專利名稱：高性能n80級非調(diào)制石油套管用無縫鋼管及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及低合金鋼領(lǐng)域，用于制造N80石油套管的低合金高強度鋼。
背景技術(shù)：
隨著鉆井深度越來越深，鉆井工況日趨復(fù)雜，對油井管的質(zhì)量要求越來越高，原J55鋼級套管已不能滿足深井、超深井和特殊情況采集的要求，其用量在不斷減少，而以N80為代表的更高鋼級的油井管數(shù)量在不斷增加。N80-1和N80Q石油套管鋼最早是美國石油協(xié)會(API )推薦生產(chǎn)的典型鋼種(API Spec 5CT-2005)，目前一直使用，其用量約占套管總量的50%，現(xiàn)廣泛應(yīng)用于中國的石油及天然氣行業(yè)。N80分為N80-1和N80Q，二者的相同點是拉伸性能一致，二者的不同點是交貨狀態(tài)和沖擊性能區(qū)別，N80-1按正火狀態(tài)交貨或當(dāng)終軋溫度大于臨界溫度Ar3且張力減徑后經(jīng)過空冷時，又可用熱軋代替正火，沖擊功和無損檢驗均不作要求；N80Q必須經(jīng)過調(diào)質(zhì)(淬火加回火)熱處理，沖擊功應(yīng)符合API 5CT規(guī)定，且應(yīng)進(jìn)行無損檢驗。

N80石油套管是高強度高韌性無縫鋼管，國際上通常采用的方法有調(diào)質(zhì)處理(含軋后直接淬火十回火處理)、?；⒊；鼗鹨约败堉坪蠡鼗?。國外有利用釩欽微合金化低碳鋼開發(fā)N80石油套管的報道，但必須結(jié)合在線?；に嚭投p徑后加速冷卻。鋼管的在線常化是指軋管后鋼管冷卻到特定溫度以下，利用再加熱?；幚恚缓筮M(jìn)行定減徑變形的生產(chǎn)工藝。在線?；に嚰瓤墒盏诫x線常化的效果，又能縮短工藝流程，節(jié)約能源，為生產(chǎn)高強度高韌性石油套管開辟了新途徑。我國中碳微合金非調(diào)質(zhì)N80石油管的開發(fā)是從20世紀(jì)90年代中期開始的，國內(nèi)一些無縫鋼管廠家進(jìn)行了在線正火工藝(天津鋼管有限責(zé)任公司)或正火回火工藝(寶山鋼鐵股份有限公司鋼管分公司)生產(chǎn)N80級油井管的嘗試。目前已有許多鋼管公司利用在線常化工藝生產(chǎn)非調(diào)質(zhì)N80石油管，由于該類產(chǎn)品生產(chǎn)成本低，環(huán)保性好，工藝簡單，是一種節(jié)能、節(jié)資源型新材料，然而與調(diào)質(zhì)鋼相比，普遍存在強度有余而韌性不足的缺點。材質(zhì)成分和生產(chǎn)工藝控制不好，其性能就不盡人意。主要表現(xiàn)在材料的屈服強度值和韌性指標(biāo)值有時不符合API5CT規(guī)定，性能不穩(wěn)定。因而強韌化問題更加引起人們的注意。生產(chǎn)N80級石油套管通常采用36Mn2V鋼種，其合金成分如下
36Mn2V鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))％
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開發(fā)Ν80級非調(diào)質(zhì)石油套管鋼，國內(nèi)生產(chǎn)廠現(xiàn)采用F35MnVN或34Mn2VN鋼種。同時加入稀土元素可以凈化鋼質(zhì)，并且可以改變硫化物和氧化物夾雜的形狀，從而達(dá)到提高鋼的沖擊韌性的目的。但是稀土元素本身冶煉過程中容易形成大塊雜質(zhì)元素，從而影響到了對硫化物改性的作用
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述不足，提供一種提高韌性，細(xì)化微觀組織，改善微觀組織的均勻性的高性能N80級非調(diào)制石油套管用無縫鋼管及其制造方法。本發(fā)明所述問題是通過以下技術(shù)方案解決的采用熱軋空冷低碳貝氏體鋼生產(chǎn)技術(shù)，其加工制造工藝為熱軋+回火獲得高強韌性的N80級無縫鋼管；無需進(jìn)行調(diào)制處理，節(jié)省了熱處理工藝。一種高性能N80級非調(diào)制石油套管用鋼，其化學(xué)成分的配比如下C 0. 15^0. 30% ；Si 0. 50 0· 80% ；Μη 1. 2· 2% ；Ρ <0. 02% ；S <0. 012% ；Β 0. 0015 O. 002% ；Ti
O.017 O. 020% ；A1 0. 015 0. 020%, CaO. 005 0· 007% ;其中 Ca/S>0. 6，余量 Fe。上述高性能N80級非調(diào)制石油套管用鋼，其化學(xué)成分分配比優(yōu)選如下C 0. 15 O. 20% ；Si 0. 50 0· 80% ；Μη 1. 9 2· 2% ；Ρ <0. 02% ；S 0. O廣O. 012% ；Β
O.0015 O. 002% ；Ti 0. 017 O. 020% ；A1 0. 015 O. 020%, Ca 0. 005 O. 007% ;其中 Ca/S>0. 6，余量Fe。上述高性能N80級非調(diào)制石油套管用鋼，其化學(xué)成分分配比優(yōu)選如下C:
O.20 0· 25% ；Si 0. 5 0· 8% ；Μη 1. 8 2· 0% ；Ρ <0. 02% ；S <0. 01% ；Β 0. 0015 O. 002% ；Ti
O.017 O. 020% ；A1 0. 015 0. 020%, Ca 0. 002 0. 005% ;其中 Ca/S>0. 6，余量 Fe。上述高性能N80級非調(diào)制石油套管用鋼，其化學(xué)成分分配比優(yōu)選如下C:`O.25 O. 30% ；Si 0. 5 O. 8% ；Mn 1. 7 1. 9% ；P <0. 02% ；S <0. 007% ； B 0. 0015 0. 002% ；Ti
0.017 0. 020% ；A1 0. 015 0. 020% ；Ca 0. 002 0. 005%，其中 Ca/S>0. 6，余量 Fe。所述％為重量百分比，各組份的重量百分比之和為100%。上述高性能N80級非調(diào)制石油套管用鋼，其所述力學(xué)性能如下
按API Spec 5CT標(biāo)準(zhǔn)必須滿足以下的主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)σω 5=552 758 MPa,710MPa, Akv=30/15J (0°C縱 / 橫向的均值，試樣尺寸 10 X 10 X 55mm)或 24/12J (0°C縱/橫向的均值，試樣尺寸7. 5X10X55mm),e=1944 A°_2/U°_9% (A_試樣截面積，U-σ b下限值)。上述鋼中的連鑄需要采用低過熱度連鑄技術(shù)(澆鑄溫度控制在25°C以內(nèi))同時配合電磁攪拌技術(shù)(結(jié)晶器電磁攪拌MEMS+末端電磁攪拌FEMS)和輕壓下技術(shù)(S R)使鑄坯組織等軸晶率達(dá)到85%以上，有效控制硫化物在晶界的偏析。本發(fā)明提供的制造N80級無縫石油套管的非調(diào)制低合金高強度鋼，化學(xué)成分配方，通過B+Ti復(fù)合添加技術(shù)，可以在熱軋空冷狀態(tài)下獲得無碳貝氏體組織，同時有效的細(xì)化了晶粒尺寸，大幅提高鋼管的沖擊功，同時通過Ca處理技術(shù)，使硫化物改性，改善了鋼管的塑韌性。本發(fā)明所述制造石油套管用無縫鋼管制造方法如下
轉(zhuǎn)爐冶煉一脫氧合金化一LF (LADLE FURNACE)鋼包爐精煉一吹氬-喂絲(S1-Ca包芯線)處理一連鑄管坯一無縫機組軋管一管加工一N80 (N80-1和N80Q)石油套管。其中技術(shù)關(guān)鍵是(1)LF精煉+S1-Ca線進(jìn)行熱處理。LF精煉爐精煉時間>30min，然后按順序依次加入合金MnFe，在喂Al線進(jìn)行終脫氧，喂S1-Ca線，通過喂絲(S1-Ca包芯線)處理技術(shù)控制鋼中的S含量，和Ca的含量，使Ca/ S >0. 6，添加Ti線，添加B鐵包芯線。Ca處理后有效改變硫化物形貌特征，使形貌由棒狀變?yōu)榍蛐?，消除硫化物引起的帶狀組織形貌和提高鋼材的塑韌性。該生產(chǎn)工藝中吹氬-Ca喂絲處理在減輕鋼中非金屬夾雜物對沖擊韌性的危害方面有明顯的效果。(2)連鑄澆注溫度1565°C 1575 °C，連鑄過熱度控制在15°C 25°C。拉速1.(Γ2. Om/min，連鑄采用合適的保護(hù)渣，結(jié)晶器和二冷水采用低碳鋼控制要求。同時配合電磁攪拌技術(shù)(結(jié)晶器電磁攪拌MEMS+末端電磁攪拌FEMS )，通過上述技術(shù)使鑄坯組織等軸晶率達(dá)到85%以上。(3)在軋管生產(chǎn)工藝上，采用750°C _800°C的低溫控軋，配合軋后霧化冷卻到5500C，有效細(xì)化晶粒，其晶粒細(xì)化達(dá)到美國晶粒尺寸評價標(biāo)準(zhǔn)ASTM 9級以上，有效提高鋼管的塑韌性。對目前用于生產(chǎn)N80級石油套管用鋼失效的產(chǎn)生原因分析如下
目前N80套管的失效分析表明，N80-1石油套管斷裂是由于套管材質(zhì)的組織韌性較差、化學(xué)成分分布不均和沖擊韌性過低等因素造成的。雖然管壁材質(zhì)的平均化學(xué)成分和拉伸性能達(dá)到了 API Spec 5CT標(biāo)準(zhǔn)的要求，但管壁上硫元素存在明顯的宏觀和微觀分布不均勻性，管壁內(nèi)側(cè)的硫含量高于API Spec 5CT標(biāo)準(zhǔn)的要求，這導(dǎo)致管壁內(nèi)側(cè)和晶粒內(nèi)部的韌性大大下降，加之管壁處晶粒比較粗大，致使耐沖擊性能和止裂性能大大降低，所以失效套管抗動載荷沖擊的性能 很差。其合金元素的主要作用為
C為碳化物形成元素，可以提高強度，太低效果不明顯，太高會大幅降低鋼的韌性。容易在鑄坯的一、二次枝晶上偏析。Mn可提高強度，增加淬透性，為奧氏體形成元素，降低奧氏體-鐵素體的相變溫度。Si增加強度，基本不產(chǎn)生偏析，是鐵素體形成元素。B :是一種晶界強化元素，可以抑制碳化物在晶界的析出，增加合金鋼的淬透性能，使管材在空冷狀態(tài)下獲得貝氏體組織，同時與T1、Al聯(lián)合作用有效細(xì)化晶粒，提高強度，顯著改善鋼的韌性。硼含量控制在O. OOfO. 002之間的控制效果最佳。Al :脫氧劑，有效減少氧含量，細(xì)化奧氏體晶粒，提高強度和韌性。T1:細(xì)化奧氏體晶粒，提高韌性，高溫析出的TiN對奧氏體晶粒長大有強烈的抑制作用。Ca :提高S化物的析出溫度，起到夾雜物改性作用。Ca/S>0. 6時其效果明顯。本發(fā)明提供一種制造高性能非調(diào)制N80級無縫石油套管的低合金高強度鋼，所述鋼種化學(xué)成分配比和生產(chǎn)工藝提高了 N80級鋼的韌性，細(xì)化了微觀組織，改善了化學(xué)成分和微觀組織的均勻性，使鋼種性能指標(biāo)超出了 API 5CT標(biāo)準(zhǔn)。
具體實施例方式提供應(yīng)用實例，化學(xué)成分重量百分比如下表
權(quán)利要求
1.一種高性能N80級非調(diào)制石油套管用鋼，其特征在于其化學(xué)成分的配比如下C O. 15 O. 30% ；Si 0. 50 0· 80% ；Μη 1. 7 2· 2% ；Ρ <0. 02% ；S <0. 012% ；Β 0. 0015 O. 002% ；Ti 0. 017 O. 020% ；Α1 0. 015 O. 020%, CaO. 005 O. 007% ;余量 Fe，其中 Ca/S>0. 6，所述 % 為重量百分比，各元素組份的重量百分比之和為100%。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高性能N80級非調(diào)制石油套管用鋼，其特征在于其化學(xué)成分的配比如下C 0. 15 O. 20% ；Si 0. 50 0· 80% ；Μη 1. 9 2· 2% ；Ρ <0. 02% ；S 0. 01 O. 012% ；Β 0. 0015 O. 002% ；Ti 0. 017 O. 020% ；A1 0. 015 O. 020%, Ca O. 005^0. 007% ;余量Fe，其中Ca/S>0. 6，所述％為重量百分比，各元素組份的重量百分比之和為100%O
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高性能N80級非調(diào)制石油套管用鋼，其特征在于其化學(xué)成分的配比如下C 0. 20 0· 25% ；Si 0. 5 0. 8% ；Mn 1. 8 2. 0% ；P <0. 02% ；S <0. 01% ；B 0.0015 0. 002% ；Ti 0. 017 0. 020% ；A1 0. 015 0. 020%, Ca 0. 002 0. 005% ;余量 Fe，其中Ca/S>0. 6，所述％為重量百分比，各元素組份的重量百分比之和為100%。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高性能N80級非調(diào)制石油套管用鋼，其特征在于其化學(xué)成分的配比如下C 0. 25 O. 30% ；Si 0. 5 O. 8% ；Mn 1. 7 1. 9% ；P <0. 02% ；S <0. 007% ；B 0. 0015 0. 002% ；Ti 0. 017 0. 020% ；A1 0. 015 0. 020% ；Ca Ca 0. 002 0. 005%,其中 Ca/S>0. 6,余量Fe,所述％為重量百分比,各元素組份的重量百分比之和為100%。
5.一種如權(quán)利要求1所述石油套管的制造方法，其特征在于所述方法包括以下工藝過程轉(zhuǎn)爐冶煉一脫氧合金化一鋼包爐精煉一吹氬-喂絲S1-Ca包芯線處理-Ti+B微合金化冶煉一連鑄管坯一無縫機組軋管一管加工一N80石油套管，所述無縫機組軋管的終軋溫度750°C 800°C，無縫鋼管在500°C回火I小時，后再空冷到室溫。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種高性能N80級非調(diào)制石油套管用鋼及石油套管用無縫鋼管制造方法，所述石油套管化學(xué)成分的配比如下C0.15~0.30%；Si0.50~0.80%；Mn1.7~2.2%；P<0.02%；S<0.012%；B0.0015~0.002%；Ti0.017~0.020%；Al0.015~0.020%，Ca0.005~0.007%；余量Fe，其中Ca/S>0.6。所述方法包括以下工藝過程轉(zhuǎn)爐冶煉→脫氧合金化→LF鋼包爐精煉→吹氬-喂絲(Si-Ca包芯線)處理→連鑄管坯→無縫機組軋管→管加工→N80石油套管，所述無縫機組軋管的終軋溫度750℃~800℃，熱軋后500℃回火1小時，再空冷到室溫。所述鋼種化學(xué)成分配比和生產(chǎn)工藝提高了N80級鋼的韌性，細(xì)化了微觀組織，改善了化學(xué)成分和微觀組織的均勻性，使鋼種性能指標(biāo)超出了API5CT標(biāo)準(zhǔn)。
文檔編號C22C38/14GK103060686SQ20121057623
公開日2013年4月24日 申請日期2012年12月27日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月27日
發(fā)明者李洪芳, 楊忠民, 韓建淮 申請人:江蘇長強鋼鐵有限公司