一种p110级直缝焊石油套管及其制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于高强度低合金钢领域，特别涉及API SPEC5CT中钢级为PllO石油套管 及其制造方法。
【背景技术】
[0002] 石油套管是油田最常用的石油专用管材之一，特别是一种ERW/HFW (ERW/HFW， Electric Resistance ffeld/High frequency electric-resistance-weld,电阻焊）套管， 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。 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。国内目前只有低钢级ERW套管能够替代传统的无缝钢管。因此，深入开展高钢级高频 直缝焊油层套管生产和工艺的研究，制造出质量优良的高钢级高频直缝焊油层套管已成为 当务之急。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：Pl 10级别钢管的屈服强度在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，可采用热轧态强度低的热轧钢带进行ERW焊接制管，然后进行整管热处理， 使钢管的最终性能达到Plio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，已有个别有关PllO钢级ERW石油套管的文献或发明专利，但采用 中碳低锰添加少量V低成本设计的PllO级ERW石油套管报导很少，以下简单介绍与本发明 较为接近的文献和专利：
[0006] 1)中国专利CN101643883A，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. 4%-1· 6%，Cr :0· 3%-0· 6%，Nb :0· 12%-0· 14%，V : 0. 08%-0. 12%，Ti :0. 18%-0. 22%。该专利中复合添加贵重元素 Nb、V、Cr，合金成本高。
[0007] 2)中国专利CN102430901A，一种PllO钢级高频直缝焊管的制造方法。成分中含 C :0· 25%-0· 30%，Mn :1. 1%-1· 5%，Cr :0· 15%-0· 35%，S :彡 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，小口径高钢级油管的热处理方法。成分中含C: 0. 15%-0, 50%, Mn ：0. 25%-l. 9%, Mo ：0. 25%-1, 10%, Cr ：0. 4%-14%,Ni 0. 99%, Cu 0. 35%〇 该专利中复合添加元素 Mo、Ni、Cu、Cr,合金成本高。
[0009] 4)中国专利CN102534372A，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. 0%，Nb :0. 02%-0. 1%。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%，Si :0. 25%，Mn :1. 2%，Cr : 0· 5%，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、Ni、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、Ni、Cu、Nb、V，合金成本高； 有的S含量要求高，冶炼成本高。均与本发明采用中碳低锰添加少量V设计有明显不同之 处。
【发明内容】
[0012] 本发明的目的在于提供一种PllO钢级电阻焊石油套管及其制造方法，特别是采 用中碳低锰添加少量V低成本设计，热轧态钢带性能屈服强度为550-650MPa，抗拉强度为 700-800MPa，整管调质热处理后性能为PllO级别的直缝电阻焊（ERW)石油套管及其制造方 法。针对目前直缝电阻焊石油套管PllO生产存在的技术问题，例如：较多贵重合金Mo、Ni、 Cu、Nb、V，合金成本高；有的S含量要求高，冶炼成本高等问题，特提出本发明的技术方案。
[0013] 本发明的一种PllO级直缝电阻焊（ERW)石油套管，其化学成分(重量，％)配比如 下：C :0· 24%-0· 28%，Si :0· 15%-0· 30%，Mn :1. 25%-1· 50%，P :彡 0· 020%，S :彡 0· 008%，Ti : 0· 010%-0· 030%，Als :0· 02%-0· 05%，V :0· 050%-0· 080%，N :彡 0· 008%，其余为 Fe 和不可避 免元素。
[0014] 与现有技术相比，本方案C含量适中，钢带的冲击韧性良好；用少量的V取代贵金 属Mo、Ni、Cu、Nb、Cr等，降低合金成本；热轧态板卷性能较低，后续制管成型容易；整管进行 调质热处理，性能为PllO级别，保证了管体和焊缝性能的一致性。
[0015] 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0.5%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，其最佳范围是0. 24%-0. 28%。
[0016] Si :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%。
[0017] 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I. 25%-1. 50%。
[0018] 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，应控制其含量< 0. 020%。
[0019] 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，应控制其含量< 0. 008%。
[0020] V :钒的碳氮化物在铁素体中以细小弥散形式均匀析出，具有细晶强化作用，可以 显著提高材料的屈服强度和抗拉强度，同时提高低温冲击韧性；高温熔入奥氏体时，可增加 钢的淬透性；固溶于铁素体中有极强的固溶强化作用，但过高会增加合金成本，合适的范围 是 0· 050%-0· 080%。
[0021] Ti :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，合适的范围是0. 〇1〇%-〇. 030%。
[0022] Als :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. 02%-0. 05%。
[0023] N :固溶氮有钉扎位错的强烈作用，对韧性有不良影响，应控制其含量< 0. 008%
[0024] 本发明一种PllO钢级直缝电阻焊石油套管的制造方法，包括铁水预处理、钢水冶 炼、炉外精炼和板坯连铸、连铸坯再加热、乳制、冷却、卷取、ERW制管和整管热处理。其特征 是：
[0025] 1)冶炼连铸工艺：铁水预处理，转炉冶炼一经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以控制夹杂物形态和提高钢的延展性、韧性和冷弯性能，板坯 连铸制成连铸板坯一连铸采用电磁搅拌或动态轻压下、以提高连铸板坯的质量。
[0026] 2)轧制工艺：连铸板坯经加热炉加热至1180-1250，°C随后经热连轧机组采用两 阶段控制轧制，第一阶段开轧温度为1100-1230，°C终轧温度大于960，°C第二阶段开轧 温度小于950，°C终轧温度为800-850，°C轧后钢带以11_15°C的/速s度进行冷却，在 500-580°C温度进行钢带卷取。
[0027] 3)热轧态钢带的屈服强度为550_650MPa，抗拉强度为700_800MPa。
[0028] 4)钢带经过ERW机组进行高频/中频电阻焊制成钢管。
[0029] 5)整管调质热处理工艺：经ERW制管后，整管加热到880-940，°C保温30-60min， 水淬；再把整管加热到500-560，°C保温60-80min，空冷回火。
[0030] 6)调质后整管的屈服强度为760-860MPa，抗拉强度为880-980MPa，0°C横向夏比 冲击功（3个试样均值）Akv > 80J。
[0031] 本发明技术方案的优点及效果在于：1)用少量的V取代贵重金属Mo、Ni、Cu、Nb、 Cr,降低合金成本；2) C含量适中，板卷的焊接性和冲击韧性良好；3)热轧态板卷性能较 低，后续制管成型容易；4)整管进行调质热处理，性能为PllO级别，保证了管体和焊缝性能 的一致性。
【具体实施方式】
[0032] 下面列举本发明的实施例，试验钢化学成分见表1，加热、乳制冷却工艺见表2,力 学性能见表3。
[0033] 表1化学成分（wt，％)
[0034]
【主权项】
1. 一种PllO级直缝电阻焊石油套管，其特征在于，化学成分按重量百分比配比如 下，C :0· 24%-0· 28%，Si :0· 15%-0· 30%，Mn :1. 25%-1· 50%，P :彡 0· 020%，S :彡 0· 008%，Ti : 0· 010%-0· 030%，Als :0· 02%-0· 05%，V :0· 050%-0· 080%，N :彡 0· 008%，其余为 Fe 和不可避 免元素。
2. 如权利要求1所述一种PllO钢级直缝电阻焊石油套管的制造方法，包括铁水预处 理、钢水冶炼、炉外精炼和板坯连铸、连铸坯再加热、乳制、冷却、卷取、ERW制管和整管热处 理，其特征在于 ： 1) 冶炼连铸工艺：铁水预处理，转炉冶炼一经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； 2) 轧制工艺：连铸板坯经加热炉加热至1180-1250°C，随后经热连轧机组采用两阶段 控制轧制，第一阶段开轧温度为Il〇〇-1230°C，终轧温度大于960°C，第二阶段开轧温度小 于950°C，终轧温度为800-850°C，乳后钢带以11_15°C /s的速度进行冷却，在500-580°C温 度进行钢带卷取； 3) 整管调质热处理工艺：经ERW制管后，整管加热到880-940°C，保温30-60min，水淬； 再把整管加热到500-560°C，保温60-80min，空冷回火。
【专利摘要】本发明公开一种P110级直缝焊石油套管及其制造方法，其化学成分按重量%配比如下：C：0.24%-0.28%，Si：0.15%-0.30%，Mn：1.25%-1.50%，P：≤0.020%，S：≤0.008％，Ti：0.010%-0.030%，Als：0.02%-0.05%，V：0.050%-0.080%，N：≤0.008％，其余为Fe和不可避免元素。工艺包括冶炼、连铸，板坯加热1180-1250℃，采用两阶段控制轧制，采用整管调质热处理工艺：经ERW制管，整管加热到880-940℃，保温30-60min，水淬；再把整管加热到500-560℃，保温60-80min，空冷回火。本发明效果在于：用少量的V取代贵重金属降低成本；热轧态板卷性能较低，后续制管成型容易；整管进行调质热处理，性能为P110级别，保证了管体和焊缝性能的一致性。
【IPC分类】C21D8-10, C22C38-14, E21B17-00
【公开号】CN104561774
【申请号】CN201310468738
【发明人】黄明浩, 黄国建, 孔祥磊, 张英慧, 徐烽
【申请人】鞍钢股份有限公司
【公开日】2015年4月29日
【申请日】2013年10月10日