22C38/06GK105925883SQ201610362074
【公开日】2016年9月7日
【申请日】2016年5月27日
【发明人】毕宗岳, 何石磊, 韦奉, 李远征, 张峰, 白鹤, 李周波, 梁航, 王涛, 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