专利名称：110ksi钢级直缝焊石油套管用钢、套管及制造方法
技术领域：
本发明涉及一种直缝电阻焊石油套管用钢、套管及制造方法，更具体地说，
是涉及一种110ksi钢级直缝焊石油套管用钢、套管及制造方法。
背景技术：
石油及天然气开采用套管一般是根据API(美国石油协会)标准组织生产与 供货的。API标准规定，可以用无缝管和直缝焊管制造石油套管。相对于无缝管 而言，直缝焊管具有生产效率高、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。
就直缝焊套管而言，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；冶炼并轧成热轧板巻；将板巻通过成型和直缝电阻焊方式制成管 料；对钢管焊缝或钢管整体进行热处理；并对管端进行适当的螺纹加工，最终 生产出合格的石油套管。
就P110ksi级石油套管而言，API标准规定管体的屈服强度Rp。.6在758 965MPa之间，抗拉强度Rm^862 MPa，零度横向冲击》20J。
一种实现高强度性能要求的方法是首先获得高强度的热轧钢板，焊接后仅对 焊缝进行热处理来达到API标准规定的性能要求。由于P110ksi级套管屈服强度 较高，如果按照上述标准规定直接生产热轧板料，会给其后的工序制板和成型带 来难度，因此，应考虑先尽量降低热轧板巻强度，然后在焊接后，可以通过焊后 整管热处理来实现焊管产品高强度的性能要求，比如通过调质处理可使产品达到 110钢级的水平，由于焊缝和管体同时经历了相变，整管热处理能有效地减轻焊 缝与管体组织上的差异，消除残余应力，从而提高套管的性能，满足API标准规 定的要求。
如JP7173541,采用焊后整管热处理的方式生产高强度ERW焊接钢管，其合金 设计的化学成分重量百分比为C: 0. 1 0. 25、 Si: 0. 1 0. 5、 Mn: 1. 0 3. 0、 Mo: 《1.0、 Nb: 0. 015 0. 05、 Cr: 1.0 3. 0、 P《0. 02、 S《0. 02，其余为Fe和不可
避免的杂质。该专利文献所公开的钢管的屈服强度在1200MPa左右，远远大于石 油套管对屈服强度在758 965MPa之间的要求，不适于P110ksi级石油套管的生产。
为得到P110ksi级高钢级焊接套管，并尽量控制其热轧板巻的屈服强度， 从成分设计角度考虑，应采用较高碳当量的碳锰钢。但是，对于连续焊管生产 而言，除了需要对板巻边部进行电感应加热熔化后挤压焊接外，还需对两板巻 头尾之间进行C02气体保护焊，以便实现多巻连续生产。因此，从焊接角度出发， 必须对板巻的碳当量有所限制。为了能很好地进行板巻头尾对焊， 一般都将板 巻的碳当量控制在0.40以下。为了在较低碳当量下得到较高强度，并在整管热 处理时沿壁厚完全淬透，需要在材料中加入合金元素。
因此，为有效解决上述问题，本发明提出一种合适的碳锰钢成分设计，在 加入少量合金元素的情况下，通过合适的板巻轧制和焊接工艺特别设计，及最 后的整管调质热处理，得到焊缝与管体性能一致的110ksi高钢级石油套管。
发明内容
本发明的目的首先是提供一种110ksi钢级直缝焊石油套管用钢。 本发明还提供用上述钢制造的套管。 本发明还提供上述套管的制造方法。 本发明的目的是这样实现的
本发明的110ksi钢级直缝焊石油套管用钢，其化学成分重量百分比如下 C: 0. 15 0. 4、 Si: 0. 1 0. 8、 Mn: 0. 5 1. 8、 Al: 0. 01 0. 08、 Mo: 0. 1 0. 8、 V: 0.01 0. 1，其余为Fe和不可避免的杂质。
本发明化学成分设计原理如下
碳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
时会大大降低钢的焊接性能，因此，碳的含量在O. 15 0.4 (以重量百分比计，
以下各元素相同)较为合理。
硅Si: Si加入钢中起到脱氧和改善耐蚀性的作用，但高于O. 8，加工和韧 性恶化，低于O. l效果不明显，因此，硅的含量在0. 1 0. 8较为合理。
锰Mn: Mn为奥氏体形成元素，可以提高钢的淬透性，含量小于0. 5时作用 不明显，含量大于1.8时，大大增加钢中的组织偏析，影响热轧组织的均匀性， 因此，锰的含量在0.5 1.8较为合理。
铝Al: Al在钢中起到了脱氧作用和细化晶粒的作用。当加入量低于0.01
时，效果不明显，加入量超过O. 05，力学性能变差，因此，铝的含量在0.01 0.08较为合理。
钼Mo: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， 含量超过0.8会降低钢的韧性，低于O. l效果不明显，因此，钼的含量在O. l 0.8较为合理。
钒V: V能够细化晶粒，形成碳化物，提高钢的强度和韧性。但含量超过O. 1 后效果不明显，因此，钒的含量在0. 01 0. 1较为合理。
本发明的套管，是采用上述钢制造的套管，其化学成分重量百分比如下C: 0. 15 0. 4、 Si: 0. 1 0. 8、 Mn: 0. 5 1.8、 Al: 0. 01 0. 08、 Mo: 0. 1 0. 8、 V: 0. 01 0. 1，其余为Fe和不可避免的杂质。
本发明套管的制造方法，包括冶炼、浇铸、轧制、冷却、巻取成板、连续 成型、电阻焊、整管热处理和管加工，其中，所述的冷却步骤中冷却时间《20s， 冷却至650 75(TC巻取；所述的整管热处理工艺为900 95(TC加热保温20 60min，水淬后550 650。C加热保温40 90min，回火。
根据本发明所述的制造方法，其中较好地是，所述的巻取成板得到屈服强 度420 48謹Pa的板巻，有利于此后进行的制管成型。
根据本发明所述的制造方法，其中较好地是，所述的轧制步骤中轧制温度 为1200 1300°C，终轧温度800 900°C。
根据本发明所述的制造方法，其中较好地是，所述的电阻焊工艺为焊接功 率400 700KW，焊接速度10 20m/min，挤压量2 15mm。
根据本发明，钢水经转炉或电炉冶炼，并连浇铸成板坯。板坯经1200 1300 'C加热后轧成板带，板带的终轧温度在800 900"C之间，在轧后20秒中之内， 将钢板迅速冷却到75(TC以下巻取，得到较低屈服强度420 480 MPa的板巻， 有利于制管成型。板巻随后进入连续成型工序，接着在焊接功率400 700KW、 焊接速度10 20m/min、挤压量2 15mm条件下进行电阻焊(ERW)。然后900 950。C加热保温20 60min后水淬，再经550 650°C加热保温40 90rain后回火， 对焊管进行整体调质热处理。最后，进行管加工，得到高强度P110石油套管。
本发明具有如下的有益效果
本发明的110ksi钢级直缝焊石油套管用钢、套管成本低廉、制造工艺可行 性好，可广泛应用于石油天然气开采开发，它的成功设计和开发将会带来巨大
的经济效益，其市场前景非常巨大。
具体实施例方式
以下用实施例对本发明作更详细的描述。这些实施例仅仅是对本发明最佳 实施方式的描述，并不对本发明的范围有任何限制。 实施例1
本实施例的钢具有如下含量的化学成分(重量百分比计)C: 0. 25、 Si: 0. 30、 Mn: 1.75、 Mo: 0.20、 V: 0.011、 Al: 0.012，其余为Fe和不可避免的杂质。
钢水经转炉冶炼，并连浇铸成板坯。板坯经122(TC加热后轧成板带，板带 的终轧温度为85(TC，在轧后20秒中之内，将钢板迅速冷却到69(TC进行巻取， 得到屈服强度Rp。.2为476MPa、抗拉强度Rm为684MPa、延展率八5。.8 %为35. 0的 板巻。该板巻随后进入连续成型工序，接着在焊接功率680KW、焊接速度12m/min、 挤压量8mm条件下进行电阻焊(ERW)。然后92(TC加热保温30min后水淬，再经 55(TC加热保温58min后回火，对焊管进行整体调质热处理。最后，进行管加工， 得到屈服强度Rp。.6为921MPa、抗拉强度Rm为981MPa、延展率&。.83为22. 0、 零度横向冲击为58J的高强度P110石油套管。
实施例2
本实施例的钢具有如下含量的化学成分(重量百分比计)C: 0.25、Si: 0.30、 Mn: 1.75、 Mo: 0.20、 V: 0.011、 Al: 0.012，其余为Fe和不可避免的杂质。
钢水经转炉冶炼，并连浇铸成板坯。板坯经130(TC加热后轧成板带，板带 的终轧温度为90(TC，在轧后20秒中之内，将钢板迅速冷却到70(TC进行巻取， 得到屈服强度Rp。.6为458MPa、抗拉强度Rm为675MPa、延展率Aw。/。为33. 0的 板巻。该板巻随后进入连续成型工序，接着在焊接功率700KW、焊接速度20m/min、 挤压量10mm条件下进行电阻焊(ERW)。然后95(TC加热保温20min后水淬，再 经57(TC加热保温90min后回火，对焊管进行整体调质热处理。最后，进行管加 工，得到屈服强度Rp。.e为913MPa、抗拉强度Rm为972MPa、延展率&。.8 %为23. 0、 零度横向冲击为65J的高强度P110石油套管。
实施例3
本实施例的钢具有如下含量的化学成分(重量百分比计)C: 0. 15、Si: 0. 11、 Mn: 1.23、 Mo: 0.25、 V: 0.068、 Al: 0.037，其余为Fe和不可避免的杂质。 钢水经转炉冶炼，并连浇铸成板坯。板坯经120(TC加热后轧成板带，板带
的终轧温度为80(TC，在轧后20秒中之内，将钢板迅速冷却到730'C进行巻取， 得到屈服强度Rp。.2为434MPa、抗拉强度Rm为634MPa、延展率八5。.8 %为35. 0的 板巻。该板巻随后进入连续成型工序，接着在焊接功率550KW、焊接速度15m/min、 挤压量5mm条件下进行电阻焊(ERW)。然后93(TC加热保温25min后水淬，再经 63(TC加热保温50min后回火，对焊管进行整体调质热处理。最后，进行管加工， 得到屈服强度Rp"为845MPa、抗拉强度Rm为942MPa、延展率&。、％为20. 0、 零度焊横向冲击为60J的高强度P110石油套管。 实施例4
本实施例的钢具有如下含量的化学成分(重量百分比计)C: 0. 30、Si: 0.22、 Mn: 0.80、 Mo: 0.75、 V: 0.03、 Al: 0.07，其余为Fe和不可避免的杂质。
钢水经转炉冶炼，并连浇铸成板坯。板坯经127(TC加热后轧成板带，板带 的终轧温度为88(TC，在轧后20秒中之内，将钢板迅速冷却到75(TC进行巻取， 得到屈服强度Rp。.2为428MPa、抗拉强度Rm为665MPa、延展率AsuJo为38.0的 板巻。该板巻随后进入连续成型工序，接着在焊接功率400KW、焊接速度10m/min、 挤压量15mm条件下进行电阻焊(ERW)。然后90(TC加热保温60min后水淬，再 经65(TC加热保温40min后回火，对焊管进行整体调质热处理。最后，进行管加 工，得到屈服强度Rp。.e为827MPa、抗拉强度Rm为892MPa、延展率八5 .8隨％为24.0、 零度横向冲击为67J的高强度P110石油套管。
实施例5
本实施例的钢具有如下含量的化学成分(重量百分比计)C: 0. 20、Si: 0.25、 Mn: 1.0、 Mo: 0.12、 V: 0.07、 Al: 0.06，其余为Fe和不可避免的杂质。
钢水经转炉冶炼，并连浇铸成板坯。板坯经121(TC加热后轧成板带，板带 的终轧温度为80(TC，在轧后20秒中之内，将钢板迅速冷却到715。C进行巻取， 得到屈服强度Rp。.6为455MPa、抗拉强度Rm为675MPa、延展率As。.sJ。为40. 0的 板巻。该板巻随后进入连续成型工序，接着在焊接功率450KW、焊接速度14m/min、 挤压量2mm条件下进行电阻焊(ERW)。然后92(TC加热保温50min后水淬，再经 61(TC加热保温70min后回火，对焊管进行整体调质热处理。最后，进行管加工， 得到屈服强度Rp。.e为889MPa、抗拉强度Rm为901MPa、延展率&。.8 %为22. 0、 零度横向冲击为56J的高强度P110石油套管。
采用本发明的钢和工艺，轧后板巻的屈服强度Rp。.2均小于480MPa,易于成 型，焊后，通过整管热处理后能够达到P110油套管的性能要求。
权利要求
1、一种110ksi钢级直缝焊石油套管用钢，其特征在于，以重量百分比计其化学成分如下C0.15～0.4、Si0.1～0.8、Mn0.5～1.8、Al0.01～0.08、Mo0.1～0.8、V0.01～0.1，其余为Fe和不可避免的杂质。
2、 用权利要求1所述的钢制造的套管，其特征在于，以重量百分比计其化 学成分如下C: 0. 15 0. 4、 Si: 0. 1 0. 8、 Mn: 0. 5 1.8、 Al: 0. 01 0.08、 Mo: 0. 1 0.8、 V: 0.01 0. 1，其余为Fe和不可避免的杂质。
3、 权利要求2所述套管的制造方法，包括冶炼、浇铸、轧制、冷却、巻取 成板、连续成型、电阻焊、整管热处理和管加工，其特征在于，所述的冷却步 骤中冷却时间《20s，冷却至690 75(TC巻取；所述的整管热处理工艺为900 950。C加热保温20 60min，水淬后550 650°C加热保温40 90min，回火。
4、 如权利要求3所述的制造方法，其特征在于，所述的巻取成板得到屈服 强度420 480MPa的板巻。
5、 如权利要求3所述的制造方法，其特征在于，所述的轧制步骤中轧制温 度为1200 1300°C，终轧温度800 900°C。
6、 如权利要求3所述的制造方法，其特征在于，所述的电阻焊工艺为焊接 功率400 700KW，焊接速度10 20m/min，挤压量2 15mm。
全文摘要
本发明提供一种110ksi钢级直缝焊石油套管用钢，其化学成分重量百分比为C0.15～0.4、Si0.1～0.8、Mn0.5～1.8、Al0.01～0.08、Mo0.1～0.8、V0.01～0.1，其余为Fe和不可避免的杂质。本发明还提供用上述钢制造的套管及其制造方法。本发明合金成分设计适当，工艺简便易操作，套管生产成本低廉，可广泛应用于石油天然气开采开发。
文档编号C22C38/12GK101376946SQ20071004533
公开日2009年3月4日 申请日期2007年8月28日 优先权日2007年8月28日
发明者丁维军, 殷光虹, 陆明和 申请人:宝山钢铁股份有限公司