高频电阻直缝焊油井管用钢及其制造方法

专利名称：高频电阻直缝焊油井管用钢及其制造方法
技术领域：
本发明涉及高强度油井管用钢及其制造方法，特别涉及高频电阻直缝焊油井管用 钢及其制造方法，指的是N80级ERW焊接非调质石油油井管用钢，可用于制作石油套管和油管。
背景技术：
传统的高强度等级石油套管以无缝钢管为主，并且需要调质处理，生产工艺复杂， 成本较高。无缝钢管还存在着力学性能较差、钢管偏心、圆度误差大、壁厚不均勻、管内壁质 量不佳等一系列问题。高频电阻直缝焊油井管(简称ERW焊接油井管)是国外70年代末期开发并逐步 成熟起来的一种替代无缝管材的新型石油管材。由于焊缝和母材已完全可以通过提高焊接 质量，改进热处理工艺而实现等强度、等韧性匹配，所以ERW焊接油井管已不仅可以做石油 套管，而且可以做油管。高频电阻焊油井管与无缝油井管相比，具有尺寸精度高、焊缝韧性 好、抗挤压性能高、成本低等优势，得到了广泛的应用，取得了良好的效益。目前低强度级别 ERW焊接油井管制造技术比较成熟。但是用于开采深层油井的N80级高性能钢级ERW焊接 油井管用钢的生产制造方面仍处于起步阶段，特别是能够用于制作N80级高性能钢级ERW 焊接非调质油井管用热轧钢板的生产制造技术存在困难。N80级高性能钢级ERW油井管的制造有两种工艺一种是采用焊接后调质处理方 法，即采用强度等级较低的热轧钢板，ERW焊接制成管，进行整管调质处理(淬火+高温回 火)将油井管的力学性能提高到N80级别水平。这种方法钢板的原始组织为铁素体+珠光 体组织，调质处理后，钢板的组织为回火索氏体组织。为了调质后达到高强度的性能，产品 设计以C-Mn强化为主，添加一定量的V元素，高温回火后起到析出强化的作用。这种方法的 缺陷在于整管调质处理需要增加工艺成本，同时整管热处理的设备(加热炉和淬火设备) 复杂，难以保证整管内外表面均勻冷却符合调质处理工艺要求，另外，为了在调质后达到高 强度的性能，需要较高的C含量，这样管体的冲击韧性较低。专利CN200510038472. 7“高抗 挤石油套管及其生产方法”，即采用这种方法，钢中[C]含量较高，达到0.34-0. 39%，该套 管需采用调质(淬火加回火)的热处理工艺，淬火温度为860°C 士 10°C，回火温度在500°C 以上，套管热处理后，还需进行矫直处理，矫直温度需控制在450°C 480°C之间，生产工艺 较复杂，成本较高。另外一种方法是采用非调质的工艺方法，即钢板性能就达到N80性能要 求，ERW焊接制管后仅仅对焊缝进行正火处理，油井管就可以满足N80的要求。这需要设计 出符合N80性能要求的热轧钢板。现有的微合金热轧钢板的成分和工艺技术以C-Mn钢为 基础，添加微量的Nb、V、Ti等合金元素，获得铁素体加珠光体组织，强度难以达到N80级别 所要求的强度等级要求。为了提高强度，微合金非调质钢一般采取提高钢中C含量的方法， 但是当钢中的C含量较高时，材料的焊接性能恶化，不适合ERW焊接工艺要求，焊接后焊缝 冲击韧性差。中国专利101139682A提供的一种直缝电阻焊石油套管用钢及其制造方法，存 在以下几个不足1)采用Cu元素强化，热轧钢板中Cu元素会在板坯加热时引起严重的Cu
3脆裂纹，为了消除Cu脆裂，必须加入0. 2%以上的Ni元素，而Ni属于贵重金属，这显著增加 了产品的成本。2)Cu、Ni元素强化主要以析出强化和固溶强化为主，得到的产品屈强比较 高。这不利于钢板的制管加工。特别是在加工一些小管径的套管和油管时，由于管径小，制 管时的加工硬化严重，如果产品本身的屈强比较高，则制管后的屈强比就会更高，影响管材 的使用。3)产品加入了 B元素，由于B元素容易在晶界处偏析，不利于产品的焊接性能，所 以不适于制造需要ERW焊接的石油套管。4)该专利权利要求4的碳含量为0. 14-0.2%，现 有对钢材焊接性能研究表明，当钢材碳含量大于0. 14%时，会严重削弱材料的焊接性能，焊 后热影响区和焊缝冲击功低，并且焊接时需要预热处理，焊后需要缓冷。这在现有的ERW焊 接制管生产线上是无法实现的，并且会增加加工工序。因此，现有技术难以满足N80级ERW焊接非调质石油油井管用钢用钢对高强度、低 屈强比、高韧性、良好焊接性能、高性价比等优良综合性能要求。

发明内容
为了克服现有技术的不足，需要提供一种能够满足N80级ERW焊接非调质油井管 用钢及其制造方法，本发明采用低碳微合金化处理技术，主要依靠相变强化机理，利用夹杂 物形态控制技术和控制轧制控制冷却技术进行生产，从而保证材料具有较高强度的同时， 具有低屈强比、高韧性、良好焊接性能、高性价比等优良综合性能。本发明的目的是提供一种屈服强度大于555MPa、抗拉强度大于690MPa的N80级 ERW石油油井管用钢及其生产方法。解决现有技术ERW石油油井管用钢强度和韧性偏低， 屈强比较高，且强度和塑性不能良好匹配，不能满足N80级别非调质ERW焊接非调质油井管 用钢的技术问题。本发明材料的成分采用低碳、高锰作为强化元素，添加Mo、Cr降低材料的 相变点，增加材料的淬透性，主要依靠相变强化机理，同时采用铌、钛微合金元素细化晶粒， 采用夹杂物形态控制技术和控制轧制控制冷却技术进行生产。通过对轧后冷却速度进行控 制，使材料获得块状铁素体加下贝氏体组织或针状铁素体组织，从而使该材料除具有高强 度外，还具有较低的屈强比、良好的低温冲击韧性和良好的焊接、成型、加工性能，满足N80 级ERW焊接非调质石油套管对高强度和优良综合性能的要求。为达到上述目的，本发明设计了一种高频电阻直缝焊油井管用钢，其特征在于化 学成分(重量百分数)为，c 0. 05 0. 13%, Si 0. 10 0. 40%, Mn 1. 0 1. 8%，Cr 0. 1 0. 5 %，Mo :0. 1 0. 5 %，Nb 0. 02 0. 06 %，Ti 0. 02 0. 06 %，P 彡 0. 025 %， S^ 0. 020%，余量为Fe和不可避免的夹杂元素。本发明所述的高频电阻直缝焊油井管用钢中各元素的作用如下[碳]提高C含量，对提高钢的室温强度和中温强度有利，但对钢的塑性、韧性、成 型性、可焊性均不利，故C含量控制不宜过高。[锰]提高钢中Mn含量，能扩大、区，降低、—a转变温度，扩大轧制工艺范 围，但Mn含量高，会相应增加钢的成本，也会增加碳当量，不利于焊接。[硅]:Si也起到部分固溶强化作用，但是过高的Si含量，对提高钢的成型性、焊 接性、韧性和塑性不利。[钼]:Mo能有效地推迟铁素体而不影响贝氏体相变，Mo与Mn联合使用还有利于 得到细晶粒的针状铁素或者是细晶粒的粒状贝氏体。Mo还能够抑制珠光体的形成，从而能够有效提高材料的韧性。Mo提高抗强度的作用大于屈服强度，因此能够有效降低屈强比。 但是Mo元素含量过高，会形成上贝氏体，削弱冲击韧性。[铬]:Cr扩大、区，有利于得到针状铁素体或粒状贝氏体，扩大热轧工艺窗口。 Cr同样有利于降低屈强比。Cr含量高，同样会降低冲击韧性。[硫、磷]硫在钢中形成硫化物夹杂，使其延展性和韧性降低。钢轧制时，由于MnS 夹杂随着轧制方向延伸，使钢的各向异性加重，严重时导致钢板分层。同时含硫量高对钢的 焊接亦不利。含硫量高还降低钢的抗腐蚀性能。磷高增加钢的冷脆性，使钢的脆性转变温 度上升，使钢的冲击韧性显著下降，因此磷在石油套管用钢中的含量也愈少愈好。[钛]钢中加入微量钛，不仅有利于钢的脱氧，而且由于钢中钛的氮化物或碳化 物的存在，可起着延迟奥氏体晶粒的再结晶和长大的倾向，从而改善钢的性能，尤其是冲击 韧性。Ti还能够有效提高焊接性能。TiN能够有效防止板坯加热时晶粒过分长大。[铌]在钢中形成氮化物或碳化物，有利于细化晶粒组织，发挥析出强化的作用。 固溶在奥氏体中的Nb可以促进针状铁素体的形成。本发明提供了上述N80级ERW焊接非调质石油套管用钢的热轧工艺。将上述成分 要求的连铸板坯加热至1180°C 1230°C，热轧分为两段式轧制工艺，粗轧为再结晶温度以 上轧制，精轧在非再结晶温度区间轧制。粗轧阶段为5道次连轧，粗轧结束温度为1010 1060°C。精轧为7道次连轧，精轧开轧温度为900°C 950°C，精轧结束温度为820°C 880°C。精轧阶段压缩比大于75%，精轧后，钢板成品厚度为3 12mm，层流冷却阶段采用 前段强冷，冷却速度为15 30°C /S。卷取温度为500°C 600°C。本发明采取的热轧工艺制度的作用如下板坯加热温度板坯加热温度设定在于确保Nb元素的溶解，板坯加热温度过高会 引起板坯奥氏体晶粒异常长大。再结晶以下温度的轧制通过再结晶停止温度以下的连续轧制可增加奥氏体中铁 素体成核点的密度，从而充分细化铁素体、贝氏体、针状铁素体的晶粒尺寸，这对于发挥细 晶强化的作用和提高材料的韧性非常关键。终轧温度采取较低的终轧温度同样能够有效细化组织，提高产品的韧性。由于低 温下，扩散速率慢，因此低的终轧温度还能够抑制Nb的化合物析出，增加Nb在固溶体中的 保留量都会取得较低转变温度和增加铁素体中析出强化的结果。卷取温度较低的卷取温度意味着轧后快速冷却速度，在500°C以上的快速冷却 是获得具有高位错密度的贝氏体、针状铁素体的重要保证。另外合适的卷取温度是保证 Nb(C，N)于600到500°C温度范围中的析出的因素。本发明的有益效果是，通过合理的成分设计和热轧工艺制度设计，得到一种具有 良好综合性能的高强度级别ERW焊接非调质石油油井管用钢，可用于制作石油套管和油 管。其成分设计的优点在于通过C含量的调节和加入Mo、Cr元素，得到针状铁素体组织或 铁素体+下贝氏体组织，显微组织为复相组织，能够有效降低材料的屈强比，通过相变强化 既保证高强度的要求，又保证了材料具有较低屈强比和高的冲击韧性。其轧制工艺的特点 在于通过控制非再结晶区的轧制温度和变形量，细化组织，保证冲击韧性。通过控制精轧结 束温度和轧制后冷却速度保证得到合适的组织和发挥析出强化的作用。得到的高强度级别 ERW焊接非调质石油油井管用钢的性能要求，全面满足API 5CT标准对石油油井管的要求。
本发明得到的高强度级别ERW焊接非调质石油油井管用钢的规定总延伸强度 Rt0.5≥555MPa，抗拉强度Rm≥690MPa，屈强比≤0. 83，断后伸长率≥28%，钢板横向0°C夏 比冲击功≥ 120J。显微组织为复相组织，具体为块状铁素体+针状铁素体或者块状铁素体 +粒状贝氏体，晶粒度级别≥ 11级。


图1和图2为高性能石油油井管用钢的金相显微组织照片
具体实施例方式下面结合实施例1-4对本发明做进一步说明。表2本发明的组分配比，组分为重量百分比％，余量为Fe。 按照本发明材料成分设计的要求，采用铁水预脱硫，转炉顶底复合吹炼，吹Ar站 (或LF炉)保证底吹Ar搅拌时间大于5分钟，RH炉进行成分微调、真空循环脱气处理，保 证RH纯脱气时间大于8分钟，同时喂适量的铁-钙线，连铸采用低碳钢保护渣，全程吹Ar 保护浇铸，浇铸成连铸板坯。连铸板坯经加热炉再加热后，在连续热连轧轧机上轧制，工艺 控制见下表3，通过粗轧轧机和精轧连轧机组在再结晶区和未再结晶区控制轧制后，进行控 制冷却，然后进行卷取，生产出合格热轧板卷，产品厚度为3-12mm。表3本发明热轧工艺控制参数 利用上述方法得到的N80级ERW焊接非调质石油油井管用热轧钢板。参照附图， 显微组织为复相组织，具体为块状铁素体+针状铁素体(图1)或者是块状铁素体+粒状 贝氏体(图2)。晶粒度级别为11 13级。除具有高强度外，还具有较低的屈强比、良好 的低温冲击韧性和良好的焊接、成型、加工性能。规定总延伸强度Rt。.5 ^ 555MPa，抗拉强度 Rm彡690MPa，屈强比彡0.83，断后伸长率彡28%，钢板横向0°C夏比冲击功彡120J。取样 检测力学性能见表4:表4分板卷取样的力学性能
权利要求
一种高频电阻直缝焊油井管用钢，其特征在于化学成分重量百分数为，C0.05～0.13％，Si0.10～0.40％，Mn1.0～1.8％，Cr0.1～0.5％，Mo0.1～0.5％，Nb0.02～0.06％，Ti0.02～0.06％，P≤0.025％，S≤0.020％，余量为Fe和不可避免的夹杂元素。
2.制造如权利要求1所述的高频电阻直缝焊油井管用钢的方法，其特征是包括以下步 骤将成分要求的连铸板坯加热至1180°C 1230°C，热轧分为两段式轧制工艺，粗轧为再 结晶温度以上轧制，精轧在非再结晶温度区间轧制；粗轧阶段为5道次连轧，粗轧结束温度 为1010 1060°C ；精轧为7道次连轧，精轧开轧温度为900°C 950°C，精轧结束温度为 820°C 880°C ；精轧阶段压缩比大于75%，层流冷却阶段采用前段强冷，冷却速度为15 300C /S，卷取温度为500°C 600°C。
3.根据权利要求2所述的高频电阻直缝焊油井管用钢的制造方法，其特征是精轧后， 控制钢板成品厚度为3 12mm。
全文摘要
本发明涉及高强度油井管用钢及其制造方法，特别涉及高频电阻直缝焊油井管用钢及其制造方法，解决现有技术ERW石油油井管用钢强度和韧性偏低，屈强比较高，且强度和塑性不能良好匹配，不能满足N80级别非调质ERW焊接非调质油井管用钢的技术问题。本发明设计了一种高频电阻直缝焊油井管用钢，其特征在于化学成分(重量百分数)为，C0.05～0.13％，Si0.10～0.40％，Mn1.0～1.8％，Cr0.1～0.5％，Mo0.1～0.5％，Nb0.02～0.06％，Ti0.02～0.06％，P≤0.025％，S≤0.020％，余量为Fe和不可避免的夹杂元素。可用于制作石油套管和油管。
文档编号B21B37/16GK101864542SQ20091003057
公开日2010年10月20日 申请日期2009年4月16日 优先权日2009年4月16日
发明者何宜柱, 刘友荣, 吴浩方, 斯松华, 董汉君, 袁晓敏, 裴新华, 郭振和, 韩乃川 申请人:上海梅山钢铁股份有限公司;安徽工业大学