一种L80-1钢级石油套管及其制备方法与流程

本发明涉及钢铁冶金技术领域，尤其涉及一种L80-1钢级石油套管及其制备方法。

背景技术：

加拿大油田开采的原油中含硫，原油中的硫化物会腐蚀金属设备，因此，开采这些原油所需的管道必须耐硫化物腐蚀，加拿大油田公司经常会采用符合Directive 010标准中L80-1钢级要求的钢管进行开采。

加拿大Directive 010标准中对含硫井材料的化学成分要求较严，此外对硬度也提出了苛刻的要求：单点硬度值≤22.0HRC，平均硬度值≤21.0HRC。

而API 5CT(第9版)标准中对L80-1钢级材料的化学成分只有：C≤0.45％，Mn≤1.90％，P≤0.030％，S≤0.030％。且硬度只有平均值≤23HRC的要求。符合这些要求的材质使用C-Mn成分体系即可。但C-Mn成分体系材料不能满足加拿大Directive 010标准的要求，主要体现若按Directive 010标准降低C、Mn元素含量较低，在满足回火温度高于621℃的前提下，钢管强度不能满足标准要求；其次是硬度单点值有超过22.0HRC的情况。

一些文献中经常提到使用铬锰钼钢种，但由于添加了钼金属，成本高，导致市场竞争力弱。还有一些专利，提到采用30MnCr22材质来调质L80-1钢级，但是C和Mn元素含量有超出Directive 010标准的情况，S元素的含量较高，无法保证耐酸性；此外在试验中检测的硬度均有超出Directive 010标准的情况，工业试制和批量试制中均未提及调质后钢管的硬度情况。

技术实现要素：

针对现有L80-1钢级石油套管部分和加拿大Directive 010标准等问题，本发明提供一种L80-1钢级石油套管。

进一步地，本发明还提供L80-1钢级石油套管的制备方法。

为达到上述发明目的，本发明实施例采用了如下的技术方案：

一种L80-1钢级石油套管，所述石油套管化学成分按质量百分比计，包括以下组分：0.23％≤C≤0.31％、0.15％≤Si≤0.35％、1.25％≤Mn≤1.40％、P≤0.020％、S≤0.005％、0.10％≤Cr≤0.30％、Ni≤0.25％、Cu≤0.20％、Mo≤0.10％、0.01％≤Al≤0.04％、N≤0.01％以及余量的Fe和杂质元素。

加拿大Directive 010标准中对含硫井材料的化学成分要求较严，其中L80-1钢级的化学成分要求有：C≤0.32％，Mn≤1.40％，P≤0.020％，S≤0.010％，P+S≤0.025％。其中，上述元素的含量，根据材料元素组成、含量的不同，有调整的空间，具体的：若Cr+Mo＞0.30％，P+S可＜0.030％；若Cr+Mo＞0.30％，P可≤0.025％；若S＜0.005％，则P可≤0.025；若S＜0.007％，则Mn可≤1.45％，若S＜0.005％，则Mn可≤1.50％；若S＜0.005％且P＜0.015％，则C可≤0.35％。

相对于现有技术，本发明提供的L80-1钢级石油套管的化学成分，化学成分体系简单，不添加贵重的合金元素，且将S元素含量控制在0.005％以下，C-Mn成分体系的基础上采用降低C和Mn元素含量，以符合Directive 010标准中对L80-1钢级化学成分的要求。但是C和Mn元素的降低，必然会引起强度的降低，需要通过适当提高Cr元素含量，保证产品强度满足要求。

进一步地，本发明还提供所述L80-1钢级石油套管的制备方法。该制备方法，包括铸坯生产工序、轧管工序、调质热处理工序，其中

铸坯生产工序：将原料经电弧炉熔炼、钢包精炼、连续铸钢工序制成圆管坯；

调质热处理工序：将轧态无缝钢管在870～920℃条件下，保温5～25min，采用旋转条件下进行外淋和内喷的水冷却方式冷却，然后在650～700℃条件下，保温25～60min，采用空气冷却方式降温至室温。

相对于现有技术，本发明提供的L80-1钢级石油套管的制备方法，通过制定合适的热处理工艺，获得了优良的综合机械性能，同时满足了API 5CT(45^th)及Directive 010标准化学成分、机械性能及硬度的要求，同时头尾两端屈服强度相当，性能均匀性较好。

通过轧态无缝钢管加热后的水淬火处理，提高钢管的硬度，淬火与不同温度的回火配合可以大幅度提高钢管韧性及疲劳程度，获得较好的综合机械性能，采用外淋+内喷+旋转的水冷却方式冷却，有效的提高钢管的精度和机械性能的稳定性，大大减少了淬裂、弯曲、椭圆等缺陷。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例1所制备的L80-1钢级石油套管屈服强度分布图；

图2是本发明实施例1所制备的L80-1钢级石油套管硬度分布图；

图3是本发明实施例1所制备的L80-1钢级石油套管两端屈服强度分布图；

图4是本发明实施例2所制备的L80-1钢级石油套管屈服强度分布图；

图5是本发明实施例2所制备的L80-1钢级石油套管硬度分布图；

图6是本发明实施例2所制备的L80-1钢级石油套管两端屈服强度分布图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施例提供一种L80-1钢级石油套管，所述石油套管化学成分按质量百分比计，包括以下组分：0.23％≤C≤0.31％、0.15％≤Si≤0.35％、1.25％≤Mn≤1.40％、P≤0.020％、S≤0.005％、0.10％≤Cr≤0.30％、Ni≤0.25％、Cu≤0.20％、Mo≤0.10％、0.01％≤Al≤0.04％、N≤0.01％以及余量的Fe和杂质元素。

相对于现有技术，本发明提供的L80-1钢级石油套管的化学成分，化学成分体系简单，不添加贵重的合金元素，且将S元素含量控制在0.005％以下，C-Mn成分体系的基础上采用降低C和Mn元素含量，以符合Directive 010标准中对L80-1钢级化学成分的要求。但是C和Mn元素的降低，必然会引起强度的降低，需要通过适当提高Cr元素含量，保证产品强度满足要求。

本发明在提供该L80-1钢级石油套管的前提下，还进一步提供了该L80-1钢级石油套管的制备方法。

在任一实施例中，该制备方法包括铸坯生产工序、轧管工序、调质热处理工序，其中

铸坯生产工序：将原料经电弧炉熔炼、钢包精炼、连续铸钢工序制成圆管坯；

调质热处理工序：将轧态无缝钢管在870～920℃条件下，保温5～25min，采用旋转条件下进行外淋和内喷的水冷却方式冷却，然后在650～700℃条件下，保温25～60min，采用空气冷却方式降温至室温。

相对于现有技术，本发明提供的L80-1钢级石油套管的制备方法，通过轧态无缝钢管加热后的水淬火处理，提高钢管的硬度，淬火与不同温度的回火配合可以大幅度提高钢管韧性及疲劳程度，获得较好的综合机械性能，采用外淋+内喷+旋转的水冷却方式冷却，有效的提高钢管的精度和机械性能，大大减少了淬裂、弯曲、椭圆等缺陷。满足了API 5CT(45^th)及Directive 010标准化学成分、机械性能及硬度的要求，同时头尾两端屈服强度相当，性能均匀性较好。

优选地，所述水冷却方式中：外淋流量1500～3500m³/h，外淋时间8～24s；内喷流量600～1700m³/h，内喷时间6～22s；外淋开启时间早于内喷开启时间1～3s。

本发明分别控制外淋和内喷，先开启外淋，对加热后的轧态无缝钢管的外表面进行冷却，使钢管外表面产生一种硬化层，减少淬裂倾向，然后在同时对钢管的内外表面进行冷却，使钢管的内外表面的温差尽可能的小，提高钢管的硬度。

优选地，所述铸坯生产工序还包括深脱硫技术，控制精炼钢液中[Alt]≥0.020wt％，且精炼渣的组分为：CaO：48～60wt％，SiO2≤12wt％，Al2O3：15～25wt％，MgO：4～9wt％，FeO≤0.5wt％，MnO≤0.3wt％，将S元素含量控制在0.005％以下。

硫在钢中是一种有害元素。容易使钢产生热脆性，降低钢的延展性和韧性，容易造成裂纹，同时还降低钢的耐腐蚀性，所以硫元素含量需要尽量控制的低，才能保证钢的质量不受影响。同时也不符合Directive 010标准。本发明采用深脱硫技术，控制S元素含量控制在0.005％以下，达到符合Directive 010标准中对化学成分的要求。

优选地，所述原料为废钢。

优选地，连续铸钢工序中，采用Ф160mm、Ф180mm和Ф210mm结晶器。

为了更好的说明本发明实施例提供的，下面通过实施例做进一步的举例说明。

实施例1

本发明实施例提供一种L80-1钢级石油套管，包括铸坯生产工序、轧管工序、调质热处理工序，其中

铸坯生产工序：将以废钢原料经100t电弧炉熔炼、钢包精炼、连续铸钢工序制成Φ210mm的连铸圆管坯，铸坯生产过程中采用深脱硫技术，控制精炼钢液中[Alt]≥0.020wt％，且精炼渣的组分为：CaO：48～60wt％，SiO2≤12wt％，Al2O3：15～25wt％，MgO：4～9wt％，FeO≤0.5wt％，MnO≤0.3wt％，将S元素含量控制在0.005％以下。

调质热处理工序：将轧态无缝钢管在步进式高温加热炉中加热到870～920℃，保温10～20min，经过高压水除鳞装置除去钢管表面氧化皮，采用外淋+内喷+旋转的水冷却方式冷却，外淋流量2400～3200m³/h，外淋时间10～13s，内喷流量1200～1500m³/h，内喷时间8～11s，外淋开启时间早于内喷开启时间2s，然后将无缝钢管在步进式低温加热炉中加热到650～700℃，保温30～40min，采用空气冷却方式降温至室温。

本实施例得到的L80-1钢级石油套管的化学组分按质量百分比计，包括：C：0.24～0.29％，Mn：1.34～1.40％，S：0.002～0.004％，P：0.010～0.014％，Cr：0.16～0.20％，符合Directive 010标准中对L80-1钢级化学成分的要求。

按照API 5CT(45th)及Directive 010标准要求实施例1制得的L80-1钢级石油套管中采用随机取样方式，取样分析其屈服强度、抗拉强度、纵向3/4冲击功，其屈服强度、单点硬度和平均硬度的统计分析结果分别如图1和图2所示，头尾两端屈服强度的对比如图3所示。

从图1和图2可以看出，采用本发明制备的L80-1钢级石油套管，屈服强度为589～643MPa、抗拉强度为709～758MPa、0℃纵向3/4尺寸夏比V型缺口冲击吸收能102～138J，单点硬度值＜22.0HRC，其中屈服强度平均值为619MPa、标准差为13.130，工序能力指数Cp＝1.307，大于1.30；抗拉强度平均值为733MPa、标准差为11.225，工序能力指数Cp＝2.310，大于1.33；0℃纵向全3/4尺寸夏比V型缺口冲击吸收能平均值为118J、标准差为6.962，工序能力指数Cp＝2.589，大于1.33；硬度平均值小于21.0HRC。从图3可以看出，头端屈服强度平均值622MPa，尾端屈服强度平均值616MPa，相差不大，这说明性能均匀性较好。性能检测符合Directive 010标准。

实施例2

本发明实施例提供一种L80-1钢级石油套管，包括铸坯生产工序、轧管工序、调质热处理工序，其中

铸坯生产工序：将以废钢原料经100t电弧炉熔炼、钢包精炼、连续铸钢工序制成Φ180mm的连铸圆管坯，铸坯生产过程中采用深脱硫技术，控制精炼钢液中[Alt]≥0.020wt％，且精炼渣的组分为：CaO：48～60wt％，SiO2≤12wt％，Al2O3：15～25wt％，MgO：4～9wt％，FeO≤0.5wt％，MnO≤0.3wt％，将S元素含量控制在0.005％以下。

调质热处理工序：将无缝钢管在步进式高温加热炉中加热到870～920℃，保温5～15min，经过高压水除鳞装置除去钢管表面氧化皮，采用外淋+内喷+旋转的水冷却方式冷却，外淋流量1500～2000m³/h，外淋时间8～11s，内喷流量700～1000m³/h，内喷时间7～10s，外淋开启时间早于内喷开启时间2s，然后将无缝钢管在步进式低温加热炉中加热到650～700℃，保温25～35min，采用空气冷却方式降温至室温。

本实施例得到的L80-1钢级石油套管的化学组分按质量百分比计，包括：C：0.24～0.29％，Mn：1.34～1.40％，S：0.002～0.004％，P：0.010～0.014％，Cr：0.16～0.20％，符合Directive 010标准中对L80-1钢级化学成分的要求。

按照API 5CT(45th)及Directive 010标准要求实施例2制得的L80-1钢级石油套管中采用随机取样方式，取样分析其屈服强度、抗拉强度、纵向3/4冲击功，其屈服强度、单点硬度和平均硬度的统计分析结果分别如图4和图5所示。头尾两端屈服强度的对比如图6所示。

从图4和图5可以看出，采用本发明制备的L80-1钢级石油套管，屈服强度为602～646MPa、抗拉强度为705～744MPa、0℃纵向3/4尺寸夏比V型缺口冲击吸收能102～121J，单点硬度值＜22.0HRC，其中屈服强度平均值为625MPa、标准差为11.997，工序能力指数Cp＝1.431，大于1.33；抗拉强度平均值为725MPa、标准差为9.199，工序能力指数Cp＝2.522，大于1.33；0℃纵向全3/4尺寸夏比V型缺口冲击吸收能平均值为112J、标准差为5.295，工序能力指数Cp＝5.644，大于1.33；硬度平均值小于21.0HRC。从图6可以看出，头端屈服强度平均值620MPa，尾端屈服强度平均值631MPa，相差不大，这说明性能均匀性较好。性能检测符合Directive 010标准。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。