N80-q級直縫焊油套管用鋼及其制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種N80-Q級直縫焊油套管用鋼及其制造方法，其化學(xué)成分按重量百分比配比如下：C：0.22%-0.26%，Si：0.10%-0.30%，Mn：1.20%-1.50%，P：≤0.020%，S：≤0.008％，Ti：0.010%-0.030%，Als：0.02%-0.05%，B：0.0008%-0.0025%，N：≤0.008％，其余為Fe和不可避免元素。工藝特點是，連鑄板坯經(jīng)加熱爐加熱至1160-1260℃，采用常規(guī)兩階段軋制，HFW制管后，加熱870-930℃，保溫30-60min，水淬；再加熱到520-620℃，保溫60-120min，本發(fā)明其鋼帶的沖擊韌性良好；用少量的B取代貴金屬，降低合金成本；熱軋態(tài)板卷性能較低，后續(xù)制管成型容易，焊管整管進行調(diào)質(zhì)熱處理，力學(xué)性能為N80-Q級別，保證了管體和焊縫性能的一致性。
【專利說明】N80-Q級直縫焊油套管用鋼及其制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于高強度焊接油井管領(lǐng)域，本發(fā)明涉及一種HFW直縫電阻焊管用鋼及其制造方法，特別涉及API SPEC 5CT規(guī)范中一種高強度N80-Q鋼級的石油套管用鋼及其制造方法。
【背景技術(shù)】
[0002]石油套管是油田最常用的石油專用管材(油井管)之一，是油氣田鉆采作業(yè)中必不可少的施工材料，在油氣田生產(chǎn)開發(fā)過程中占有非常突出的地位。
[0003]API Spec 5CT規(guī)定，可以采用無縫管和HFW直縫焊管制造石油套管。與無縫管相t匕，HFW石油套管具有壁厚均勻、尺寸精度高、射孔性能好、抗擠毀能力強、規(guī)格范圍寬、生產(chǎn)效率高、成本低等顯著優(yōu)勢，可以替代同鋼級無縫套管在油田使用。因此，一直受到油田的青睞。
[0004]API Spec 5CT規(guī)定:N80_Q級別石油套管的屈服強度在552_785MPa之間，抗拉強度≤689MPa，伸長率≤19% ;0°C時橫向夏比沖擊功≤14J (或縱向夏比沖擊功≤27J)。
[0005]為得到這種高強度N80鋼級直縫焊石油套管鋼，從產(chǎn)品設(shè)計角度考慮，一般有2種方案。其一，鋼帶產(chǎn)品的熱軋態(tài)力學(xué)性能直接達(dá)到，制成的HFW直縫焊管無需整管熱處理，即API 5CT N80-1鋼管。其二，鋼帶產(chǎn)品的熱軋態(tài)力學(xué)性能僅達(dá)到API 5CT J55，制成的HFW直縫焊管需整管調(diào)質(zhì)熱處理，即API 5CT N80-Q鋼管。與API 5CT N80-1直縫焊石油套管相比，API 5CT N80-Q鋼管具 有生產(chǎn)合金成本低，制管成型較容易、且焊縫和管體得組織和性能十分接近，提高鋼管整體的產(chǎn)品質(zhì)量。
[0006]在本發(fā)明之前，已有一些有關(guān)N80-Q鋼級HFW石油套管的文獻或發(fā)明專利，但采用中碳添加適量B設(shè)計的N80-Q級HFW石油套管報導(dǎo)很少，以下簡單介紹與本發(fā)明較為接近的文獻和專利:
[0007]I)中國專利CN101376943A，80ksi鋼級直縫焊石油套管用鋼、套管及制造方法。成分中含C:0.15%-0.35%，Mn:0.8%-1.5%，Mo:0.1%_0.5%，制管后進行整管調(diào)質(zhì)熱處理。該專利中添加貴重元素Mo，合金成本高。
[0008]2)中國專利CN101643883A，N80、P110、L80鋼級直縫焊石油套管用鋼及套管制造。成分中 C:0.10%-0.24%, Mn:1.4%-1.6%, Cr:0.3%-0.6%, Nb:0.12%_0.14%, V:0.08%-0.12%,制管后進行整管調(diào)質(zhì)熱處理。該專利中添加較多貴重元素Nb、V，且含量高，合金成本高。
[0009]3)中國專利CN101319292A，高韌性N80油套管及制造方法。成分中C:
0.27%-0.32%,Mn:1.10%-1.30%, Cu S 0.20%, Ni S 0.20%, Cr S 0.20%。制管后進行整管調(diào)質(zhì)熱處理。該專利中添加貴重元素N1、Cu，合金成本高。
[0010]4)日本專利JP58199818A，高強度油井用鋼管制造方法。成分中C:0.28%-0.35%，Mn:1.40%-2.00%, Mo:0.1%_0.3%, V:0.02%_0.10%，制管后整管進行正火熱處理。該專利中
添加貴重元素Mo，合金成本高。
[0011]5)日本專利JP58093821A，油井用電阻焊鋼管的制造方法。成分中C:0.23%-0.26%, Mn:1.8%-2.0%, Cr:0.30%-0.35%, V:0.03%-0.10%，制管后整管進行正火或調(diào)質(zhì)熱處理。該專利中添加貴重元素V，合金成本高；同時Mn、Cr含量也高，造成碳當(dāng)量偏高(Ceq:0.60%-0.68%)，鋼帶的焊接性不良。
[0012]6)日本專利JP58199819A，高強度油井用鋼管制造方法。成分中C:0.30%_0.35%，Mn:1.60%-2.00%, V:0.05%_0.09%,制管后整管進行正火熱處理。該專利中C含量偏高，影響鋼帶的沖擊韌性含量高，合金成本高；同時Mn含量也高，造成碳當(dāng)量偏高(Ceq:
0.58%-0.70%)，鋼帶的焊接性不良。
[0013]7)日本專利JP59170223A，正火型均質(zhì)高強度油井電阻焊鋼管制造方法。成分中 C:0.25%-0.40%, Mn:1.20%-1.80%, V:0.01-0.20%,選擇性加入 Mo:0.05%-0.50%, Nb:
0.01%-0.055%, B:0.0001%-0.0002%，制管后整管進行正火熱處理。該專利中C含量偏高，影響鋼帶的沖擊韌性；當(dāng)V達(dá)到0.18%時，不添加Mo，當(dāng)V≤0.12%時，添加Mo≤0.22%，V或Mo的合金成本高。
[0014]8)論文“熱處理對N80級ERW套管鋼組織與性能的影響”，成分中C:0.13%，Mn:
1.49%, S1:0.26%, Mo:0.25%, Cr:0.66%, N1:0.25%, Nb:0.041%, S:0.04%, T1:0.023%, P:
0.01%。該論文中添加貴重合金元素Mo、N1、Nb和大量Cr，合金成本高。
[0015]9)論文“N80級ERW石油套管用鋼連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變行為的研究”，成分中C:
0.200%-0.212%, Mn:1.000%-1.070%, Si:0.18%-0.25%, Nb+Mo+Cr:0.242%_0.580%, Ti+Al:
0.015%-0.050%。該論文中添加貴重合金元素Mo、Nb，合金成本高。
[0016]上述專利和論文與本發(fā)明產(chǎn)品較為接近，均為制造調(diào)質(zhì)態(tài)N80-Q直縫焊石油套管的發(fā)明專利，有的添加較多貴重合金Mo、Nb、N1、Cu、V，合金成本高，有的碳含量偏高鋼帶韌性不良，有的碳當(dāng)量偏高鋼帶焊接性不良等缺陷。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0017]針對目前生產(chǎn)調(diào)質(zhì)態(tài)N80-Q鋼級直縫焊石油套管用鋼存在的技術(shù)問題，例如:添加較多貴重金屬Mo、Nb、N1、V、Cu，合金成本高；碳含量偏高，鋼帶韌性不良，焊接性不良；熱軋態(tài)板卷性能高，后續(xù)制管成型較困難；非調(diào)質(zhì)N80-1直縫焊石油套管只對焊縫進行熱處理難以保證管體和焊縫性能一致性等等問題，本發(fā)明公開高強度N80-Q級直縫焊油套管用鋼及其制造方法，特別是采用中碳添加適量B設(shè)計，其熱軋態(tài)鋼帶力學(xué)性能為API 5CT J55鋼級，其整管調(diào)質(zhì)熱處理后力學(xué)性能滿足API 5CT N80-Q鋼級。
[0018]本發(fā)明的化學(xué)成分按重量百分比配比如下:C:0.22%-0.26%，S1:0.10%_0.30%，Mn:1.20%-1.50%, P:≤ 0.020%, S≤0.008%, Ti:0.010%_0.030%, Als:0.02%_0.05%, B:
0.0008%-0.0025%, N ≤0.008%，其余為Fe和不可避免元素。
[0019]C:碳為碳化物形成元素，是保證強度的最有效元素，可以提高淬透性和熱處理后性能穩(wěn)定性，保證高溫長時間回火時材料強度，因此，碳含量不宜過低；但碳含量過高將影響產(chǎn)品的沖擊韌性，其最佳范圍是0.22%-0.26%。
[0020]S1:可以起到固溶強化作用，但其含量過高會使鋼的塑性和韌性降低，其最佳范圍是 0.10% -0.30%。
[0021]Mn:錳具有固溶強化作用，還能增加奧氏體穩(wěn)定性，對提高淬透性也有利，有效保證鋼的強度。但錳含量過大，可增加連鑄坯的中心偏析傾向，影響熱軋鋼材的組織均勻性，給焊縫質(zhì)量帶來負(fù)面影響，其最佳范圍是1.20%-1.50%。
[0022]P:磷是鋼中有害元素，增加鋼的冷脆性，使焊接性能變壞，降低塑性，使冷彎性能變壞，應(yīng)控制其含量< 0.020%。
[0023]S:硫是鋼中有害元素，使鋼產(chǎn)生熱脆性，降低鋼的延展性和韌性，焊接性能也不利，為保證鋼水的高純凈度，應(yīng)控制其含量< 0.008%。
[0024]T1:鈦是強的固氮元素，加入0.015%左右Ti時，可在板坯連鑄時形成高溫穩(wěn)定細(xì)小的TiN析出相，這種細(xì)小的TiN析出相可有效阻止連鑄坯在加熱過程中奧氏體晶粒的長大，同時對改善鋼焊接時熱影響區(qū)的韌性有明顯作用，合適的范圍是0.010%-0.030%。
[0025]Als:鋁是常用的脫氧劑，在鋼中加入少量的鋁，可細(xì)化晶粒，提高沖擊韌性，合適的范圍是0.02%-0.05%。
[0026]B:硼能夠顯著提高淬透性并改善韌性。硼提高淬透性的能力很強，0.001%~0.003%的硼相當(dāng)于0.6%錳、0.7%鉻、0.5%鑰和1.5%鎳，故可添加少量硼達(dá)到替代貴重合金元素的作用。硼含量過高過低，均會影響其淬透性。合適的范圍是0.0008%-0.0025%。[0027]N:固溶氮有釘扎位錯的強烈作用，對韌性有不良影響，應(yīng)控制其含量< 0.008%
[0028]為了達(dá)到更好性能指標(biāo)，本發(fā)明采用上述組成成分并結(jié)合下述工藝方法，包括鐵水預(yù)處理、鋼水冶煉、爐外精煉和板坯連鑄、連鑄坯再加熱、軋制、冷卻、卷取和整管熱處理。其特征是:
[0029]1)冶煉連鑄工藝:鐵水預(yù)處理,轉(zhuǎn)爐冶煉一經(jīng)頂吹或頂?shù)讖?fù)合吹煉,爐外精煉、LF爐輕脫硫處理及進行鈣處理以控制夾雜物形態(tài)和提高鋼的延展性、韌性和冷彎性能，板坯連鑄制成連鑄板坯一連鑄采用電磁攪拌或動態(tài)輕壓下、以提高連鑄板坯的質(zhì)量。
[0030]2)軋制工藝:連鑄板坯經(jīng)加熱爐加熱至1160-1260°C，隨后經(jīng)熱連軋機組采用常規(guī)兩階段軋制，第一階段粗軋開軋溫度為1060-1120°C，終軋溫度大于1000°C，第二階段精軋開軋溫度小于1000°C，終軋溫度為820-880°C，軋后鋼帶以4_12°C /s的速度進行冷卻，在630-730°C溫度進行鋼帶卷取。
[0031]3)熱軋態(tài)鋼帶的屈服強度為379_552MPa，抗拉強度為520_690MPa。
[0032]4)鋼帶經(jīng)過HFW機組進行高頻電阻焊制成強度為API J55級別的鋼管。
[0033]5)整管調(diào)質(zhì)熱處理工藝:經(jīng)HFW制管后，整管加熱到870-930°C，保溫30_60min，水淬；再把整管加熱到520-620°C，保溫60-120min，空冷回火。
[0034]6)調(diào)質(zhì)后整管的屈服強度為620_735MPa，抗拉強度為700-805MPa，0°C橫向夏比沖擊功(3個試樣均值)Akv ^ 48J。
[0035]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相對其優(yōu)點及效果在于:本方案C含量適中，鋼帶的沖擊韌性良好；用少量的B取代貴金屬Mo、Nb、N1、Cu、V等，降低合金成本；熱軋態(tài)板卷性能較低，后續(xù)制管成型容易。焊管整管進行調(diào)質(zhì)熱處理，力學(xué)性能為N80-Q級別，保證了管體和焊縫性能的一致性；熱軋態(tài)板卷屈服強度較低，后續(xù)制管成型容易；整管進行調(diào)質(zhì)熱處理，性能為N80-Q級別，保證了管體和焊縫性能的一致性。
【具體實施方式】
[0036]下面結(jié)合本發(fā)明的實施例，試驗鋼化學(xué)成分見表1，加熱、軋制冷卻工藝見表2，力學(xué)性能見表3。[0037]表1化學(xué)成分(wt，% )
[0038]
【權(quán)利要求】
1.一種N80-Q級直縫焊油套管用鋼，其特征在于，化學(xué)成分按重量百分比配比如下:C:0.22%-0.26%, Si:0.10%-0.30%, Mn:1.20%-1.50%, P: ≤ 0.020%, S: ≤ 0.008 %, Ti:0.010%-0.030%, Als:0.02%_0.05%, B:0.0008%_0.0025%, N:≤ 0.008%，其余為 Fe 和不可避免元素。
2.—種權(quán)利要求1所述N80-Q級直縫焊油套管用鋼的制造方法，包括鐵水預(yù)處理、鋼水冶煉、爐外精煉、板坯連鑄、軋制、制管和整管熱處理，其特征在于所述的加熱軋制工藝為:連鑄板坯經(jīng)加熱爐加熱至1160-1260°C，隨后經(jīng)熱連軋機組采用兩階段軋制，第一階段粗軋開軋溫度為1060-1120°C，終軋溫度大于1000°C，第二階段精軋開軋溫度小于1000°C，終軋溫度為820-880°C，軋后鋼帶以4-12°C /s的速度進行冷卻，在630_730°C溫度進行鋼帶卷取；所述的整管熱處理為:經(jīng)HFW制管后，整管加熱到870-930°C，保溫30-60min，水淬；再把整管加熱到520-620°C，保溫60-120min，空冷回火。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述N80-Q級直縫焊油套管用鋼的制造方法，其特征在于所述爐外精煉，采用LF爐進行輕脫硫處理和鈣處理。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述N80-Q級直縫焊油套管用鋼的制造方法，其特征在于所述板坯連鑄采用電磁攪拌或 動 態(tài)輕 壓 下。
【文檔編號】C21D8/02GK103882302SQ201210563257
【公開日】2014年6月25日 申請日期:2012年12月21日 優(yōu)先權(quán)日:2012年12月21日
【發(fā)明者】黃國建, 黃明浩, 孔祥磊, 安曉光, 徐烽, 張英慧 申請人:鞍鋼股份有限公司