屈服強度170～180ksi鋼級的高強高韌性石油套管及其制造方法

專利名稱：屈服強度170～180ksi鋼級的高強高韌性石油套管及其制造方法
技術領域：
本發明涉及一種石油套管，特別是屈服強度170 180ksi鋼級的高強高韌性石油 套管及其制造方法。
背景技術：
隨著石油工業的深入發展，地球上儲存的石油資源越來越少，剩余的石油資源埋 藏越來越深，工況環境越來越惡劣。例如在中國的新疆等地區，越來越多的深井、超深井相 繼被開發，有的油井開采深度已經達到8000米以上。在深層地下，容易出現地壓變化、泥巖 蠕變、疏松砂巖坍塌、地層巖石滑移、以及地震、地殼運動等等，使石油套管承受著深層高壓 和高溫及自重等惡劣復雜的環境作用。因此，用于深井、超深井、地質復雜等開采難度大油 田使用的石油套管為了保證其使用安全性，必須在保證石油套管具有超高的屈服強度、抗 拉強度的同時，還必須具有良好的沖擊韌性和拉伸塑性。這也是油井專用管中公認的技術 難度最大、要求最高的產品之一。鋼鐵的強韌化技術是低合金調質鋼中最重要的研究課題。在低合金調質鋼中，由 于強度和韌性的矛盾關系為了獲得較高的強度，則必須降低回火溫度或者縮短回火時間， 材料的沖擊韌性受到影響；而為了改善鋼鐵的沖擊韌性，在調質熱處理中必須提高回火溫 度或者延長回火時間，鋼鐵材料的屈服強度則會顯著的降低。分析表明國內外在應用超 高強度套管歷史上出現的嚴重事故幾乎都與材料強度與韌性的匹配有關。因此如何協調 (超)高強度鋼管的強度和韌性之間的匹配關系，保證超高強度鋼管在深井下的安全服役， 是擺在當今鋼鐵冶金工作者面前非常棘手的難題。

發明內容
本發明是鑒于上述技術中存在的問題，本發明的目的在于提供一種屈服強度 170 180ksi鋼級的高強高韌性石油套管及其制造方法，以利于達到目的之一，常溫下管 材的屈服強度在1172 1241MPa之間；目的之二，0°C溫度條件下夏比V型橫向沖擊功70 90J，縱向沖擊功100 120J;目的之三，洛氏硬度HRC在40 45 ；延伸率彡16% ；晶粒度 9 11級。為了達到上述目的，本發明采用的技術方案是提供一種屈服強度170 180ksi 鋼級的高強高韌性石油套管，其中該套管組成以質量％計，含有c 0. 18 0. 35%，Si 0. 20 0. 50%, Mn 0. 45 1. 25%, Cr 0. 95 1. 45%, Mo 0. 65 1. 25%, Ni 0. 30 0. 85 %, V 0. 01 0. 20 %，Nb 0. 01 0. 08 %，Ca 0. 0015 0. 0050 %, A1 0. 010 0. 060 %, Ti ^ 0. 02 %, B ^ 0. 0005 %,0 ^ 0. 003 %, N ^ 0. 012 %, H ^ 0. 0003 %, P彡0. 010%, S彡0. 002%，包括々8、511、？13、513、81的五害元素的總含量彡0. 02%，其余為 鐵。同時還提供一種屈服強度170 180ksi鋼級的高強高韌性石油套管的制造方法。
本發明的效果是該方法(1)在合金元素設計上采用較低的C、Si保證沖擊韌性， 添加適量的Si、Mn、Cr、M0、Ni等合金元素來提高材質的強度，同時輔助V、Nb等微合金化元 素細化晶粒，改善鋼管的強韌性匹配。(2)在煉鋼工藝上嚴格控制S、P、氣體、五害殘留元 素。(3)精煉后期VD真空脫氣后再適當喂入鋁絲，使得酸溶鋁占全鋁的比重保持在90%以 上，保證良好的脫氧效果同時又不造成氧化鋁的夾雜，提高了鋼鐵的純凈度；(4)喂入鋁絲 并吹氬弱攪拌五分鐘以后再適當喂入CaSi絲，使得夾雜物充分變性球化，并快速上浮；(5) 喂入CaSi絲深度脫氧后，再保持鎮定時間10 15分鐘，然后上連鑄平臺；(6)連鑄圓坯采 用結晶器電磁攪拌來減少成分偏析。(7)熱軋完成后采用先進的熱處理水冷系統，保證鋼管 的淬透性，提高材料的強度和韌性。
具體實施例方式結合實施例詳細說明本發明的屈服強度170 180ksi鋼級的高強高韌性石油套 管及其制造方法。本發明的屈服強度170 180ksi鋼級的高強高韌性石油套管，該套管組分以 質量 ％ 計，含有 c 0. 18 0. 35%，Si 0. 20 0. 50%，Mn 0. 45 1. 25%，Cr 0. 95 1. 45%, Mo 0. 65 1. 25%, Ni 0. 30 0. 85%，V 0. 01 0. 20%, Nb 0. 01 0. 08%， Ca 0. 0015 0. 0050%,A1 0. 010 0. 060%,Ti 彡 0. 02%,B 彡 0. 0005%,0 彡 0. 003%, N 彡 0. 012%, H 彡 0. 0003%, P 彡 0. 010%, S 彡 0. 002%，包括 As、Sn、Pb、Sb、Bi 的五害元 素的總含量< 0. 02%，其余為鐵。所述的屈服強度170 180ksi鋼級的高強高韌性石油套管的常溫屈服強度在 1172 1241MPa之間；0°C溫度條件下夏比V型橫向沖擊功70 90J，縱向沖擊功100 120J;洛氏硬度HRC在40 45 ；延伸率彡16% ；晶粒度9 11級。本發明的屈服強度170 180ksi鋼級的高強高韌性石油套管的制造方法，該方法 包括以下步驟煉鋼(1)按權利要求1的組分采用優質廢鋼+鐵水或生鐵，精煉后使As、Sn、Pb、Sb、Bi 的五害總含量< 0.02% ；(2)精煉后采取50 100帕斯卡的真空VD脫氣處理，脫氣時間10 20分鐘；吹 氬氣攪拌，吹氬攪拌時流量控制應確保不吹開渣面；(3)真空脫氣后再喂入鋁絲，使得酸溶鋁占全鋁的比重保持在90%以上；(4)喂入鋁絲并攪拌5分鐘以后再喂入CaSi絲，使得鋼液中Ca含量彡0.0015%， S 含量< 0. 002% ；(5)澆注前保持10 15分鐘的鎮定時間，促進夾雜物上浮，并控制鋼水澆鑄前過 熱度在40 60°C ；(6)結晶器末端采用電磁攪拌，攪拌頻次和幅度確保不蕩開鋼液表面的保護渣 層；軋管(1)鑄坯環形爐加熱，加熱溫度1200 1350°C，加熱保溫時間2. 0 3. 5小時;(2)穿孔連軋，穿孔溫度1100 1150°C，穿孔后溫度1250 1300°C, PQF三輥軋
4機開軋溫度1100 1150°C，出脫管機溫度1050 1100°C ；(3)定徑、冷卻，出脫管機后進入張力減徑機在920 950°C下定徑成最終的成品 管規格，出機架后再空冷至室溫；熱處理(1)步進式加熱爐加熱保溫，淬火爐設定溫度AC3+50°C，其中AC3為該鋼管的完全 奧氏體化溫度；鋼管入爐后在爐內的總時間為30+3. 5t分鐘，其中t為該鋼管的壁厚毫米 值；(2)鋼管出淬火爐后進行水淬處理，淬火方式采用外淋、內噴、管子旋轉的方式水 冷，控制水量和水溫為確保鋼管在30秒鐘之內從奧氏體狀態冷卻到室溫；(3)經過淬火后的鋼管進入步進式回火爐，回火爐加熱溫度520°C 580°C，鋼管 入爐后在爐內的總時間為60+4. 5t分鐘，其中t為該鋼管的壁厚毫米值；(4)鋼管出回火爐后進入矯直機架熱矯直，控制鋼管運行速度，確保矯直溫度在 400 450°C，出矯直機架后鋼管空冷至室溫。本發明的屈服強度170 180ksi鋼級的高強高韌性石油套管是這樣實現的屈服強度170 180ksi鋼級的高強高韌性石油套管組分以質量％計，含有C
0.18 0. 35%, Si 0. 20 0. 50%, Mn :0. 45 1. 25%, Cr :0. 95 1. 45%, Mo :0. 65
1.25 %, Ni 0. 30 0. 85 %, V :0. 01 0. 20 %, Nb :0. 01 0. 08 %, Ca :0. 0015 0. 0050%,A1 :0. 010 0. 060%，Ti 彡 0. 02%，B 彡 0. 0005%,0 ^ 0. 003%,N ^ 0. 012%, H彡0. 0003%, P彡0. 010%, S彡0. 002%，包括As、Sn、Pb、Sb、Bi的五害元素的總含量 ^ 0. 02%，其余為鐵。所述套管的性能指標是常溫下其屈服強度在1172 1241MPa之間；0°C溫度條 件下夏比V型橫向沖擊功70 90J，縱向沖擊功100 120J ；洛氏硬度HRC在40 45 ；延 伸率彡16% ；晶粒度9 11級。本發明的屈服強度170 180ksi鋼級的高強高韌性石油套管的制造方法，包括以 下步驟j東鋼(1)采用P、S含量低的優質廢鋼+鐵水或生鐵，以利于降低鋼中有害元素及夾雜 物含量，同時選用優質的耐火材料作爐襯，盡可能減少耐火材料帶入夾雜物的可能性。(2)精煉后采取50 100帕斯卡的高真空VD脫氣處理，吹氬氣弱攪拌，脫氣時間 10 20分鐘；吹氬攪拌時流量控制應確保不吹開渣面。
0035](3)嚴格控制五害元素As、Sn、Pb、Sb、Bi，精煉后使五害總含量彡0.02%。(4)真空脫氣后再適量喂入鋁絲，使得酸溶鋁占全鋁的比重保持在90%以上，并 控制全鋁的含量在0. 010 0. 060%之間，這樣既保證良好的脫氧效果同時又不造成氧化 鋁的夾雜，提高了鋼鐵的純凈度；若一次喂入鋁絲后成分達不到上述結果，可以再補喂適當 鋁絲，攪拌5分鐘后再次檢測化學成分，直至滿足要求為止。(5)喂入鋁絲并弱攪拌5分鐘以后再適當喂入CaSi絲，務必保證喂入的CaSi絲優 質、新鮮、未被氧化，最終使鋼液中Ca含量> 0. 0015%, S含量< 0. 002% ；這樣使得鋼水被 深度脫氧后，進一步降低了氧化物夾雜，并促使形成的夾雜物充分變性球化，快速上上浮。(6)澆注前保持10 15分鐘的鎮定時間，促進夾雜物上浮，提高鋼的純凈度。并控制鋼水澆鑄前過熱度在40 60°C ；(7)采用結晶器末端電磁攪拌，以便于改善鑄坯表面質量和提高合金元素分布均 勻性，降低成分偏析。攪拌頻次和幅度確保不蕩開鋼液表面的保護渣層；嚴格控制化學成分準確度和成分精度，減少主要合金成分的波動范圍。現在介紹 主要合金元素的作用C:C在回火過程中為碳化物形成元素，在奧氏體淬火硬化時候是固溶強化元素， 可以提高鋼的強度，太低時效果不明顯，太高則會大大降低鋼的韌性。在本發明中C的推薦 含量在0. 18%以上，0. 35%以下。Si Si是起脫氧劑作用的元素，但含量超過0. 5 %時降低鋼的熱塑性。在本發明中 Si的含量在0. 2%以上，0. 5%以下。Mn :Mn為奧氏體形成元素，可以提高鋼的淬透性，太高則會增大鋼中的殘余奧氏 體量，影響熱軋組織的均勻性。Ni :Ni為奧氏體形成元素，可以提高鋼的淬透性，同時改善鋼的低溫沖擊韌性。但 由于M的市場價格較高，從降成本角度考慮應盡量減少其使用量。本發明中，M的推薦含 量在 0. 30 0. 85%。Cr :Cr是提高鋼的淬透性元素，提高鋼的強度。含量太高則會降低鋼的高溫熱塑 性，給連鑄和熱軋造成困難。本發明中Cr是主要合金強化元素，推薦含量0. 95 1. 45%。Mo 在低碳低合金鋼中能顯著提高鋼的淬透性和淬硬性，并且是碳化物形成元素， 能提高鋼的強度和韌性。同時Mo合金成本也較高，本發明中推薦含量0. 65 1. 25%。V:能夠細化晶粒，形成碳化物，提高鋼的強度、改善韌性和提高回火穩定性，但由 于其價格也較高，所以要限制使用量，本發明中V質量百分比在0. 01 0. 20%。Nb 能夠細化晶粒，形成碳化物，提高鋼的強度和韌性，但降低鋼的熱塑性，影響熱 軋態鋼管的表面質量，又由于價格較高，所以要限制使用量。Ti 能夠細化晶粒，形成碳化物，提高鋼的強度和韌性，但含量過多容易引起粗大 的碳氮化鈦的夾雜物，降低鋼的韌性，所以要嚴格限制其含量。Cu:碳化物形成元素，適量加入能提高鋼的強度和韌性。含量太高則會增加鋼液粘 稠度，給煉鋼造成困難。所以嚴格控制使用量。A1 較好的脫氧元素，但加入太多容易造成氧化鋁夾雜，要盡量提高酸溶鋁占全鋁 的比重，真空脫氣后再適量喂A1絲。Ca 主要是促進夾雜物球化變性，真空脫氣后再適量喂CaSi絲。B:晶界強化元素，含量過多則會增大鋼的脆性，所以要嚴格控制使用量。軋管(1)鑄坯環形爐加熱，加熱溫度1200 1350°C，加熱保溫時間2. 0 3. 5小時。(2)穿孔連軋，穿孔溫度1100 1150°C，穿孔后溫度1250 1300°C, PQF三輥軋 機開軋溫度1100 1150°C，出脫管機溫度1050 1100°C。(3)定徑、冷卻，出脫管機后進入張力減徑機在920 950°C下定徑成最終的成品 管規格，出機架后再空冷至室溫。管加工熱處理(1)步進式加熱爐加熱保溫，淬火爐設定溫度AC3+50°C，其中AC3為該鋼管的完全奧氏體化溫度；鋼管入爐后在爐內的總時間為30+3. 5t分鐘，其中t為該鋼管的壁厚毫米 值；(2)鋼管出淬火爐后進行水淬處理，淬火方式采用外淋、內噴、管子旋轉的方式水 冷，控制水量和水溫，確保鋼管在30秒鐘之內從奧氏體狀態冷卻到室溫；(3)經過淬火后的鋼管進入步進式回火爐，回火爐加熱溫度520°C 580°C，鋼管 入爐后在爐內的總時間為60+4. 5t分鐘，其中t為該鋼管的壁厚毫米值；(4)鋼管出回火爐后快速入矯直機架進行熱矯直，確保矯直溫度400 450°C。(5)鋼管冷卻后再經過探傷，定尺等工序，最終得成品管。表1 3為本發明的最終成品管的常規力學性能及微觀組織結果表1最終成品管的力學性能及微觀組織 表2非金屬夾雜物評級結果 表3沖擊斷口評定(夏比V型，0°C ) 從表1 3可以看出，本發明的最終成品管具有良好的強韌性匹配，常溫屈服強度 在1172 1241MPa之間；0°C溫度條件下夏比V型橫向沖擊功70 90J，縱向沖擊功100 120J ；洛氏硬度HRC在40 45 ；延伸率彡16% ；晶粒度細小，組織均勻，非金屬夾雜物非常 低，在保證鋼管具有超高屈服強度的同時，其沖擊韌性和拉伸延伸性也較好。為了說明本發明中對Ti、B、0、N、H、P、S殘留元素進行嚴格控制的必要性，下表4 列舉了上述殘留元素超標后對最終成品管力學性能的影響，其余化學成分均在權利要求1 之規定)。表4殘留元素超標對成品管力學性能的影響 從表4可以看出，有害殘留元素超標以后嚴重惡化了鋼管的沖擊韌性；屈服強度和抗拉強度相比表1中的值有所下降；橫縱向沖擊功下降顯著，沖擊斷口形貌為脆性斷口， 平均沖擊斷口韌性面積只有20 30%。 高強高韌性鋼管的制造過程是一個復雜的系統工程，必須對每個環節進行嚴格控 制，包括從礦料選擇、純凈鋼冶煉、夾雜物分離、殘留元素控制、控制軋制與控制冷卻、熱處 理工藝優化等等；且每個生產過程都是相互銜接、相輔相成、缺一不可的整體，只有各個環 節都嚴格控制，才能最終得到性能優良的高強高韌性石油套管。
權利要求
一種屈服強度170～180ksi鋼級的高強高韌性石油套管，其特征是該套管組分以質量％計，含有C0.18～0.35％，Si0.20～0.50％，Mn0.45～1.25％，Cr0.95～1.45％，Mo0.65～1.25％，Ni0.30～0.85％，V0.01～0.20％，Nb0.01～0.08％，Ca0.0015～0.0050％，Al0.010～0.060％，Ti≤0.02％，B≤0.0005％，0≤0.003％，N≤0.012％，H≤0.0003％，P≤0.010％，S≤0.002％，包括As、Sn、Pb、Sb、Bi的五害元素的總含量≤0.02％，其余為鐵。
2.根據權利要求1所述的屈服強度170 180ksi鋼級的高強高韌性石油套管，其特征 是所述套管的常溫屈服強度在1172 1241MPa之間；0°C溫度條件下夏比V型橫向沖擊功 70 90J，縱向沖擊功100 120J ；洛氏硬度HRC在40 45 ；延伸率≥16% ；晶粒度9 11級。
3.按照權利要求1所述的屈服強度170 180ksi鋼級的高強高韌性石油套管的制造 方法，該方法包括以下步驟煉鋼(1)按權利要求1的組分采用優質廢鋼+鐵水或生鐵，精煉后使As、Sn、Pb、Sb、Bi的五 害總含量≤ 0. 02% ；(2)精煉后采取50 100帕斯卡的真空VD脫氣處理，脫氣時間10 20分鐘；吹氬氣 攪拌，吹氬攪拌時流量控制應確保不吹開渣面；(3)真空脫氣后再喂入鋁絲，使得酸溶鋁占全鋁的比重保持在90%以上；(4)喂入鋁絲并攪拌5分鐘以后再喂入CaSi絲，使得鋼液中Ca含量彡0.0015%，S含 量≤ 0. 002% ；(5)澆注前保持10 15分鐘的鎮定時間，促進夾雜物上浮，并控制鋼水澆鑄前過熱度 在 40 60°C ；(6)結晶器末端采用電磁攪拌，攪拌頻次和幅度確保不蕩開鋼液表面的保護渣層；軋管(1)鑄坯環形爐加熱，加熱溫度1200 1350°C，加熱保溫時間2.0 3. 5小時；(2)穿孔連軋，穿孔溫度1100 1150°C，穿孔后溫度1250 1300°C,PQF三輥軋機開 軋溫度1100 1150°C，出脫管機溫度1050 1100°C ；(3)定徑、冷卻，出脫管機后進入張力減徑機在920 950°C下定徑成最終的成品管規 格，出機架后再空冷至室溫；熱處理(1)步進式加熱爐加熱保溫，淬火爐設定溫度AC3+50°C，其中AC3為該鋼管的完全奧氏 體化溫度；鋼管入爐后在爐內的總時間為30+3. 5t分鐘，其中t為該鋼管的壁厚毫米值；(2)鋼管出淬火爐后進行水淬處理，淬火方式采用外淋、內噴、管子旋轉的方式水冷，控 制水量和水溫為確保鋼管在30秒鐘之內從奧氏體狀態冷卻到室溫；(3)經過淬火后的鋼管進入步進式回火爐，回火爐加熱溫度520°C 580°C，鋼管入爐 后在爐內的總時間為60+4. 5t分鐘，其中t為該鋼管的壁厚毫米值；(4)鋼管出回火爐后進入矯直機架熱矯直，控制鋼管運行速度，確保矯直溫度在400 450°C，出矯直機架后鋼管空冷至室溫。
全文摘要
本發明提供一種屈服強度170～180ksi鋼級的高強高韌性石油套管，采用C、Si、Mn、Cr、Mo、Ni等合金作為主要強化元素，同時添加少量V、Nb等微合金元素。生產的鋼管具有常溫屈服強度在1172～1241MPa之間；0℃溫度條件下夏比V型橫向沖擊功70～90J，縱向沖擊功100～120J；洛氏硬度HRC在40～45；延伸率≥16％；晶粒度9～11級。本發明的效果是在合金元素設計上采用較低的C、Si保證沖擊韌性，改善鋼管的強韌性匹配；在煉鋼工藝上嚴格控制S、P、氣體、五害殘留元素；精煉后期VD真空脫氣后再適當喂入鋁絲，使得酸溶鋁占全鋁的比重保持在90％以上，提高了鋼鐵的純凈度；連鑄圓坯采用結晶器電磁攪拌，熱軋完成后的熱處理水冷系統，保證鋼管的淬透性，提高材料的強度和韌性。本發明還提供一種該石油套管的制造方法。
文檔編號C21C7/10GK101892443SQ20101022179
公開日2010年11月24日 申請日期2010年7月9日 優先權日2010年7月9日
發明者嚴澤生, 付繼成, 劉江成, 史慶志, 周家祥, 周曉峰, 孫開明, 張傳友, 張寶惠, 李效華, 李毅, 江勇 申請人:天津鋼管集團股份有限公司