專利名稱：直縫電阻焊石油套管用鋼及套管制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種石油天然氣工業(yè)油氣井用直縫電阻焊石油套管用鋼及其制造方 法。用所提供的材料和工藝制造的直縫電阻焊石油套管具有良好的綜合性能，滿足油氣井 鉆井和完井的需要。
背景技術(shù)：
采用直縫電阻焊方法生產(chǎn)石油套管具有生產(chǎn)效率高的特點；由于電阻焊接所用的 熱軋板卷依靠控制軋制方法生產(chǎn)，具有高的壁厚精度，如果制管工藝得當，鋼管的幾何尺寸 精度也很好；加之焊接技術(shù)發(fā)展及無損檢測技術(shù)進步，使直縫電阻焊管的質(zhì)量有了很大提 高，其高成材率也顯示出其良好的經(jīng)濟性。但是，直縫電阻焊石油套管在使用中的質(zhì)量事故 時有發(fā)生，主要表現(xiàn)為螺紋粘扣、焊縫存在粗大組織缺陷、焊縫存在氧化物夾雜、甚至存在 裂紋，嚴重時會導(dǎo)致爆裂。二十世紀八十年代以來，為了降低鉆完井成本，我國石油行業(yè)開展了用進口直縫 電阻焊套管部分替代無縫套管的研究和推廣應(yīng)用工作，取得了良好的成效。隨著國內(nèi)直縫 電阻焊接生產(chǎn)線的引進，國產(chǎn)直縫電阻焊石油套管開始生產(chǎn)和應(yīng)用，降低了油田勘探開發(fā) 成本。但是，國產(chǎn)石油套管生產(chǎn)廠家繁多，產(chǎn)品質(zhì)量參差不齊，時而發(fā)生質(zhì)量事故，其技術(shù)完 整性還有待提高。為了滿足油氣田勘探開發(fā)對石油套管可靠、經(jīng)濟的要求，本發(fā)明專利通過鋼材化 學成分和套管制造工藝的優(yōu)化設(shè)計，提供了一種螺紋抗粘扣、母材和焊縫強度韌性優(yōu)良、抗 擠性能好等綜合性能優(yōu)良的直縫電阻焊石油套管用鋼及其制造方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種直縫電阻焊石油套管用鋼及套管制造方法，針對電阻 焊套管螺紋連接部位易于粘扣、焊縫易產(chǎn)生缺陷、焊縫韌性低等問題，通過鋼材化學成分和 套管制造工藝的優(yōu)化設(shè)計，提供了一種螺紋抗粘扣、母材和焊縫強度韌性優(yōu)良、抗擠性能好 等綜合性能優(yōu)良的直縫電阻焊石油套管用鋼及其制造方法，以滿足油氣田勘探開發(fā)對直縫 電阻焊石油套管可靠性和經(jīng)濟性的要求。本發(fā)明采用的技術(shù)方案是直縫電阻焊石油套管用鋼及套管制造方法，其特征在 于 本發(fā)明的直縫電阻焊石油套管合金材料的(各組分)質(zhì)量百分比如下C 0. 15 0. 28 % ；Mn :1· 0 1. 6 % ；Si :0· 2 0. 4 % ；Al 0. 02 0. 06 % ； P ^ 0. 01% ;S ^ 0. 005%, N ^ 0. 008%, CaO. 001 0. 005%，余量為 Fe ；在此基礎(chǔ)上還可 添加質(zhì)量百分比 Nb 0. 03 ~ 0. 10% ；Ti 0. 02 ~ 0. 06% ；V 0. 03 0. 10% 中的一種或兩 種以上的合金元素；還可添加微量的Cu 0. 15 0. 25%，Ni 0. 15 0. 25%，Mo 0. 16 0. 3%，Cr :0. 1 0. 2%，B :0. 001 0. 005%合金元素。同時，控制 Μη/Si :4 10。適當 的碳含量主要是為了兼顧材料的強韌性和螺紋的抗粘扣性能；Mn是固溶強化和提高淬透性的元素，加入Nb、V、Ti等微合金化元素以細化晶粒，加入Cu元素以提高材料強度和耐腐 蝕性能，加入M元素來改善添加Cu熱加工性能的不利影響，加入Mo、Cr來提高材料的淬透 性；加入微量B元素進一步提高材料淬透性，也可減少其它合金元素添加量以降低成本；采 用Al、Si完全脫氧，脫S、P及有害氣體，Ca處理控制夾雜物形態(tài)，以提高材料的韌性和綜合 性能；控制Mn與Si比主要是要降低電阻焊接過程中焊縫不可避免的氧化物的熔點使其易 于排出，以改善焊縫性能。直縫電阻焊石油套管的制造方法首先，制備熱軋板卷將直縫電阻焊石油套管用鋼各組分經(jīng)過氧吹轉(zhuǎn)爐熔煉，爐外 精煉，真空脫氣；經(jīng)過連鑄成250mm厚的板坯；然后再加熱至約1200°C ；溫度降至1000 1100°C進行粗軋，溫度在750 950°C進行精軋，精軋后噴水冷卻，冷卻速度為15 30°C / s ；然后卷取，卷取溫度520 620°C，制成綜合性能優(yōu)良的厚度為6 19. Imm的熱軋板卷。其次，用熱軋板卷生產(chǎn)直縫電阻焊接鋼管熱軋板卷拆卷、矯平，銑邊，精確控制帶 鋼寬度和板邊垂直度，采用排輥成型控制板邊波形；調(diào)整焊接電流、電壓參數(shù)。以產(chǎn)生60 80°的焊縫金屬流動上升角為目標控制焊縫的擠壓量。開口角控制在3 6°，焊接速度為 15 25m/min。焊接成厚度為6 19. Imm的直縫鋼管。(焊縫金屬流動上升角電阻焊接 過程中，焊縫兩邊金屬加熱并擠壓后形成的金屬流線與原金屬流線的夾角)然后，對焊后焊接鋼管進行焊縫正火或整體正火，正火溫度900 100(TC，正火后 的焊接鋼管在線450 550°C熱定徑及校直；或采用熱張力減徑方法，通過高溫擴散和形變 熱處理，使鋼管的成分均勻，甚至于達到“無縫化”，材料晶粒細化；還可以進行一次880 950°C的整體加熱淬火并進行550 650°C回火，淬火回火后的焊接鋼管也可以采用450 550°C的離線熱校直。焊接鋼管截成長度10 12m的管段。最后，在每根焊接鋼管的兩端，用數(shù)控機床加工API標準螺紋或特殊螺紋。本發(fā)明的有益效果本發(fā)明方法制備的直縫電阻焊石油套管，具備以下性能特占.
^ \\\ ·具有優(yōu)良的強度和韌性，焊縫無缺陷且與母材性能均勻一致屈服強度> 380 760MPa(屈服強度達到API J55 PllO鋼級要求)，抗拉強度彡520 865Mpa，延伸率 彡20%，室溫橫向全尺寸V型缺口 Charpy沖擊能彡40J。套管外徑偏差彡0.5% D，壁厚偏差彡7.5% t，圓度彡0.3% ；殘余應(yīng)力小于屈服 強度的10% ；抗擠強度比相同規(guī)格的API標準套管提高15% 50%。用該材料加工的螺紋接頭具有良好的抗粘扣性能。
具體實施例方式實施例1 :以一批次直縫電阻焊石油套管用鋼及套管制造方法為例，對本發(fā)明作 進一步詳細說明。直縫電阻焊石油套管用鋼合金成分(各組分)質(zhì)量百分比是，C=O. 18%, Mn 1. 36%, Si 0. 21%, P :0. 008%, S 0. 003%, N 0. 007 %，Ca 0. 003 %，Al 0. 03 %, Nb 0. 04% ；Ti 0. 03% ；其余 Fe。其中 Mn 比 Si 約為 6. 5 1。制造直縫電阻焊石油套管的方法
首先，制備熱軋板卷將直縫電阻焊石油套管用鋼各組分經(jīng)過氧吹轉(zhuǎn)爐熔煉，爐外 精煉，真空脫氣；經(jīng)過連鑄制成250mm厚的板坯；然后再加熱至約120CTC;溫度降至1080 1100°C進行粗軋，溫度在850 950°C進行精軋，精軋后厚度為10.03mm。精軋后噴水冷卻， 冷卻速度為15 20°C /s ；然后卷取，卷取溫度580 620°C，制成厚度為10. 03mm熱軋板卷。其次，用熱軋板卷生產(chǎn)外徑244. 5mm、壁厚10. 03mm直縫電阻焊接鋼管。拆卷、矯 平、銑邊，精確控制帶鋼寬度在769. 6 771. 6mm，板邊銑加工平行，采用排輥成型控制板邊 波形；調(diào)整焊接電流、電壓工藝參數(shù)。調(diào)整焊縫的擠壓量使材料產(chǎn)生70° 75°的焊縫金 屬流動上升角。開口角控制在5°。焊接速度20m/min。焊接成厚度為外徑244. 5mm、壁厚 10. 03mm的直縫鋼管。然后，對焊后焊縫進行950°C 士 15°C在線正火。焊后在線450_500°C熱定徑及校 直。焊接鋼管截成長度約為11m的管段。最后，在每根焊接鋼管的兩端，用數(shù)控機床加工API標準螺紋或特殊螺紋。性能特點屈服強度605MPa，抗拉強度721Mpa，強度達到API 80ksi鋼級要求，延 伸率28%，室溫焊縫橫向V型缺口 Charpy沖擊能63J ；套管外徑偏差0. 45% D，壁厚不均度 3.1%，圓度0.3% ；抗外擠強度(壓力)為31. IMpa，抗擠強度比相同規(guī)格的API標準套管 提高46%。用該材料加工的螺紋接頭采用API標準方法上卸扣3次不發(fā)生粘扣。實施例2 直縫電阻焊石油套管用鋼合金成分(各組分)質(zhì)量百分比是，C:0. 23%, Mn 1.54%, Si 0. 27 %, P 0. 007 %, S :0. 004 %, N :0. 007 %，Nb :0. 07 %, Ti :0. 03 %, Ca 0. 002%, A1 :0. 04 %, Mo :0. 23 %, Cr :0. 18%, B :0. 003%，其余 Fe。其中 Mn 比 Si 約為 5. 7 1。制造直縫電阻焊石油套管的方法首先，制備熱軋板卷將直縫電阻焊石油套管用鋼各組分經(jīng)過氧吹轉(zhuǎn)爐熔煉，爐外 精煉，真空脫氣；經(jīng)過連鑄制成250mm厚的板坯；然后再加熱至約120CTC;溫度降至1000 1100°C進行粗軋，溫度在850 900°C進行精軋，精軋厚度為9. 19mm，精軋后噴水冷卻，冷卻 速度為15 20°C/s ；然后卷取，卷取溫度500 600°C，制成綜合性能優(yōu)良的壁厚為9. 19mm 熱軋板卷。其次，用熱軋板卷生產(chǎn)外徑177. 8mm、壁厚9. 19mm直縫電阻焊接鋼管熱軋板經(jīng) 過拆卷、矯平、銑邊，精確控制帶鋼寬度在560. 1 562. 1mm之間，兩板邊銑加工成平行，采 用排輥成型控制板邊波形；調(diào)整焊接電流、電壓等工藝參數(shù)?？刂坪缚p的擠壓量，使其產(chǎn)生 60° 80°的焊縫金屬流動上升角。開口角控制在4. 5°。焊接速度19 21m/min。焊接 成厚度為外徑177. 8mm、壁厚9. 19mm的直縫鋼管。然后，對焊后焊接鋼管進行熱張力減徑，加熱溫度1150 1200°C，通過高溫擴散 和形變熱處理，使鋼管的成分均勻，甚至于達到“無縫化”，材料晶粒細化；隨后進行890 920 V整體加熱淬火，600°C 士 15 V回火兩個小時。采用450 510°C的熱校直工藝調(diào)整鋼管的幾何尺寸。焊接鋼管截成長度約11m 的管段。最后，在每根焊接鋼管的兩端，用數(shù)控機床加工API標準螺紋或特殊螺紋。
直縫電阻焊石油套管性能特點屈服強度788MPa，抗拉強度891Mpa，強度達到API llOksi鋼級要求，延伸率24%，室溫橫向全尺寸V型缺口 Charpy沖擊能87J ；套管外徑偏 差0. 41% D，壁厚不均度2. 9%，圓度0. 26% ；抗外擠強度(壓力)為60. 6Mpa，抗擠強度比 相同規(guī)格的API標準套管提高41 %。用該材料加工的螺紋接頭采用API標準方法上卸扣3 次不發(fā)生粘扣。實施例3 直縫電阻焊石油套管用鋼合金成分(各組分)質(zhì)量百分比是，C:0. 27%, Mn 1. 59 %, Si 0. 21 %, P 0. 009 %, S :0. 006 %, N :0. 006 %, Nb :0. 06 %, V :0. 05 %, Ti 0. 04%, Ca :0. 003%, A1 :0. 05%, Mo :0. 28%, Cr :0. 19%, Cu :0. 18%, Ni 0. 25%，其余 Fe。 其中Mn比Si約為7. 6 1。制造直縫電阻焊石油套管的方法首先，制備熱軋板卷將直縫電阻焊石油套管用鋼各組分經(jīng)過氧吹轉(zhuǎn)爐熔煉，爐外 精煉，真空脫氣；經(jīng)過連鑄成250mm厚的板坯；然后再加熱至約1200°C ；溫度降至1080 1100°C進行粗軋，溫度在870 950°C進行精軋，精軋后噴水冷卻，冷卻速度為18 23°C / s ；然后卷取，卷取溫度500 550°C，制成綜合性能優(yōu)良的壁厚約為13. 84mm熱軋板卷。其次，用熱軋板卷生產(chǎn)外徑244. 5mm、壁厚13. 84mm直縫電阻焊接鋼管熱軋板卷 車卷、矯平、銑邊，精確控制帶鋼寬度為769. 6 771. 5mm，兩板邊銑加工成平行，采用排輥 成型控制板邊波形；調(diào)整焊接電流、電壓等工藝參數(shù)?？刂坪缚p的擠壓量，使其產(chǎn)生60° 80°的焊縫金屬流動上升角。開口角控制在6°。焊接速度18 20m/min。焊接成厚度為 外徑244. 5mm、壁厚13. 84mm的直縫鋼管。然后，對焊后焊縫進行960士 15°C在線正火。焊后在線480-520°C熱定徑及校直。 焊接鋼管截成長度約為11m的管段。之后進行一次930士 15°C的整體加熱淬火并進行575士 15°C回火。回火后水冷。淬火回火后的焊接鋼管采用500°C 530°C的離線熱校直。焊接鋼管截成長度約 為10m的管段。最后，在每根焊接鋼管的兩端，用數(shù)控機床加工API標準螺紋或特殊螺紋。直縫電阻焊石油套管性能特點屈服強度893MPa，抗拉強度982Mpa，強度達到API 125ksi鋼級要求，延伸率27%，室溫橫向全尺寸V型缺口 Charpy沖擊能68J ；套管外徑偏 差0. 46% D，壁厚不均度3. 1 %，圓度0. 21 % ；抗外擠強度(壓力)為75. 7Mpa,抗擠強度比 相同規(guī)格的API標準套管提高30%。用該材料加工的螺紋接頭采用API標準方法上卸扣3 次不發(fā)生粘扣。
權(quán)利要求
一種直縫電阻焊石油套管用鋼，其特征是直縫電阻焊石油套管用鋼合金材料各組分的質(zhì)量百分比為C0.15～0.28％；Mn1.0～1.6％；Si0.2～0.4％；Al0.02～0.06％；P≤0.01％；S≤0.005％，N≤0.008％，Ca0.001～0.005％；余量為Fe；控制Mn與Si用量比，Mn∶Si在4～10∶1之間。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的直縫電阻焊石油套管用鋼，其特征是合金材料中含有質(zhì)量 百分比的Nb 0. 03 0. 10%;Ti 0. 02 0. 06%;V 0. 03 0. 10%中的一種或兩種以上的 合金元素；并含有質(zhì)量百分比的Cu 0. 15 0. 25%;Ni 0. 15 0. 25%;Mo 0. 16 0. 3%; Cr 0. 1 0. 2% ；B 0. 001 0. 005%中的一種或兩種以上的合金元素。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的直縫電阻焊石油套管用鋼，其特征是利用直縫電阻焊石油 套管用鋼制備套管的方法是首先，制備熱軋板卷將直縫電阻焊石油套管用鋼各組分經(jīng)過氧吹轉(zhuǎn)爐熔煉，爐外精 煉，真空脫氣；再經(jīng)過連鑄成250mm厚的板坯；然后再加熱至約1200°C ；溫度降至1000 1100°C進行粗軋，溫度在750 950°C進行精軋，精軋后噴水冷卻，冷卻速度為15 30°C / s ；然后卷取，卷取溫度520 620°C，制成厚度為6 19. 1mm的熱軋板卷；其次，用熱軋板卷生產(chǎn)直縫電阻焊接鋼管熱軋板卷拆卷、矯平，銑邊，精確控制帶鋼寬 度和板邊垂直度，采用排輥成型控制板邊波形；調(diào)整焊接電流、電壓參數(shù)，以產(chǎn)生60 80° 的焊縫金屬流動上升角為目標調(diào)整焊縫的擠壓量，開口角控制在3 6°，焊接速度為15 25m/min，焊接成壁厚為6 19. 1mm的直縫鋼管；然后，對焊后焊接鋼管進行焊縫正火或整體正火，正火溫度900 1000°C，正火后的焊 接鋼管在線450 550°C熱定徑及校直；或采用熱張力減徑方法，通過高溫擴散和形變熱處 理，使鋼管的成分均勻；還可以進行一次880 950°C的整體加熱淬火并進行550 650°C 回火；淬火回火后的焊接鋼管采用450 550°C的離線熱校直；焊接鋼管截成長度10 12m的管段；最后，在每根焊接鋼管的兩端，用數(shù)控機床加工API標準螺紋或特殊螺紋。
全文摘要
直縫電阻焊石油套管用鋼及套管制造方法，應(yīng)用于石油天然氣工業(yè)油氣井用直縫電阻焊石油套管。直縫電阻焊石油套管用鋼的質(zhì)量百分比如下C0.15～0.28％；Mn1.0～1.6％；Si0.2～0.4％；Al0.02～0.06％；P≤0.01％；S≤0.005％，N≤0.008％，Ca0.001～0.005％，余量為Fe。制備過程制備熱軋板卷；用熱軋板卷生產(chǎn)直縫電阻焊接鋼管；對焊后焊接鋼管進行焊縫正火或整體正火；正火或回火后的焊接鋼管校直并截成長度10～12m的管段；加工API標準螺紋。效果是具有優(yōu)良的強度和韌性，焊縫無缺陷且與母材性能均勻一致屈服強度≥380～760MPa，抗拉強度≥520～865MPa，延伸率≥20％，室溫橫向全尺寸V型缺口沖擊能≥40J。
文檔編號C21D1/18GK101798654SQ20101014456
公開日2010年8月11日 申請日期2010年4月9日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月9日
發(fā)明者馮耀榮, 劉文紅, 宋生印, 楊龍, 王建東, 王新虎, 申昭熙 申請人:中國石油天然氣集團公司;中國石油天然氣集團公司管材研究所