一种直缝焊石油套管用钢及生产方法
【专利摘要】本发明提供一种直缝焊石油套管用钢及生产方法，其化学成分wt%为：C0.20-0.26%，Si0.15-0.30%，Mn1.50-1.70%，P≤0.020%，S≤0.008％，Ti0.010-0.030%，Alt0.020-0.050%，B0.0015-0.0035%，N≤0.008％，Ti/N≥3，Alt/N≥2。连铸板坯加热1160-1230℃，开轧温度1110-1180℃，终轧温度820-880℃，钢带冷却速度6-12℃/s，卷取温度630-690℃。制管后调质处理加热870-930℃，保温30-50min，水淬；回火540-600℃，保温60-80min。本发明可降低合金成本，易于制管成型，整管屈服强度760-860MPa，抗拉强度880-980MPa，0℃横向夏比冲击功Akv≥32J，且管体和焊缝的性能均匀一致，达到760MPa级石油套管用钢标准要求。
【专利说明】一种直缝焊石油套管用钢及生产方法
【技术领域】
[0001]本发明属于高强度低合金钢冶金领域，特别涉及一种760MPa级石油套管用钢及其生产方法。
【背景技术】
[0002]石油套管是油田最常用的石油专用管材之一，用量大，花钱多，是油气田钻采作业中必不可少的施工材料，仅2010年就达到了 250万吨。直缝电阻焊(ERW)套管与无缝管相比，具有壁厚均匀、尺寸精度高、射孔性能好、抗挤毁能力强、成本低等显著优势。但石油行业要求的高钢级、耐腐蚀、特殊丝扣要求的油井管，目前大部分依靠进口。目前国内只有低钢级ERW套管能够替代传统的无缝钢管。因此，高强度级别直缝焊套管的研发，对节约采油成本，提高我国的石油开采水平有着深远的意义。
[0003]API Spec5CT规定:P110级别(760MPa级)钢管的屈服强度在758_965MPa之间，抗拉强度≥862MPa，伸长率≥14% ;0°C时横向夏比冲击功≥32J。如果热轧态的钢带达到该强度，需要添加大量贵重合金来提高强度，增加合金成本，且钢管的母材和焊缝组织性能无法达到一致；同时母材钢带强度过高，钢管的成型难度大，钢管的尺寸精度和圆度无法保证。
[0004]因此，可采用热轧态强度略低的热轧钢带进行直缝电阻焊接制管，然后进行整管热处理，使钢管的最终性能达到PllO级别水平。而且焊缝和管体进行相同的热处理工艺，得到的最终组织相同，有效减轻焊缝与管体的组织、性能差异，消除残余应力，提高钢管整体的质量。
[0005]在本发明之前，已有少量有关PllO钢级ERW石油套管的文献或发明专利，但采用添加B合金低成本设计的PllO级ERW石油套管未见报导。
[0006]I)中国专利CN101643883A公开了 N80、P110、L80钢级直缝焊石油套管用钢及套管制造。成分中含 C:0.10%-0.24%, Mn:1.40%-1.60%, Cr:0.30%-0.60%, Nb:0.12%_0.14%,V:0.08%-0.12%，T1:0.18%-0.22%。由于复合添加了贵重元素Nb、V、Cr，合金成本高。
[0007]2)中国专利CN102430901A提供了一种PllO钢级高频直缝焊管的制造方法。其成分为:C:0.25%-0.30%, Mn:1.10%-1.50%, Cr:0.15%-0.35%, S:≤ 0.002%。该专利中添加元素Cr，S含量要求严格，合金和冶炼成本高。
[0008]3)中国专利CN101353949A公开的小口径高钢级油管的热处理方法中，成分为C:0.15%-0.50%, Mn:0.25%_1.90%, Mo:0.25%_1.10%, Cr:0.40%-14.00%, Ni: ≤ 0.99%, Cu:(0.35%。该专利中复合添加元素Mo、N1、Cu、Cr,合金成本高。
[0009]4)中国专利CN102534372A，提供一种石油天然气开采用PllO级膨胀管的制备方法，成分中含C:0.10%-0.30%, Mn:0.70%-2.00%, Nb:0.02%_0.10%。该专利中添加贵重元素Nb，存在连铸坯表面角横裂质量问题，且合金成本高。
[0010]5)论文 “P110 钢双相组织的研究”，成分中 C:0.24%，S1:0.25%，Mn:1.20%, Cr:0.50%, Ni:0.021%, Mo:0.021%, Cu:0.017%, P:0.014%, S:0.0058%。该论文中复合添加贵重合金元素Mo、N1、Cu、Cr,合金成本高。[0011]以上公开的专利或文献中，有的添加较多贵重合金Mo、N1、Cu、Nb、V，合金成本高；有的S含量要求高，冶炼成本高。
【发明内容】
[0012]本发明旨在提供一种可节省贵金属资源，降低生产成本，具有良好焊接性能和冲击韧性，易于制管成型，且整管性能均匀一致的760MPa级石油套管用钢及其生产方法。
[0013]为此，本发明提出了如下解决方案:
[0014]一种直缝焊石油套管用钢，其特征在于，760MPa级石油套管用钢的化学成分wt%为:
[0015]C0.20%-0.26%, Si0.15%_0.30%, Mnl.50%-1.70%, P ≤ 0.020%, S ≤ 0.008 %,Ti0.010%-0.030%, Alt0.020%_0.050%, B0.0015%_0.0035%, N ≤ 0.008%，其余为 Fe 和不可
避免元素；其中Ti/N≥3，Alt/N≥2。
[0016]一种上述直缝焊石油套管用钢的生产方法，其特征在于，具体方法为:
[0017]1、冶炼连铸工艺:铁水预处理，转炉顶吹或顶底复合吹炼，炉外精炼、LF炉轻脱硫处理及进行钙处理，连铸采用电磁搅拌或动态轻压下。
[0018]2、轧制工艺:连铸板坯加热温度1160-1230 °C，热连轧机组开轧温度1110-1180°C，终轧温度820-880°C，轧后钢带冷却速度6-12°C /s，卷取温度630-690°C。热轧态钢带的强度级别为API5CT J55钢级。
[0019]3、制管:钢带经直缝焊管机组进行高频/中频电阻焊，制成钢管。
[0020]4、调质热处理工艺:对钢管进行调质处理:整管加热到870_930°C，保温30-50min,水淬；再把整管加热到540_600°C，保温60_80min，空冷回火。
[0021]本发明成分及配比选择的依据和基本机理是:
[0022]C:为碳化物形成元素，是保证强度的最有效元素，可以提高淬透性和热处理后性能稳定性，保证高温长时间回火时材料强度。碳含量对最终奥氏体、马氏体的碳含量与体积分数有着重要的影响。只有保证有足够的碳，才会形成足够的富碳残余奥氏体并能够稳定至室温。但当碳含量大于0.50%时，会明显出现淬火脆性以及马氏体脆性，因此，碳含量不宜过低；但碳含量过高将影响产品的冲击韧性，其合适范围是0.20%-0.26%。
[0023]S1:可以起到固溶强化作用，但其含量过高会使钢的塑性和韧性降低，其最佳范围是 0.15% -0.30%。
[0024]Mn:锰具有固溶强化作用，还能增加奥氏体稳定性，对提高淬透性也有利，有效保证钢的强度。锰可降低马氏体转变温度Ms，增加残余奥氏体的含量，同时锰对钢板的韧性影响不大。但锰含量过大，可增加连铸坯的中心偏析倾向，会使钢板中带状组织增多，并且在热处理后保存下来，最终钢板中会含有一定量地带状组织，而贝氏体、马氏体等硬相在带状组织中聚集，使钢板的脆性增加，塑性降低，力学性能下降。其最佳范围是1.50%-1.70%。
[0025]P:磷是钢中有害元素，增加钢的冷脆性，使焊接性能变坏，降低塑性，使冷弯性能变坏，控制其含量< 0.020%。
[0026]S:硫是钢中有害元素，使钢产生热脆性，降低钢的延展性和韧性，恶化焊接性能，为保证钢水的高纯净度，控制其含量≤0.008%。
[0027]B:硼能够显著提高淬透性。硼提高淬透性的能力很强，0.0010%~0.0030%的硼相当于0.60%锰、0.70%铬、0.50%钥和1.50%镍，故可添加少量硼达到替代贵重合金元素的作用。硼含量过高过低，均会影响其淬透性。合适的范围是0.0015%-0.0035%。
[0028]T1:钛是强的固氮元素，加入0.015%左右Ti时，可在板坯连铸时形成高温稳定细小的TiN析出相，这种细小的TiN析出相可有效阻止连铸坯在加热过程中奥氏体晶粒的长大，同时对改善钢焊接时热影响区的韧性有明显作用，以及固氮保证B的作用有效发挥。合适的范围是0.010%-0.030%,且Ti/N控制范围是不小于3.0。
[0029]Alt:铝是常用的脱氧剂，在钢中加入少量的铝，可细化晶粒，提高冲击韧性，合适的范围是0.020%-0.050%,且保证Alt/N范围不小于2.0。
[0030]N:固溶氮有钉扎位错的强烈作用，对韧性有不良影响，控制其含量≤0.008%。
[0031]本发明的有益效果为:
[0032]1、用廉价B取代贵重金属Mo、N1、Cu、Nb、Cr,降低合金成本；
[0033]2、C含量(0.20%-0.26%)适中，热轧板卷的焊接性和冲击韧性良好；
[0034]3、热轧态板卷性能较低，仅为API5CT J55钢级，因此易于后续制管成型；
[0035]4、本发明整管的屈服强度为760_860MPa，抗拉强度为880-980MPa，0°C横向夏比冲击功Akv > 32J，完全达到760MPa级石油套管用钢的标准要求，且管体和焊缝的性能均匀一致。
【具体实施方式】
[0036]实施例石油套管用钢化学成分含量见表1。
[0037]表1实施例石油套管用钢化学成分Wt %含量表
[0038]
【权利要求】
1.一种直缝焊石油套管用钢，其特征在于，760MPa级石油套管用钢的化学成分wt%为:C 0.20%-0.26%, Si 0.15%-0.30%, Mn 1.50%-1.70%, P ≤ 0.020%, S ≤ 0.008 %, Ti0.010%-0.030%, Alt 0.020%-0.050%, B 0.0015%_0.0035%, N≤0.008%,其余为 Fe 和不可避免元素；其中Ti/N≥3，Alt/N≥2。
2.—种权利要求1所述直缝焊石油套管用钢的生产方法，其特征在于，具体方法为: (1)、冶炼连铸工艺:铁水预处理，转炉顶吹或顶底复合吹炼，炉外精炼、LF炉轻脱硫处理及进行钙处理，连铸采用电磁搅拌或动态轻压下； (2)、轧制工艺:连铸板坯加热温度1160-1230°C，热连轧机组开轧温度1110-1180°C，终轧温度820-880°C，轧后钢带冷却速度6-12°C /s，卷取温度630_690°C ； (3)、制管:钢带经直缝焊管机组进行高频/中频电阻焊，制成钢管； (4)、调质热处理工艺:对钢管进行调质处理:整管加热到870-93(TC，保温30-50min，水淬；再把整管加热到540-600°C，保温60-80min，空冷回火。
【文档编号】C22C33/04GK103469070SQ201310403206
【公开日】2013年12月25日 申请日期:2013年9月7日 优先权日:2013年9月7日
【发明者】黄国建, 黄明浩, 孔祥磊, 安晓光 申请人:鞍钢股份有限公司