专利名称：一种可焊接高强度非调质油井管及其制造方法
技术领域：
本发明属于低合金钢技术领域，尤其涉及含V、Ti、N非调质可焊接油井管及其制造方法。
背景技术：
N80钢级隔热管是目前稠油热采过程中使用的一种油井管，该油井管要求具有较好的焊接性能。油井管的生产通常采用调质工艺。其生产过程包括冶炼、精炼、铸坯、管坯、1250～1300℃加热穿孔、950～1050℃轧管、加热炉再加热至950～980℃、定减径轧机920～950℃轧管、空冷至室温后淬火加高温回火热处理。用该工艺生产钢管的强化主要靠调质处理后钢的金相组织转变为回火索氏体来完成，该生产方式采用的钢种成分较简单，但调质热处理成本较高，生产过程中需要消耗大量的能源并对环境产生严重的污染。
为降低生产成本，减少污染，出现了非调质生产工艺。如通过合金化途径提高钢的强度。但由于普通轧制工艺，钢的金相组织较粗大，韧性很低。为改善韧性又出现了在线常化工艺和终轧后快冷至600℃以下通过形成贝氏体组织改善韧性的方法。前一种方式是将连轧管后的钢管温度空冷降至Ar1以下，使得钢管发生一次奥氏体向铁素体珠光体相变，而后进行再加热，再加热炉内重新加热奥氏体化后，利用重结晶细化奥氏体晶粒，进而使钢管最终组织得到细化，韧性也有所提高。这种工艺虽然可以改善钢管的韧性，但由于连轧管后冷却时间较长不适于大批量连续生产，并且非调质工艺所选用的钢种均含有一定量的V、Nb、Ti等微合金元素进行强化，再加热时由于加热温度较低，已析出的起强化的析出相不宜在此温度溶解，且未溶析出相将进一步长大，使其强化作用减弱。后一种生产方式是采用正常的穿孔、连轧、再加热、张力减径后快速冷却至400-600℃(见申请号为02145363.2的中国专利)，最终生成细小贝氏体组织使钢的强韧性得到提高。但此种方式对终冷温度要求严格，稍有偏差将形成对韧性破坏较大的粒状贝氏体和粗大的上贝氏体。并且由于此种组织在进行焊接等热加工后组织将发生变化，不能保证其原有的强韧性，因而无法用作N80钢级隔热管。
非调质钢是在碳钢中添加微量合金元素(V、Ti、Nb和N等)，通过控温轧制、控温冷却、以弥散析出碳(氮)化合物为强化相，使之在轧制后不经调质处理，即可获得碳素结构钢或合金结构钢经调质处理后所达到的力学性能的钢种。在含V、Ti、N的非调质钢中的氮可促进细小弥散第二相颗粒的析出，增加颗粒的稳定性，从而更充分地发挥微合金化元素的细化晶粒和沉淀强化作用。现行的含氮钢冶炼中氮的合金化都是在冶炼后期VD炉真空处理后加入氮化合金(如氮化铬铁、氮化锰铁、氮化钒)来实现的。由于氮化铬铁和氮化锰铁杂质含量较高，会污染钢液，所以通常都使用氮化钒，而氮化钒价格昂贵，合金化时氮的收得率不稳，使钢中氮含量不易控制。
发明内容
本发明的目的是提供一种制造成本低，含氮量控制准确，采用非调质工艺生产的具有高强度和韧性、良好焊接性能的油井管及其制造方法。
本发明可焊接高强度非调质油井管的化学成分为(按重量百分比计)C0.20％～0.29％、Si0.40％～0.70％、Mn1.40％～1.70％、V0.08-0.15％、Ti0.01％～0.03％、N0.008％～0.025％，余量由Fe及杂质构成，且按Ceq＝C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15定义的碳当量Ceq为0.40％～0.60％。
本发明可焊接高强度非调质油井管的制造方法包括转炉冶炼、LF炉精炼、VD炉真空处理、铸坯、轧制管坯、1260～1310℃管坯加热穿孔、1050～1150℃钢管连轧、其终轧温度接近但高于Ar3的定减径轧制和冷却，其特点是所述的VD炉真空处理采用底吹氮方式，钢管连轧后以≥250℃/s的控冷速度使其表面温度降低100～200℃。所述VD炉真空处理时，破空后继续弱吹氮7～15分钟，氮气压力为0.1～0.9Mpa。
如果控冷后钢管的温度过低，不能满足定减径轧机轧制能力的要求和API 5CT标准对终轧温度的要求，无法保证钢管终轧温度高于钢种Ar3相变温度的情况下，应在进入定减径轧机前快速加热至860～900℃。
如果钢管的终轧温度≥840℃，或碳当量≤0.50％，在定减径轧制后应先快速控冷至650～750℃，然后空冷。
本发明之所以选择以上的成分设计主要在于1.碳是低合金钢中不可缺少的最主要的元素，也是提高强度最有效的元素之一。碳含量增多，钢的强度提高，但钢的塑性、冲击韧性、焊接性能变差；碳含量过低，钢中珠光体含量降低，铁素体含量提高，钢的塑性、韧性增强，焊接性能得到大幅度提高，但碳含量过低，屈服强度难以达到标准要求，因此必须确定合适的碳含量。依据N80钢级隔热油井管和API 5CT标准要求以及实验结果，本发明确定该钢化学成分中碳的含量为0.20％～0.29％。
2.锰一方面是作为脱氧元素加入的，另一方面是作为合金元素加入的，对于铁素体珠光体型钢，其固溶于铁素体中起强化作用。锰含量增加，可以弥补由于碳含量降低而引起的强度降低，在增加强度的同时对其延展性能影响较小。但锰含量过高对钢的焊接性能产生不利影响，本发明将锰的加入量控制在1.40％～1.70％。
3.硅和氧的亲和力仅次于铝和钛，在钢的冶炼过程中能起到脱氧作用。以固溶体形态存在于钢中的硅可显著地提高钢的强度，特别是屈服强度。但过高的硅会使钢的脆性转变温度降低，对钢的韧性起到破坏作用，当硅含量不大于0.7％时，对韧性具有改善作用。综合各种因素确定硅含量为0.40％～0.70％。
4.钒是微合金非调质钢中普遍采用的元素。作为强碳、氮化物形成元素，通常在钢中以碳化物、氮化物和碳氮化物等形式存在，在轧制的加热过程中，V基本完全固溶，固溶的V在热加工后的冷却过程中析出，起析出强化作用，提高强度。V含量过低其强化效果较弱，达不到性能要求，含量过高冶炼成本过高，且对钢的韧性产生破坏作用，最终确定V含量为0.08％～0.15％。
5.Ti的加入可以起到改善连铸坯质量的作用，同时Ti的氮化物在钢进行热轧前的加热过程中不能完全固溶，以细小颗粒状态存在，抑制加热时奥氏体晶粒的长大，并在再结晶控制轧制过程中抑制已发生再结晶的奥氏体晶粒长大，从而细化晶粒，提高强度、塑性和韧性。含Ti量过低不能发挥其应起到的作用，过高的Ti含量出现大颗粒的TiN对钢的韧性起到破坏作用，并且会固定钢中的N元素，使N促进V的析出强化作用削弱，将Ti含量控制范围确定为0.01％～0.03％。
6.氮在钢中主要是与钒结合成氮化物，促进V的析出，使V的析出强化作用得到充分发挥。增氮促进了碳氮化钒在奥氏体-铁素体相界面的析出，有效地阻止了铁素体晶粒长大，起到细化铁素体晶粒尺寸的作用。N可以使TiN的细化晶粒作用充分发挥，控制钢中Ti、N含量接近理想化学配比(4∶1)或更高，并且加快钢液凝固速度，使钢中析出的TiN颗粒体积分数达到最高、尺寸最小。N低促进V析出的作用不明显，N含量过高将在钢中产生大量的游离N固溶在铁素体中对钢的韧性和焊接性能起到破坏作用。实验确定N含量控制范围为0.008％～0.025％。
7.碳当量的范围是根据产品实际使用要求和实验结果确定的，就焊接特性而言，碳当量越低其焊后性能越好，但低于0.35％将使钢的强度降低，不能满足使用要求，碳当量高于0.65％，焊后焊缝处的韧性会低于API 5CT标准要求。确定碳当量的控制范围为0.40％～0.60％本发明成分设计得当，碳当量控制合理；在LF炉精炼工序结束前将氮以外的钢种成分按目标值调整好，然后在VD炉真空处理时通过底吹氮来控制钢中的氮含量，用钒铁和氮气取代昂贵的氮化钒，分别对钢中的V、N含量进行控制，不仅操作、控制简便，而且V、N含量更加精确，成本也大大降低；采用合理的控轧控冷生产工艺，钢管的室温组织为铁素体珠光体组织，晶粒细小均匀，晶粒度可以达到8级以上，析出的V(C、N)等第二相弥散分布平均尺寸在50nm左右，产品性能完全满足API 5CT标准N80钢级的要求，同时还具有良好的焊接性能。本发明特别适用于N80钢级隔热油井管。
具体实施例方式
下面参照3个实施例对本发明作进一步的描述。本发明首先将脱硫后的钢水送转炉冶炼，同时去磷，出钢温度在1680℃左右，碳控制在0.10％左右，出钢过程进行脱氧合金化。在LF炉精炼过程中去除钢中的O、S等有害元素，在此过程中除N元素外其它合金元素均调整至钢种成分要求，钢中的钒含量通过加钒铁来控制，其含量应控制在0.08％～0.15％，实施例的化学成分见表1，当V含量达到目标值以后不再调整，最后将钢液温度调至规定的1640℃～1650℃。在VD炉真空处理中进一步去除钢中的有害元素，特别是H。本发明将VD炉的底吹气体由氩气改为氮气，以增加钢中N元素的含量，并降低成本。真空处理时，真空度为67Pa，保压10分钟。破空后继续对钢液进行弱吹氮气，直至N含量满足成分要求达到0.008％～0.025％。本发明弱吹氮的时间为7～15分钟，氮气压力为0.1～0.9Mpa，实施例的生产工艺参数见表2。然后进行浇铸，并轧成需要规格的圆管坯，冷却至常温后进入管坯轧制工序。对管坯加热约2小时，加热至1260～1310℃后进行穿孔，穿孔后钢管外表面温度为1200℃～1230℃，进入限动芯棒连轧前钢管外表面温度为1050～1150℃，并将连轧变形量控制在60％左右，以满足动态再结晶要求，在轧制道次变形间隙可进行静态再结晶，使终轧奥氏体晶粒度很细。连轧后进行快速穿水控冷，钢管表面最高冷却强度≥250℃/s，使其表面温度降低100～200℃。具体降温幅度视钢管终轧温度而定。快速控冷可使经过再结晶细化的晶粒不易长大，加之钢种合金设计时加入的Ti元素具有抑制晶粒长大作用，将最大限度的保留细化的晶粒。如果快速控冷后钢管的温度过低，不能满足定减径轧机轧制能力的要求，并无法保证钢管终轧温度高于钢种Ar3相变温度，不能满足API 5CT标准对终轧温度的要求的话，就应在进入定减径轧机前通过感应加热装置快速加热至860～900℃。最后进行定减径轧制，并将终轧温度控制在接近但高于Ar3，之后冷却。如果钢管的终轧温度≥840℃，或碳当量≤0.50％，终轧后还应进行穿水冷却，即快速控冷至650～750℃，然后空冷。此次二次控冷的目的是通过加速冷却提高钢的冷却速度和过冷度，使晶粒得到进一步细化，以提高钢的韧性，并获得良好的力学性能。用本发明生产工艺制造的油井管其性能完全达到API标准要求Rt0.5552～758N/mm2；Rm≥689N/mm2；Akv(纵向全尺寸)≥27J(0℃)；Akv(纵向半尺寸)≥15J(0℃)。实施例的力学性能见表3。
表1 钢的化学成分 单位wt％
表2 钢管的生产工艺参数
表3 钢管的力学性能
*注试样为5×10×55半尺寸试样，检验温度0℃，三个试样平均值。
权利要求
1.一种可焊接高强度非调质油井管，其特征在于其化学成分含量为，按重量百分比计，C0.20％～0.29％、Si0.40％～0.70％、Mn1.40％～1.70％、V0.08-0.15％、Ti0.01％～0.03％、N0.008％～0.025％，余量由Fe及杂质构成，且按Ceq＝C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15定义的碳当量Ceq为0.40％～0.60％。
2.一种权利要求1所述油井管的制造方法，其工艺包括转炉冶炼、LF炉精炼、VD炉真空处理、铸坯、轧制管坯、1260～1310℃管坯加热穿孔、1050～1150℃钢管连轧、其终轧温度接近但高于Ar3的定减径轧制、冷却，其特征在于所述的VD炉真空处理采用底吹氮方式，钢管连轧后以≥250℃/s的快速冷却使其表面温度降低100～200℃。
3.根据权利要求2所述油井管的制造方法，其特征在于所述VD炉真空处理时，破空后继续弱吹氮7～15分钟，氮气压力为0.1～0.9Mpa。
4.根据权利要求2或3所述油井管的制造方法，其特征在于在定减径轧制前将钢管快速加热至860～900℃。
5.根据权利要求2或3所述油井管的制造方法，其特征在于钢管定减径轧制后快速冷却至650～750℃，然后空冷。
全文摘要
本发明提供一种可焊接高强度非调质油井管，其化学成分为(重量％)C0.20％～0.29％、Si0.40％～0.70％、Mn1.40％～1.70％、V0.08－0.15％、Ti0.01％～0.03％、N0.008％～0.025％，余量由Fe及杂质构成，且按Ceq＝C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15定义的碳当量Ceq为0.40％～0.60％。该油井管的制造方法包括转炉治炼、LF炉精炼、VD炉真空处理、铸坯、轧制管坯、1260～1310℃管坯加热穿孔、1050～1150℃钢管连轧、定减径轧制和冷却，其特点是VD炉真空处理采用底吹氮方式，钢管连轧后以≥250℃/s的冷却速度使其表面温度降低100～200℃。本发明成分设计合理；操作、控制简便，V、N含量控制精确，成本低；采用轧制控冷工艺，产品性能满足N80钢级要求，并具有良好的焊接性能。
文档编号C22C33/04GK1932065SQ200510047199
公开日2007年3月21日 申请日期2005年9月13日 优先权日2005年9月13日
发明者王长顺, 关勇, 雷洪波, 陈明, 姜长华, 王文仲, 马成, 薛军, 陈克东, 申大勇, 宁东, 徐咏梅 申请人:鞍钢股份有限公司