石油套管用鋼及其製造方法
2023-08-09 00:51:46 1
專利名稱：石油套管用鋼及其製造方法
技術領域：
本發明涉及金屬材料製造技術領域，特別是涉及一種非整管熱處理直縫焊石油套管低屈強比API K55用鋼及其製造方法。
背景技術：
與無縫管相比，由於直縫焊套管具有尺寸精度高、抗擠潰性能好以及成本低等優 點，已廣泛用於石油開採行業。其中，J55套管的用量最大，而K55套管由於生產難度大，用 量相對較少。K55套管的技術難度在於制管所用的熱軋鋼卷的生產難度。由於K55套管的API 標準規定管體的屈服強度在379 552MPa之間，抗拉強度> 655MPa，則所用的熱軋鋼卷 必須滿足制管後這種性能要求。但是，直縫電阻焊管制管成型後，由於加工硬化作用的存 在，管體性能與鋼卷性能相比，抗拉強度基本不變，屈服強度會有不同程度的提高。這樣，即 使熱軋鋼卷的性能滿足API標準對K55套管的性能要求，但制管後管體的屈服強度往往會 高出API標準的上限。總之，K55套管生產難度大的原因可歸納為兩個方面一是對板管屈服強度的變 化規律認識不清，沒有定量的認識，難以明確給出所用的熱軋鋼卷的性能要求；二是即使能 明確這種要求，熱軋鋼卷也難以達到所要求的低屈強比。對此，有人採用了制管後進行整管熱處理的工藝，並且已經批量供貨。(詳見文獻 《高頻電阻焊K55鋼級套管的研發》，《鋼管》，2008年8月，第37卷第4期)。採用整管熱處 理工藝，對熱軋鋼卷的性能要求相對較低，不要求低的屈強比，這樣K55套管性能要求僅通 過整管熱處理就能夠滿足。不過，鑑於制管後進行整管熱處理的成本較高，而且大多數制管 廠沒有整管熱處理的熱處理爐，也有人研究了非整管熱處理K55套管用鋼的製造工藝(詳 見申請號為200610027021.8的中國專利申請《一種低屈強比直縫焊石油套管用鋼及其制 造方法》)，但是，應用此專利申請文件中公開的技術方案進行生產後發現，產品也存在屈服 強度超出API標準的上限的情況。因此，該專利申請文件中公開的技術方案能夠生產K55 套管用鋼，但是不能同時穩定地生產所有尺寸規格的K55套管用鋼。
發明內容
本發明解決的技術問題是提供一種石油套管用鋼及其製造方法，生產出合格的 K55石油套管用熱軋鋼卷，其抗拉強度彡655MPa，而屈服強度控制在370MPa 523MPa之 間，屈強比控制在0. 56 0. 80之間，滿足所有尺寸規格的K55石油套管對熱軋鋼卷的性能 要求。為解決上述問題，本發明提供一種石油套管用鋼，其成分的質量百分比為C: 0.31 0. 35，Si 0. 1 0. 45, Mn :0. 8 1.5，P ≤ 0. 02，S ≤ 0.01，Al ≤ 0. 024，V:≤ 0. 1， Mo ≤ 0. 35，其餘為Fe和不可避免的雜質。可選地，所述V的質量百分比為0. 01 0. 1。
可選地，所述Mo的質量百分比為0. 005 0. 35。本發明提供的石油套管用熱軋鋼卷的成分設計原理如下C 0. 31 0. 35%，C通過固溶強化和析出強化作用提高鋼材的強度，隨著C含量 的提高，鋼材的抗拉強度和屈服強度都得到提高，但抗拉強度提高的幅度要大於屈服強度 的提高幅度。這是因為，隨著C含量的提高，鋼材中珠光體的體積分數也增加，而抗拉強度 主要取決於鋼材中珠光體的體積分數及珠光體的片層間距的大小；而屈服強度主要取決於 鋼材中鐵素體的體積分數、晶粒度和過飽和度等。因此 ，提高C含量是生產K55石油套管用 鋼的思想之一。但是，過高的C含量會提高碳當量，從而影響可焊性。Mn 0. 8 1. 5%，Mn通過固溶強化和晶粒細化作用提高鋼材的強度，且對抗拉強 度和屈服強度貢獻度基本一致。但Mn含量過高，會增加板坯中心偏析程度，從而影響熱軋 組織的均勻性，並給焊縫質量帶來負面影響。V:0.01 0. 1%, V具有細化晶粒和析出強化的作用，但析出強化起主導作用，因 此，對於K55石油套管用鋼適量添加V，可以充分發揮析出強化的作用，有利於提高鋼材的 強度，而碳當量又不發生顯著變化，對可焊性不發生顯著影響。Al 0. 024%, Al的主要作用有兩個方面，一是煉鋼工序脫氧的作用，二是Al與 鋼中的N形成化合物，具有晶粒細化的作用。基於以上考慮，為了獲得較粗的晶粒尺寸，獲 得低的屈強比，本發明限制Al的含量< 0. 024%。Mo 根據熱軋工藝控制的穩定程度，可以選擇性地添加Mo，設計成份為0. 005 0. 35%。Mo元素的添加，可以使鋼材CCT曲線中鐵素體和珠光體的轉變溫度右移，而對貝氏 體的轉變溫度影響較小，從而有利於增加貝氏體的體積分數。另外，熱軋鋼卷卷取之後有一 個自回火過程，Mo的加入可以提高回火穩定性，即如果熱軋層流冷卻控制能力偏低，導致全 長冷卻不均勻，而表現出性能的較大波動，則可以選擇加入Mo ；如果層流冷卻控制得較好， 則可以不添加Mo，從而降低生產成本。本發明還提供一種上述的石油套管用鋼的製造方法，所述方法包括將鋼水經轉 爐或電爐冶煉，並澆鑄製成板坯；將板坯加熱到1190 1260°C初軋成板帶；將初軋後的板 帶輸送通過終軋軋輥進行終軋，所述終軋溫度在820 920°C之間；終軋後的板帶經層流冷 卻後，在不低於610°C時卷取成鋼卷。可選地，在終軋過程中，只投放三組以下的終軋機架冷卻水。可選地，終軋後的板帶經層流冷卻後，在610 730°C的溫度範圍內卷取成鋼卷。在終軋過程中，初軋板帶通過多組終軋軋輥(例如七組)，每一組終軋軋輥旁邊配 有一組終軋機架冷卻水投放設備，該終軋機架冷卻水在板帶進行終軋的過程中，向板帶表 面進行噴灑，使板帶冷卻。然而，採用本發明的製造方法，在820 920°C範圍內進行終軋 時，只投放三組以下的終軋機架冷卻水。這是因為，為了獲得較低的屈服強度，熱軋鋼卷中 的奧氏體晶粒度需要進行粗化，即要求儘量大的奧氏體再結晶晶粒尺寸。為此，僅投放三組 機架冷卻水的目的是調整終軋溫度和除鱗的需要，使得終軋後形變的奧氏體充分恢復、再 結晶及晶粒長大，從而增大奧氏體的晶粒度。這為隨後的相變提供了粗晶的組織條件，從而 使得相變後的鐵素體和珠光體組織更加粗化，進而降低熱軋鋼卷的屈服強度，降低屈強比。如果投放過多組的終軋機架冷卻水，則終軋後形變的奧氏體難以恢復和再結晶， 只能保持變形奧氏體的狀態。隨後進行的水幕冷卻，會使得材料組織更加細化，不利於熱軋鋼卷的屈服強度和屈強比的降低。在本發明中，終軋後的板帶經層流冷卻後，在不低於610°C時卷取成鋼卷，高的卷 取溫度必然需要水幕冷卻的速度降低，如此才能使變形奧氏體充分恢復、再結晶及晶粒長 大，該原理與終軋過程中關閉機架冷卻水的原理相同。隨後，熱軋鋼卷發生奧氏體向鐵素體 的相變過程。低的水幕冷卻速度使得材料組織趨於平衡相變，K55用鋼就能獲得粗大的鐵 素體和珠光體組織，如圖1和圖2所示。按上述過程軋成的熱軋鋼卷可以提供製造各種厚徑比的K55直縫焊石油套管。 與現有技術相比，本發明具有以下優點在本發明的石油套管用鋼中加入有 0. 31 0. 35質量百分比的C和< 0. 024質量百分比的Al，C含量的提高，使抗拉強度和屈 服強度都得到提高，但抗拉強度提高的幅度要大於屈服強度的提高幅度，故而屈強比能夠 降低；而Al含量的減少，能減少鋼材中由N與Al形成的可以細化晶粒的化合物的形成，可 以使鋼材中的奧氏體晶粒度粗化，即使得奧氏體再結晶晶粒尺寸儘量大，從而也可以獲得 較低的屈強比。另外，在其成分中還可選擇性地添加或者單獨添加有0. 01 0. 1質量百分比的V 或者0. 005 0. 35質量百分比的Mo。對於在鋼材中適量添加的V，可以充分發揮V的析 出強化的作用，有利於提高鋼的強度，而碳當量又不發生顯著變化，對可焊性不發生顯著影 響。Mo的添加，可以使材料CCT曲線中鐵素體和珠光體轉變溫度右移，而對貝氏體轉變溫度 影響較小，從而有利於增加貝氏體體積分數；另外，熱軋鋼卷卷取之後有一個自回火過程， Mo的加入可以提高回火的穩定性。在本發明的石油套管用鋼的製造方法中，降低本發明的出爐溫度可以節約能源， 降低成本；提高終軋溫度並減少終軋機架冷卻水的投放可以獲得較大的奧氏體再結晶晶粒 尺寸，進而可以獲得較低的屈服強度，降低屈強比；而終軋後的板帶經層流冷卻後，在不低 於610°C時卷取成鋼卷，由於更高的卷取溫度必然需要水幕冷卻的速度降低，如此才能使變 形奧氏體充分恢復、再結晶及晶粒長大，同樣也具有降低屈服強度和屈強比的作用。
圖1為本發明非整管熱處理直縫焊石油套管K55用鋼在700°C卷取後放大100倍 的金相組織；圖2為本發明非整管熱處理直縫焊石油套管K55用鋼在700°C卷取後放大500倍 的金相組織；
具體實施例方式下面結合具體實施例和附圖對本發明作進一步說明，但不應以此限制本發明的保 護範圍。根據API標準，K55用鋼石油套管的厚徑比範圍是0. 022 0.049，根據研究， 其屈服強度差的計算公式為熱軋鋼卷屈服強度-管體屈服強度=94. 1-5637X厚徑比 (MPa)。據此，一定尺寸規格的石油套管所對應的熱軋鋼卷的屈服強度如表1所示。可 見，石油套管的不同的厚徑比所要求的熱軋鋼卷(熱卷)的屈服強度的範圍是370MPa 523MPa。而屈強比=屈服強度/抗拉強度，所以熱軋鋼卷的屈強比的範圍是0. 56 0. 80。
表1 K55用鋼石油套管的尺寸規格、厚徑比及對熱軋鋼卷屈服強度的要求 而為了得到更低屈強比的熱軋鋼卷，本發明與作對比的現有技術(對比專利 CN200610027021. 8) 一樣採用碳錳鋼，但成分和熱軋工藝都存在較大差別，如表2和表3所示。表2現有技術和本發明的熱軋鋼捲成分對比 表3現有技術和本發明的熱軋工藝對比出爐溫度終軋溫度卷取溫度
現有技術1200 1300°C 800 ~ 900"C 500 ~ 600°C~
本發明1190 ~ 1260°C 820 920°〇 610 730°〇~表2為現有技術和本發明的熱軋鋼捲成分對比，其中本發明的熱軋鋼捲成分的質 量百分比為:C 0 . 31 0. 35，Si 0. 1 0. 45，Mn 0. 8 1. 5，P 彡 0. 02，S 彡 0. 01，Al ^ 0. 024，其餘為Fe和不可避免的雜質。另外，在其現有成分中還可選擇性地複合添加或者 單獨添加有V 0. 01 0. 1和Mo 0. 005 0. 35。表3為現有技術和本發明的熱軋工藝對比，其中本發明的熱軋鋼卷的出爐溫度為 1190 1260°C，終軋溫度為820 920°C，卷取溫度為610 730°C。在不同的實施例中，所述出爐溫度具體例如1190 V、1200 V、1210 V、1220 V、 1230°C、1240°C、125(rC或者 1260°C，優選 1230°C ；所述終軋溫度具體例如 820°C >840°C > 860 V、880 V、900°C或者 920°C，優選 880 V ；所述卷取溫度具體例如 610°C、630°C、650°C、 670°C、690°C、710°C或者 730°C，優選 690°C。表4為本發明的實施例和現有技術的比較例的鋼材成分，表5為本發明的實施例 和現有技術的比較例的鋼材性能及適用性。結合表1和表5，可以看到，採用本發明的製造 方法生產出的熱軋鋼卷可以滿足所有規格(即厚徑比< 0.049)的非整管熱處理直縫焊石 油套管API K55用鋼對熱軋鋼卷的要求。反觀現有技術的製造方法只能滿足部分厚徑比區 間(即厚徑比< 0.033)的要求，而不能滿足所有厚徑比區間的要求，因為熱軋鋼卷的屈服 強度會超出API標準的上限。另外，本發明的製造方法能夠在生產大厚徑比石油套管的情 況下，降低熱軋鋼卷的屈強比值，而現有技術的製造方法不但不能生產大厚徑比石油套管 用的熱軋鋼卷，而且所生產的小厚徑比石油套管用的熱軋鋼卷的屈強比值也較高，這對於 生產實踐來說無疑是不利的。表4本發明的實施例和現有技術的比較例的鋼材成分
r~CSiMn Γ^ l~~SMo Γ~νAl
實施例 1 0. 32 024 ~3θΓθ2 οΓο /οΓο 0.011
實施例 2 0. 34 026 7 0.012 0.002 /0. 035 0. 008
實施例 3 0. 32 025 1~32 0.011 0.003 0.005 0. 033 οΓο ~ 實施例 4 0. 31 045 1~50. 009 0.002 /θ7 0. 024
實施例 5 0. 34 0 21721 0. 008 0.001 0 35/0. 015
實施例 6 0. 35 θ7 0 80. 007 0.003 //0. 010 表5本發明的實施例和現有技術的比較例的鋼材性能及適用性 在本發明的石油套管用鋼中加入有0.31 0.35質量百分比的C和< 0.024質量 百分比的Al，C含量的提高，使抗拉強度和屈服強度都得到提高，但抗拉強度提高的幅度要 大於屈服強度的提高幅度，故而屈強比能夠降低；而Al含量的減少，能減少鋼材中由N與 Al形成的可以細化晶粒的化合物的形成，可以使鋼材中的奧氏體晶粒度粗化，即使得奧氏 體再結晶晶粒尺寸儘量大，從而也可以獲得較低的屈強比。另外，在其成分中還可選擇性地添加或者單獨添加有0. 01 0. 1質量百分比的V 或者0. 005 0. 35質量百分比的Mo。對於在鋼材中適量添加的V，可以充分發揮V的析 出強化的作用，有利於提高鋼的強度，而碳當量又不發生顯著變化，對可焊性不發生顯著影 響。Mo的添加，可以使材料CCT曲線中鐵素體和珠光體轉變溫度右移，而對貝氏體轉變溫度 影響較小，從而有利於增加貝氏體體積分數；另外，熱軋鋼卷卷取之後有一個自回火過程， Mo的加入可以提高回火的穩定性。
在本發明的石油套管用鋼的製造方法中，降低本發明的出爐溫度可以節約能源， 降低成本；提高終軋溫度並減少終軋機架冷卻水的投放可以獲得較大的奧氏體再結晶晶粒 尺寸，進而可以獲得較低的屈服強度，降低屈強比；而終軋後的板帶經層流冷卻後，在不低 於610°C時卷取成鋼卷，由於更高的卷取溫度必然需要水幕冷卻的速度降低，如此才能使變 形奧氏體充分恢復、再結晶及晶粒長大，同樣也具有降低屈服強度和屈強比的作用。
本發明雖然以較佳實施例公開如上，但其並不是用來限定本發明，任何本領域技 術人員在不脫離本發明的精神和範圍內，都可以做出可能的變動和修改，因此本發明的保 護範圍應當以本發明權利要求所界定的範圍為準。
權利要求
一種石油套管用鋼，其成分的質量百分比為C0.31～0.35，Si0.1～0.45，Mn0.8～1.5，P≤0.02，S≤0.01，Al≤0.024，V≤0.1，Mo≤0.35，其餘為Fe和不可避免的雜質。
2.如權利要求1所述的石油套管用鋼，其特徵在於，所述V的質量百分比為0.01 0. 1。
3.如權利要求1或2所述的石油套管用鋼，其特徵在於，所述Mo的質量百分比為 0. 005 0. 35。
4.一種權利要求1至3所述的石油套管用鋼的製造方法，其特徵在於，所述方法包括 將鋼水經轉爐或電爐冶煉，並澆鑄製成板坯；將板坯加熱到1190 1260°C初軋成板帶；將初軋後的板帶輸送通過終軋軋輥進行終軋，所述終軋溫度在820 920°C之間； 終軋後的板帶經層流冷卻後，在不低於610°C時卷取成鋼卷。
5.如權利要求4所述的石油套管用鋼的製造方法，其特徵在於，在終軋過程中，只投放 三組以下的終軋機架冷卻水。
6.如權利要求4所述的石油套管用鋼的製造方法，其特徵在於，終軋後的板帶經層流 冷卻後，在610 730°C的溫度範圍內卷取成鋼卷。
全文摘要
本發明提供一種石油套管用鋼，其成分的質量百分比為C0.31～0.35，Si0.1～0.45，Mn0.8～1.5，P≤0.02，S≤0.01，Al≤0.024，V≤0.1，Mo≤0.35，其餘為Fe和不可避免的雜質。本發明還提供一種所述的石油套管用鋼的製造方法，包括將鋼水經轉爐或電爐冶煉，並澆鑄製成板坯；將板坯加熱到1190～1260℃初軋成板帶；將初軋後的板帶輸送通過終軋軋輥進行終軋，所述終軋溫度在820～920℃之間；終軋後的板帶經層流冷卻後，在不低於610℃時卷取成鋼卷。採用本發明的製造方法生產出的鋼卷可以滿足所有規格(即厚徑比≤0.049)的非整管熱處理直縫焊石油套管API K55用鋼對熱軋鋼卷的要求。
文檔編號C22C33/04GK101845583SQ200910048199
公開日2010年9月29日 申請日期2009年3月25日 優先權日2009年3月25日
發明者唐豪清, 楊峰, 田青超, 賴興濤 申請人:寶山鋼鐵股份有限公司