專利名稱：一種低鋼級連續(xù)油管用鋼及其制造方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種連續(xù)油管用鋼，特別是適合鉆井、測井、完井等油田作業(yè)領域使用 的低鋼級連續(xù)油管用鋼，以及該鋼的制造方法。低鋼級是指鋼種的屈服強度在50Ksi 70Ksi之間。
背景技術：
連續(xù)油管(Coiled Tubing，簡稱CT)是相對于常規(guī)螺紋聯(lián)接油管而言的，它又稱 為撓性油管、蛇形管或盤管。是一種纏繞在滾筒上，可連續(xù)下入或從油井起出的一整根無螺 紋聯(lián)接的長油管。連續(xù)油管用材主要有碳鋼、調質鋼和稀有材料等，其中稀有材料，例如鈦 合金，有質量輕和強度高等優(yōu)點，但價格貴，是普通鋼制連續(xù)油管的6倍。自從1962年世界上第1臺連續(xù)油管作業(yè)機問世并開始用于石油工業(yè)以來，經過40 多年的發(fā)展，連續(xù)油管作業(yè)現(xiàn)已成為世界油氣工業(yè)技術研究和應用中的一個熱點。在國外， 連續(xù)油管技術主要是作為傳輸流體的通道，基本用于洗井、基質酸化和氮氣舉升，2001年占 連續(xù)油管服務收入的77%。目前連續(xù)油管技術已經擴展到鉆井、修井、測井、射孔以及增產 措施等領域。連續(xù)油管修井已代表著當今世界修井技術的發(fā)展方向，并將作為一種常規(guī)、高 效的作業(yè)技術在世界范圍內普及。目前連續(xù)油管最大鉆井深度已超過6900m，其外徑由最初 的33. 4mm發(fā)展到168. 27mm,隨著連續(xù)油管技術的發(fā)展，在鉆井領域的應用將進一步擴大。 可以說，世界石油工業(yè)正在經歷一次連續(xù)油管技術革命。隨著連續(xù)油管技術的不斷進步和發(fā)展，連續(xù)油管的使用已擴展到石油行業(yè)的各領 域，尤其是近年來在鉆井領域和輸油領域的應用。我國引進和利用連續(xù)油管技術始于70年 代，1977年我國引進了第IgBowen OilTools (波恩工具公司)的產品，但長期以來由于國 外的制造和使用技術的封鎖，連續(xù)油管作業(yè)技術一直未得到廣泛的應用和推廣。直至2000 年以后，連續(xù)油管作業(yè)技術在國外快速發(fā)展，引起國內各大油田的關注，加速了國內連續(xù)油 管作業(yè)設備的引進和技術創(chuàng)新的步伐，截止2008年底全國共引進43臺連續(xù)油管作業(yè)設備， 年增長率為14%。此外，國內寶雞石油鋼管公司正籌建連續(xù)油管生產線，該生產線是亞洲第 一條世界第三條連續(xù)油管生產線，設計年產量為1.5萬噸。鑒于國內不斷增長的需求和技 術的不斷創(chuàng)新，連續(xù)油管的使用量將大幅攀升，開發(fā)出國內連續(xù)油管用原材料迫在眉睫?，F(xiàn)有技術中也有介紹關于連續(xù)油管用鋼及其制造方法的，如申請?zhí)枮?200710168545. 3的中國專利申請公開了一種高塑性連續(xù)油管用鋼及其制造方法。該技術通 過煉鋼工藝控制及控軋空冷工藝控制，生產出強韌性適中、組織均勻的連續(xù)油管用鋼，該鋼 在軋制過程中變形抗力小，對軋機損耗小。但該文獻技術主要針對CT70及更高鋼級的連續(xù) 油管用鋼的開發(fā)。本發(fā)明主要針對CT70以下鋼級的連續(xù)油管用鋼。

發(fā)明內容
本發(fā)明的一個目的是提供一種具有良好塑性和韌性的低鋼級連續(xù)油管用鋼帶。
本發(fā)明中術語“低鋼級”是指鋼種的屈服強度在50Ksi 70Ksi之間。為此，本發(fā)明采用低C、高Cr及合金化的成分設計，配合控軋控冷工藝，生產出的 高強度低合金鋼具有珠光體、鐵素體及貝氏體組織，屈服強度達到50 70Ksi，同時具有良 好的塑性，以及更容易實現(xiàn)的可制造性。為達到上述目的，本發(fā)明的低鋼級連續(xù)油管用鋼，其化學成分(按重量百分比計) 為 C 0. 03 0. 17%,Si 0. 10 0. 60%,Mn 0. 40 1. 60%,P 彡 0. 015%,S 彡 0. 005%, Cr 0. 51 1. 00 Ti 0. 01 0. 10 Mo 0. 05 0. 35 Cu 0. 10 0. 50
Ni 彡 0. 15%, Ca 0. 0010 0. 0050%, Alt 0. 01 0. 05%, N 彡 0. 012%，余量為 Fe 及不
可避免的夾雜。本發(fā)明成分的設計依據如下碳C 最基本的強化元素。碳溶解在鋼中形成間隙固溶體，起固溶強化的作用，與 強碳化物形成元素形成碳化物析出，則起到沉淀強化的作用。但太高的C對鋼的延性、韌性 和焊接性能不利，C太低降低鋼的強度。所以C控制在0. 03 0. 17%。硅Si 主要是以固溶強化形式提高鋼的強度，同時也是鋼中的脫氧元素，但含量 過高會惡化鋼材的焊接性能，因此控制在0. 10 0. 60%。錳Mn 通過固溶強化提高鋼的強度，是鋼中補償因C含量降低而引起強度損失的 最主要且最經濟的強化元素。Mn還是擴大γ相區(qū)的元素，可降低鋼的Y — α相變溫度， 有助于獲得細小的相變產物，可提高鋼的韌性。本鋼種Mn含量為0. 40 1. 60%。鉻Cr 提高鋼的淬透性的重要元素，有效提高鋼的強度，而且Cr含量在0.51%以 上時，能有效改善鋼的耐腐蝕性能；但太高的鉻和錳同時加入鋼中，會導致低熔點Cr-Mn復 合氧化物形成，在熱加工過程中形成表面裂紋，同時會嚴重惡化焊接性能。本發(fā)明中Cr含 量應限定在0.51 1.00%。鈦Ti 是一種強烈的碳氮化物形成元素，Ti的未溶的碳氮化物在鋼加熱時可以阻 止奧氏體晶粒的長大，在高溫奧氏體區(qū)粗軋時析出的TiN和TiC可有效抑制奧氏體晶粒長 大。另外在焊接過程中，鋼中的TiN和TiC粒子能顯著阻止熱影響區(qū)晶粒長大，從而改善鋼 板的焊接性能同時對改善焊接熱影響區(qū)的沖擊韌性有明顯作用。本發(fā)明中Ti含量控制在 0. 01% 0. 10%。鉬Mo 提高淬透性的元素，作用僅次于Mn，Mo還能起到克服熱處理過程中的回火 脆性，改善熱處理性能、疲勞性能的作用。在高強度低合金鋼中，屈服強度隨Mo含量的增加 而提高，因此太高的Mo有損塑性。本發(fā)明中Mo含量控制在0. 05 0. 35%。硫、磷(S、P)是鋼中不可避免的雜質元素，希望越低越好。通過超低硫(小于 50ppm)及Ca處理對硫化物進行夾雜物形態(tài)控制，可保證鋼板具有良好的沖擊韌性。銅、鎳(Cu、Ni)可通過固溶強化作用提高鋼的強度，同時Cu還可改善鋼的耐蝕 性，M的加入主要是改善Cu在鋼中易引起的熱脆性，且對韌性有益。本發(fā)明中Cu、M含量 范圍分別控制為0. 10% 0. 50%、彡0. 15%。通過Ca處理可以控制硫化物夾雜的形態(tài)，改善鋼板的各向異性，提高低溫韌性。 本發(fā)明中Ca含量控制在0. 0010 0. 0050% οAlt是為了脫氧而加入鋼中的元素，添加適量的Alt有利于細化晶粒，改善鋼材的 強韌性能。本發(fā)明中控制0.01 0.05%。
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因此，以晶粒細化、固溶強化、析出強化等材料強化理論為基礎，對具有鐵素體+ 珠光體顯微組織的低鋼級連續(xù)油管用鋼，采用了較低的碳含量、高Cr、低S以Cu、Ni、Cr、Mo 合金化的成分設計。熱軋工藝采用了控軋控冷的熱機械處理技術，通過合理的成分和工藝 進行最終產品的組織性能控制，以獲得具有合適強度和良好塑性的組織。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種低鋼級連續(xù)油管用鋼的制造方法，該方法包括 冶煉一澆鑄一板坯再加熱一控制軋制一控制冷卻一卷取。其中，冶煉采用本領域已知的常規(guī)純凈鋼冶煉方法，如電爐冶煉+爐外精練、轉爐 冶煉+爐外精練。但不僅僅限于此，根據需要可選擇其他適合的冶煉方法。澆鑄采用本領域已知的澆鑄方法，如連鑄或模鑄，優(yōu)選連鑄。本發(fā)明中，控制板坯再加熱溫度為1150 1250°C，優(yōu)選1180 1220°C，在此溫度 范圍內保溫可保證合金元素充分溶解，且晶粒尺寸不會異常長大；板坯保溫時間對于常規(guī)厚度連鑄板坯(190 250mm)，一般為250min 350min ； 或根據板坯厚度，按保溫系數(shù)1. 2 1. 7min/mm計算得到；在此時間范圍內保溫，可保證板 坯厚度方向上的溫度均勻，晶粒尺寸不會異常長大；本發(fā)明的控制軋制中，終軋溫度控制范圍780 880°C，優(yōu)選800 850°C，在此 溫度范圍內控軋，有利于細化晶粒，改善強韌性；本發(fā)明中卷取溫度控制范圍550 700°C，優(yōu)選560 650°C，在此溫度范圍內卷 取，有利于細化晶粒，避免出現(xiàn)粗大的珠光體鐵素體組織；本發(fā)明的控制冷卻中冷卻速度2 18°C /s，優(yōu)選5 15°C /s，在此冷速范圍內 冷卻，促進組織細化，同時避免硬相組織的生成，有利于改善發(fā)明鋼的韌性和塑性。與現(xiàn)有生產鋼種相比，按照本發(fā)明生產的連續(xù)油管用鋼性能達到以下要求(1)屈服強度(Rta5) ^ 345MPa ；(2)抗拉強度(Rm)彡 450MPa ；(3)延伸率(A50.8% ) ^ 15% ；(4)硬度值(HRC)彡 22。
具體實施例方式按照本發(fā)明鋼的化學成份要求，設計實施例的化學成分，如表2所示。根據本發(fā)明的工藝要求，實施例1和實施例4的主要軋制工藝參數(shù)如下a、板坯加 熱溫度:1180士 15°C ；b、保溫時間:300min ；c、終軋溫度控制范圍:810士 10°C ；d、卷取溫度 控制范圍600 6500C ；e、冷卻速度8 15°C /s ；根據本發(fā)明的工藝要求，上述實施例2和實施例3的主要軋制工藝參數(shù)如下a、板 坯加熱溫度:1220士 10°C ；b、保溫時間:260min ；c、終軋溫度控制范圍:840士 10°C ；d、卷取 溫度控制范圍550 600°C ；e、冷卻速度10 18°C /s ；根據本發(fā)明的工藝要求，上述實施例5和實施例6的主要軋制工藝參數(shù)如下a、板 坯加熱溫度:1160士 10°C ；b、保溫時間:340min ；c、終軋溫度控制范圍:790士 10°C ；d、卷取 溫度控制范圍650 680°C ；e、冷卻速度2 10°C /s ；按上述成份和工藝設計，各實施例1 6得到的力學性能如表3所示?？梢?，按照本發(fā)明設計的成分和工藝制造的鋼帶，具有良好的綜合力學性能，滿足
低鋼級連續(xù)油管用鋼的各項性能指標要求，且碳當量較低，有利于焊接。另外，本發(fā)明的成分簡單，工藝窗口較寬，比較容易在現(xiàn)場實施。 現(xiàn)有技術的200710168545. 3公開的技術主要針對CT70以上更高鋼級的連續(xù)油管 用鋼的開發(fā)，通過煉鋼工藝控制及控軋控冷工藝控制，生產出強韌性適中、組織均勻的連續(xù) 油管用鋼。本發(fā)明主要針對CT70以下鋼級的連續(xù)油管用鋼，主要通過添加Cu、Ni、Cr、Mo等 合金元素來實現(xiàn)固溶強化和析出強化功能，保證熱處理后材料的強韌性。未添加微合金元 素Nb，添加少量Ti以固定鋼種N，細化原始奧氏體晶粒，改善熱影響區(qū)性能；同時降低鋼種 自由N含量，有利于改善鋼種韌性。根據本發(fā)明生產的鋼適合鉆井、測井、完井等油田作業(yè)領域使用的連續(xù)油管。以上通過具體實施例對本發(fā)明進行了較詳細說明，但不僅僅限于這些實施例，在 不脫離本發(fā)明構思的前提下，還可以有變化的或改進的其他實施例，而這些變化和改進都 屬于本發(fā)明的范圍。
權利要求
一種低鋼級連續(xù)油管用鋼，其按重量百分比計的化學成分為C0.03～0.17％、Si0.10～0.60％、Mn0.40～1.60％、P≤0.015％、S≤0.005％、Cr0.51～1.00％、Ti0.01～0.10％、Mo0.05～0.35％、Cu0.10～0.50％、Ni≤0.15％、Ca0.0010～0.0050％，Alt0.01～0.05％，N≤0.012％，余量為Fe及不可避免的夾雜。
2.如權利要求1所述的低鋼級連續(xù)油管用鋼的制造方法，包括冶煉一澆鑄一板坯再加熱一控制軋制一控制冷卻一卷??；其中，板坯再加熱溫度為1150 1250°C ；板坯保溫時間根據板坯厚度，按保溫系數(shù)1. 2 1. 7min/mm計算得到；控制軋制中，終軋溫度控制范圍780 880°C ；控制冷卻中冷卻速度2 18°C /s ；卷取溫度控制范圍550 700°C。
3.如權利要求2所述的低鋼級連續(xù)油管用鋼的制造方法，其特征在于，控制冷卻中冷 卻速度為5 15°C /s。
4.如權利要求2或3所述的低鋼級連續(xù)油管用鋼的制造方法，其特征在于，冶煉是采用 轉爐冶煉+爐外精練或電爐冶煉+爐外精練。
5.如權利要求2 4中任一所述的低鋼級連續(xù)油管用鋼的制造方法，其特征在于，澆鑄 是采用連鑄。
6.如權利要求2 5中任一所述的低鋼級連續(xù)油管用鋼的制造方法，其特征在于，對于 190 259mm厚度的連鑄板坯，板坯保溫時間為250 350min。
全文摘要
一種低鋼級連續(xù)油管用鋼，其按重量百分比計的化學成分為C0.03～0.17％、Si0.10～0.60％、Mn0.40～1.60％、P≤0.015％、S≤0.005％、Cr0.51～1.00％、Ti0.01～0.10％、Mo0.05～0.35％、Cu0.10～0.50％、Ni≤0.15％、Ca0.0010～0.0050％，Alt0.01～0.05％，N≤0.012％，余量為Fe及不可避免的夾雜。該低鋼級連續(xù)油管用鋼的制造方法，包括冶煉→澆鑄→板坯再加熱→控制軋制→控制冷卻→卷??；其中，板坯再加熱溫度為1150～1250℃；板坯保溫時間為1.2～1.7min/mm(按板坯厚度計算)；控制軋制終軋溫度控制范圍為780～880℃；控制冷卻中冷卻速度為2～18℃/s；卷取溫度控制范圍為550～700℃。
文檔編號C22C38/58GK101871081SQ20091004998
公開日2010年10月27日 申請日期2009年4月24日 優(yōu)先權日2009年4月24日
發(fā)明者李冰, 章傳國, 鄭磊, 高珊 申請人:寶山鋼鐵股份有限公司