一種低屈強比高強度連續油管用鋼及其制造方法

專利名稱：一種低屈強比高強度連續油管用鋼及其制造方法
技術領域：
本發明涉及連續油管用鋼，特別是涉及一種低屈強比高強度連續油管用鋼及其制造方法，采用該產品制造的連續油管主要應用于油田修井、鉆井及集輸等作業領域。
背景技術：
連續油管(Coiled tubing，簡稱CT)是相對于常規螺紋連接油管而言的，又稱為連續管、撓性油管、蛇形管或盤管，可纏繞在大直徑卷筒上，由若干段鋼帶斜接在一起，經軋制成型焊接而成的無接頭連續管。連續油管主要用于油田測井、完井等輔助作業，近十多年來，隨著連續油管作業裝備技術的不斷進步，在鉆井領域的應用得到快速發展。連續油管需采用專用的裝備進行作業，具有機動性強、作業靈活、可重復使用等諸多優點。但連續油管在使用過程中要經受重復的彎曲、夾持、拉伸等變形，受力狀態復雜、工 況惡劣，因此連續油管的局部破壞往往是導致其整體失效的重要誘因。有研究表明，高強度有利于提聞連續油管的抗載、抗扭能力和提聞疲勞強度，低屈強比有利于提聞其均勻延伸性能和加工硬化能力，因此隨著石油鉆井深度的不斷增加，需采用低屈強比、高強度的連續油管，以確保獲得高的抗載能力和更長的使用壽命，由此也對連續油管的原材料提出了低屈強比、高強度的要求。連續油管已有50多年的發展及應用歷程，其材質也經歷了多個發展階段。上世紀60-70年代的連續油管主要采用碳鋼進行制造，碳鋼連續油管強度低、焊縫多且耐蝕性較差，不能抵抗循環彎曲和拉力，因而連續油管在使用過程中事故頻發，曾嚴重制約了連續油管技術的發展。80-90年代，隨著冶金技術、焊接技術的不斷發展，低合金高強鋼和斜對焊技術在連續油管制造領域的得到應用，連續油管的使用壽命和可靠性大大提高。隨后，開發了鈦合金、復合材料等具有高強度、長壽命的連續油管產品，但由于制造和維修成本過高而未得到推廣應用。因此，現階段連續油管制造仍主要以低合金高強鋼為主。CN101168823A公開了一種高塑性連續油管用鋼及其制造方法，該申請主要針對CT70及更高鋼級的連續油管用鋼的開發。該申請通過煉鋼工藝控制及夾雜物變性處理以及控軋空冷工藝控制，生產出鐵素體軟相和珠光體、貝氏體硬相結合的連續油管用鋼。CN101353765A公開了一種CT80級連續油管用鋼及其制造方法和應用，該申請采用低C、高Cr的成分設計保證該鋼種具有良好的抗腐蝕能力，并通過加入微量Nb并配以其它少量合金元素細化晶粒，提高強度，結合控軋控冷工藝，獲得鐵素體+珠光體+少量貝氏體組織，從而保證獲得良好塑性的同時不損失強度。需要提供一種低屈強比、高強度及較高均勻延伸性能的連續油管用鋼。

發明內容
本發明的目的是根據當前連續油管的發展趨勢和實際需求，制造出一種低屈強t匕、高強度及較高均勻延伸性能的連續油管用鋼，以適用于國內外鉆井領域前連續油管中的應用。
為實現上述目的，本發明的低屈強比、高強度連續油管用鋼，其重量百分比化學成分為C0. 02-0. 15%, Si 0. 01-0. 09%、Mn :0. 7-2.0%, P ( 0.015%, S 彡 O. 005%, Cr 0. 10-0. 29%,Nb :0. 010-0. 040 Ti :0. 01-0. 03 %、Mo :0. 10-0. 40 %、Cu :0. 20-0. 60 %、Ni :0. 10-0. 50 Ca
O.0010-0. 0050%, Al 0. 01-0. 05%, N 彡 O. 008%，余量為 Fe 及不可避免的夾雜。優選地，C0. 025-0. 14%。優選地，Si0. 02-0. 09%，更優選 Si 0. 03-0. 07%。優選地，Mn:0· 71-0. 95%。優選地，S彡O. 004 %，優選S彡O. 003 %，更優選S彡O. 002 %，最優選S 彡 O. 015%。優選地，P彡 O. 013%。·優選地，Cr0. 12-0. 26%，更優選 Cr 0. 12-0. 25%。優選地，Nb0. 012-0. 039%。優選地，Ti:0· 011-0. 028%。優選地，Mo0. 11-0. 39%，優選 O. 12-0. 36%。優選地，Cu0. 20-0. 55%，更優選 Cu 0. 20-0. 50%。優選地，Ni0. 10-0. 45%。優選地，Ca:0· 0011-0. 0045%。優選地，Al0. 012-0. 049%。優選地，NO. 007%，優選< O. 006%，更優選 N :0. 002-0. 006%。優選地，本發明鋼的顯微組織為馬氏體和貝氏體雙相組織，更優選馬氏體比例為10-40%。本發明中，除非另有說明，含量均指重量百分比含量。本發明的上述高強度連續油管用鋼，其屈服強度Rpa2 ^ 415MPa，抗拉強度Rm彡530MPa ;延伸率A50. 8彡15% ;屈強比Rp0.2/Rm彡O. 85 ;均勻延伸率=Ag彡8%0本發明的另一個目的是提供上述低屈強比、高強度連續油管用微合金高強鋼的制造方法。該方法包括冶煉一連鑄一板還再加熱一控制軋制一控制二階段冷卻一卷取一上卷一酸洗一切邊一涂油。冶煉電爐或轉爐冶煉；連鑄過熱度控制5_18°C，鎮靜時間8_15min ；板坯加熱溫度1180-1260°C;板坯保溫時間按保溫系數I. 5-2. 5min/mm計算得到的時間進行保溫；終軋溫度控制范圍780-900°C ；控制三階段冷卻第一階段冷卻速度20_70°C /s，停冷溫度范圍500_580°C ；第二階段冷卻速度彡O. 50C /s，冷卻時間2_5min ；第三階段冷卻速度彡50C /s，優選為10_50°C /s，停冷溫度范圍彡300°C，優選為200-280 0C ；卷取；酸洗和涂油。
優選地，酸洗和涂油中，上卷溫度彡80°C，酸洗溫度60-80°C，酸洗時間45_100秒。更優選上卷溫度10-60°C。優選地，卷取后的鋼自然冷卻。本發明采用低碳、Nb微合金化的成分設計方法，配合合適的控制軋制及控制冷卻工藝，并經過酸洗涂油處理，可以制造出具有雙相組織貝氏體+馬氏體(馬氏體比例為10-40%)的低屈強比、高強度連續油管用鋼，屈服強度高于60Ksi，屈強比在O. 85以內，同時具有良好表面質量和厚度均勻性，以及更容易實現的可制造性。與現有生產鋼種相比，按照上述技術方案生產出的連續油管用鋼性能達到以下要求拉伸性能=Rpa2彡415MPa,Rm彡530MPa ;延伸率A5a8彡15%;屈強比Rp0W O. 85 ;均勻延伸率Ag彡8%，優選為延伸率A5a8彡20%，屈強比RpQ.2/Rm< O. 80 ;均勻延伸率Ag彡10%。


圖I是本發明實施例3鋼的典型金相組織。
具體實施例方式以下通過結合實施例對本發明進行較為詳細的說明。本發明采用低碳、Nb微合金化的成分設計方法，配合合適的控制軋制及控制冷卻工藝，并經過酸洗涂油處理，可以制造出具有雙相組織的低屈強比、高強度連續油管用鋼，屈服強度高于60Ksi，屈強比在O. 85以內，優選在O. 8以下，同時具有良好表面質量和厚度均勻性，以及更容易實現的可制造性。碳C :最基本的強化元素。碳溶解在鋼中形成間隙固溶體，起固溶強化的作用，與強碳化物形成元素形成碳化物析出，則起到沉淀強化的作用。但太高的C對鋼的延性、韌性和焊接性能不利，C太低降低鋼的強度。所以本發明中C控制在O. 02-0. 15%。優選地，C:
O.025-0. 14%。硅Si :固溶強化元素，同時也是鋼中的脫氧元素，但含量過高會惡化鋼材的焊接性能，同時不利于軋制過程中熱軋氧化鐵皮去除，因此本發明中Si含量控制在
O.01-0. 09%。優選地，Si 0. 02-0. 09%，更優選 Si 0. 03-0. 07%。錳Mn :通過固溶強化提高鋼的強度，是鋼中補償因C含量降低而引起強度損失的最主要且最經濟的強化元素。Mn還是擴大Y相區的元素，可降低鋼的Y — α相變溫度，有助于獲得細小的相變產物，可提高鋼的韌性。本發明中控制Mn含量為O. 7-2.0%。優選地，Mn 0. 71-0. 95%。鉻Cr :提高鋼的淬透性的重要元素，有效提高鋼的強度；同時也是鐵素體形成元素，促進鐵素體的析出；而且Cr含量在O. 10%以上時，能有效改善鋼的耐腐蝕性能；但太高的鉻和錳同時加入鋼中，會導致低熔點Cr-Mn復合氧化物形成，在熱加工過程中形成表面裂紋，同時會嚴重惡化焊接性能。本發明中Cr含量應限定在O. 10-0. 29%，優選地，Cr
O.12-0. 26%，更優選 Cr 0. 12-0. 25%。鈦Ti :是一種強烈的碳氮化物形成元素，Ti的未溶的碳氮化物在鋼加熱時可以阻止奧氏體晶粒的長大，在高溫奧氏體區粗軋時析出的TiN和TiC可有效抑制奧氏體晶粒長大。另外在焊接過程中，鋼中的TiN和TiC粒子能顯著阻止熱影響區晶粒長大，從而改善鋼板的焊接性能同時對改善焊接熱影響區的沖擊韌性有明顯作用。本發明中Ti含量控制在
O.01-0. 03%。優選地，Ti 0. 011-0. 028%。鈮Nb =Nb是低碳微合金鋼的重要元素之一，熱軋過程中固溶的Nb應變誘導析出形成Nb (N，C)粒子，釘扎晶界抑制形變奧氏體的長大，經控制軋制和控制冷卻使形變奧氏體相變為具有高位錯密度的細小的產物。此外，固溶的Nb在卷取后，以第二相粒子NbC在基體內彌散析出，起到析出強化作用。太低的Nb含量彌散析出效果不明顯，起不到細化晶粒、強化基體作用；太高的Nb含量，易產生板坯裂紋，影響表面質量，同時會嚴重惡化焊接性能。本發明中Nb含量應限定在O. 010-0. 040%。優選地，Nb :0. 012-0. 039%。鑰Mo :擴大Y相區的元素，可降低鋼的Y — α相變溫度，能有效促進貝氏體轉變起到強化基體的作用，得到更加細小的組織。Mo還能起到克服熱處理過程中的回火脆性，改善熱處理性能、疲勞性能的作用。在高強度低合金鋼中，屈服強度隨Mo含量的增加而提高，因此太高的Mo有損塑性。本發明中Mo含量控制在O. 10-0. 40%。優選地，Mo :0. 11-0. 39%,優選 O. 12-0. 36%。 氮N:在微合金化鋼中，適當的氮含量可以通過形成高熔點的TiN粒子，起到抑制再加熱過程中板坯晶粒粗化的作用，改善鋼的強韌性。但當N含量過高時，時效后高濃度的自由N原子釘扎位錯，使屈服強度明顯提高，同時有損韌性。因此本發明中控制N 彡 O. 008%。優選地，N O. 007%，優選彡 O. 006%，更優選 N :0· 002-0. 006%。硫、磷(S、P):是鋼中不可避免的雜質元素，希望越低越好。通過超低硫(小于30ppm)及Ca處理對硫化物進行夾雜物形態控制，可保證鋼板具有良好的沖擊韌性。優選地，S彡O. 004%，優選S彡O. 003%，更優選S < O. 002%，最優選S彡O. 015%。優選地，P 彡 O. 013%。銅、鎳(Cu、Ni):可通過固溶強化作用提高鋼的強度，同時Cu還可改善鋼的耐蝕性，Ni的加入主要是改善Cu在鋼中易引起的熱脆性，且對韌性有益。本發明中CiuNi含量范圍分別控制為O. 20-0. 60%,O. 10-0. 50% ο優選地，Cu :0. 20-0. 55%，更優選Cu
O.20-0. 50% ο 優選地，Ni 0. 10-0. 45% 本發明中，通過Ca處理可以控制硫化物的形態，改善鋼板的各向異性，提高低溫韌性。本發明中控制 Ca :0. 0010-0. 0050%，優選地，Ca :0. 0011-0. 0045%。本發明中，Al是為了脫氧而加入鋼中的元素，添加適量的Al有利于細化晶粒，改善鋼材的強韌性能。本發明中控制Al :0. 01-0. 05%，優選地，Al :0. 012-0. 049%。本發明以晶粒細化、析出強化、相變控制等材料理論為基礎，采用了較低的C含量、含Nb、低Si和Cu、Ni、Cr、Mo合金化的成分設計；并結合控制軋制和控制冷卻的熱機械處理工藝，得到具有貝氏體+馬氏體雙相顯微組織的高鋼級連續油管用鋼，具有低的屈強t匕、高的均勻延伸率和高的強度。根據本發明，上述成分經冶煉一連鑄一板坯再加熱一控制軋制一控制三階段冷卻—卷取一上卷一酸洗一切邊一涂油制成連續油管用鋼。連鑄中，過熱度控制在5_18°C，鎮靜時間為8_15min。過熱度低于5°C時，鋼液流動性較差，不利于夾雜物上浮；過熱度大于18°C時，鋼液內氧化物夾雜數量增加，影響最終產品的疲勞壽命。鎮靜時間低于8min時，鋼中夾雜物上浮不充分，夾雜物含量增加；若鎮靜時間高于15min，則鋼包內耐材易脫落，影響鋼質純凈度。
板坯加熱溫度為1180-1260°C ;板坯保溫時間按保溫系數I. 5-2. 5min/mm計算得至IJ，終軋溫度控制在780-900°C。板坯溫度低于1180°C，則合金無法完全固溶，起不到強化和相變控制效果；板坯溫度高于1260°C時，則易發生過熱或過燒，降低產品的延伸率。終軋溫度過低，軋制力過大，對設備能力要求較高；終軋溫度過高，則晶粒尺寸粗大，降低產品強度和疲勞壽命。
控制三階段冷卻中，第一階段冷卻速度為20_70°C /s，停冷溫度范圍500-580°C ；第二階段冷卻速度為彡O. 50C /s，冷卻時間2-5min ;第三階段冷卻速度彡5°C /s，優選為10-500C /s，停冷溫度范圍< 300°C，優選為200-280°C。第一階段的冷卻速度和停冷溫度主要是確保得到貝氏體組織；第二階段采用較低的冷卻速度是保證貝氏體中過飽和的C原子具備向殘余奧氏體中擴散的熱力學條件，冷卻時間過短，殘余奧氏體中C含量低不利于在后續冷卻過程中形成馬氏體組織，冷卻時間過長，則殘余奧氏體易轉變成中溫貝氏體，且降低生產效率；第三階段冷卻是確保殘余奧氏體向馬氏體轉變，冷速過低或停冷溫度過高均不利于馬氏體形成。鋼板卷取后自然冷卻。在酸洗、涂油工藝中，控制上卷溫度彡80°C，酸洗溫度為60-80°C，酸洗時間為45-100秒。上卷溫度高于80°C時，易產生腰折缺陷，影響產品的表面質量；酸洗液溫度在60-80°C范圍內具有最佳的氫的擴散速率,在降低金屬氫脆傾向同時具有好的表面質量；酸洗時間低于45秒，則易欠酸洗，表面氧化鐵皮去除不盡，酸洗時間高于100秒時，則易過酸洗，使鋼卷表面粗糙，降低延伸率。。本發明成分體系的有益之處在于，通過采用低C，添加適量Mo元素以改善或抑制后續熱處理脆性，適量的Cr元素以促進鐵素體產生；不添加V元素，并且采用較低的Nb和Cr含量，在保證性能的同時降低了生產成本；較低的Si含量，有利于提高鋼的韌性，有利于軋制氧化鐵皮的去除，改善表面質量；采用低硫設計，以保證開發鋼具有良好的沖擊韌性和抗疲勞性能；根據本發明的成分和工藝，可以得到貝氏體+馬氏體的雙相組織，強韌相的配合有利于提高強度、保持低的屈強比，獲得較高的均勻延伸性能，具有良好的強塑性；采用合適的酸洗工藝，可以有效去除鋼卷表面氧化鐵皮，提高鋼的抗疲勞性能。實施例表I所示為本發明的實施例1-8的化學成分，單位為重量百分比。表I
權利要求
1.高強度連續油管用鋼，其重量百分比化學成分為C:0. 02-0. 15%,Si :0. 01-0. 09%,Mn 0. 7-2. O P ^ O. 015 S ^ O. 005 Cr 0. 10-0. 29 %, Nb 0. 010-0. 040 Ti O. 01-0. 03%,Mo 0. 10-0. 40%,Cu 0. 20-0. 60%,Ni 0. 10-0. 50%,Ca 0. 0010-0. 0050%,Al :0. 01-0. 05%, N ( O. 008%，余量為Fe及不可避免的夾雜。
2.如權利要求I所述的高強度連續油管用鋼，其特征在于，C:0. 025-0. 14%。
3.如權利要求I或2所述的高強度連續油管用鋼，其特征在于，Si:0. 02-0. 09%。
4.如權利要求1-3任一所述的高強度連續油管用鋼，其特征在于，Mn:0. 71-0. 95%。
5.如權利要求1-4任一所述的高強度連續油管用鋼，其特征在于，S< 0.004%，優選S 彡 O. 003%，更優選 S 彡 O. 002%。
6.如權利要求1-5任一所述的高強度連續油管用鋼，其特征在于，Cr:0. 12-0. 26%。
7.如權利要求1-6任一所述的高強度連續油管用鋼，其特征在于，Nb:0. 012-0. 039%。
8.如權利要求1-7任一所述的高強度連續油管用鋼，其特征在于，Ti:0. 011-0. 028%。
9.如權利要求1-8任一所述的高強度連續油管用鋼，其特征在于，Mo:0. 11-0. 39%，優選 O. 12-0. 36%。
10.如權利要求1-9任一所述的高強度連續油管用鋼，其特征在于，Cu:0. 20-0. 55%。
11.如權利要求1-10任一所述的高強度連續油管用鋼，其特征在于，Ni:0. 10-0.45%。
12.如權利要求1-11任一所述的高強度連續油管用鋼，其特征在于，CaO. 0011-0. 0045% ο
13.如權利要求1-12任一所述的高強度連續油管用鋼，其特征在于，Al:O.012-0. 049% ο
14.如權利要求1-13任一所述的高強度連續油管用鋼，其特征在于，NO. 007%，優選彡 O. 006% ο
15.如權利要求1-14任一所述的高強度連續油管用鋼，其特征在于，其顯微組織馬氏體和貝氏體雙相組織。
16.如權利要求15所述的高強度連續油管用鋼，其特征在于，馬氏體比例為10-40%。
17.如權利要求1-16任一所述的高強度連續油管用鋼，其特征在于，屈服強度Rp0.2 彡 415MPa，抗拉強度 Rm 彡 530MPa ;延伸率 A50. 8 彡 15% ;屈強比Rp0.2/Rm ( O. 85 ;均勻延伸率=Ag彡8%o
18.如權利要求1-17任一所述的高強度連續油管用鋼的制造方法，包括 冶煉電爐或轉爐冶煉； 連鑄過熱度控制5-18°C，鎮靜時間8-15min ； 板坯加熱溫度1180-1260°C ； 板還保溫時間1. 5-2. 5min/mm ； 終軋溫度控制范圍780-900°C ； 控制三階段冷卻第一階段冷卻速度20-70°C /s，停冷溫度范圍500-580°C ； 第二階段冷卻速度彡O. 50C /s，冷卻時間2-5min ； 第三階段冷卻速度彡5 0C /s，停冷溫度范圍彡300 0C ； 卷取； 酸洗和涂油。
19.如權利要求18所述的方法，其特征在于，酸洗和涂油中，上卷溫度<80°C，酸洗溫度:60-80°C，酸洗時間=45-100秒。
20.如權利要求19所述的方法，其特征在于，酸洗和涂油中，上卷溫度為10-60°C。
21.如權利要求18-20任一所述的方法，其特征在于，第三階段冷卻的冷卻速度為10-500C /s，停冷溫度為 200-280°C。
22.如權利要求18-21任一所述的方法，其特征在于，卷取后自然冷卻。
全文摘要
本發明涉及一種高強度連續油管用鋼，其重量百分比化學成分為C0.02-0.15％、Si0.01-0.09％、Mn0.7-2.0％、P≤0.015％、S≤0.005％、Cr0.10-0.29％、Nb0.010-0.040％、Ti0.01-0.03％、Mo0.10-0.40％、Cu0.20-0.60％、Ni0.10-0.50％、Ca0.0010-0.0050％，Al0.01-0.05％，N≤0.008％，余量為Fe及不可避免的夾雜。其制造方法，包括電爐或轉爐冶煉；連鑄中過熱度控制5-18℃，鎮靜時間8-15min；板坯加熱溫度1180-1260℃；板坯保溫時間為1.5-2.5min/mm；終軋溫度控制范圍780-900℃；控制三階段冷卻；卷取后自然冷卻；酸洗和涂油。獲得的組織為貝氏體和馬氏體雙相組織，具有低屈強比和高強度的連續油管用鋼，適合用于國內外鉆井領域前連續油管中。
文檔編號C22C38/50GK102953017SQ201110247400
公開日2013年3月6日 申請日期2011年8月25日 優先權日2011年8月25日
發明者章傳國, 鄭磊, 李冰 申請人:寶山鋼鐵股份有限公司