石油套管用钢及其制造方法 技术领域 本发明涉及金属材料制造技术领域， 特别是涉及一种非整管热处理直缝焊石油套 管低屈强比 API K55 用钢及其制造方法。
背景技术 与无缝管相比， 由于直缝焊套管具有尺寸精度高、 抗挤溃性能好以及成本低等优 点， 已广泛用于石油开采行业。其中， J55 套管的用量最大， 而 K55 套管由于生产难度大， 用 量相对较少。
K55 套管的技术难度在于制管所用的热轧钢卷的生产难度。由于 K55 套管的 API 标准规定 ： 管体的屈服强度在 379 ～ 552MPa 之间， 抗拉强度≥ 655MPa， 则所用的热轧钢卷 必须满足制管后这种性能要求。但是， 直缝电阻焊管制管成型后， 由于加工硬化作用的存 在， 管体性能与钢卷性能相比， 抗拉强度基本不变， 屈服强度会有不同程度的提高。 这样， 即 使热轧钢卷的性能满足 API 标准对 K55 套管的性能要求， 但制管后管体的屈服强度往往会 高出 API 标准的上限。
总之， K55 套管生产难度大的原因可归纳为两个方面 ： 一是对板管屈服强度的变 化规律认识不清， 没有定量的认识， 难以明确给出所用的热轧钢卷的性能要求 ； 二是即使能 明确这种要求， 热轧钢卷也难以达到所要求的低屈强比。
对此， 有人采用了制管后进行整管热处理的工艺， 并且已经批量供货。( 详见文献 《高频电阻焊 K55 钢级套管的研发》 《钢管》 ， ， 2008 年 8 月， 第 37 卷第 4 期 )。采用整管热处 理工艺， 对热轧钢卷的性能要求相对较低， 不要求低的屈强比， 这样 K55 套管性能要求仅通 过整管热处理就能够满足。 不过， 鉴于制管后进行整管热处理的成本较高， 而且大多数制管 厂没有整管热处理的热处理炉， 也有人研究了非整管热处理 K55 套管用钢的制造工艺 ( 详 见申请号为 200610027021.8 的中国专利申请 《一种低屈强比直缝焊石油套管用钢及其制 造方法》 )， 但是， 应用此专利申请文件中公开的技术方案进行生产后发现， 产品也存在屈服 强度超出 API 标准的上限的情况。因此， 该专利申请文件中公开的技术方案能够生产 K55 套管用钢， 但是不能同时稳定地生产所有尺寸规格的 K55 套管用钢。
发明内容 本发明解决的技术问题是提供一种石油套管用钢及其制造方法， 生产出合格的 K55 石油套管用热轧钢卷， 其抗拉强度≥ 655MPa， 而屈服强度控制在 370MPa ～ 523MPa 之 间， 屈强比控制在 0.56 ～ 0.80 之间， 满足所有尺寸规格的 K55 石油套管对热轧钢卷的性能 要求。
为解决上述问题， 本发明提供一种石油套管用钢， 其成分的质量百分比为 ： 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， 其余为 Fe 和不可避免的杂质。
可选地， 所述 V 的质量百分比为 0.01 ～ 0.1。
可选地， 所述 Mo 的质量百分比为 0.005 ～ 0.35。
本发明提供的石油套管用热轧钢卷的成分设计原理如下 ：
C： 0.31 ～ 0.35％， C 通过固溶强化和析出强化作用提高钢材的强度， 随着 C 含量 的提高， 钢材的抗拉强度和屈服强度都得到提高， 但抗拉强度提高的幅度要大于屈服强度 的提高幅度。这是因为， 随着 C 含量的提高， 钢材中珠光体的体积分数也增加， 而抗拉强度 主要取决于钢材中珠光体的体积分数及珠光体的片层间距的大小 ； 而屈服强度主要取决于 钢材中铁素体的体积分数、 晶粒度和过饱和度等。因此， 提高 C 含量是生产 K55 石油套管用 钢的思想之一。但是， 过高的 C 含量会提高碳当量， 从而影响可焊性。
Mn ： 0.8 ～ 1.5％， Mn 通过固溶强化和晶粒细化作用提高钢材的强度， 且对抗拉强 度和屈服强度贡献度基本一致。但 Mn 含量过高， 会增加板坯中心偏析程度， 从而影响热轧 组织的均匀性， 并给焊缝质量带来负面影响。
V： 0.01 ～ 0.1％， V 具有细化晶粒和析出强化的作用， 但析出强化起主导作用， 因 此， 对于 K55 石油套管用钢适量添加 V， 可以充分发挥析出强化的作用， 有利于提高钢材的 强度， 而碳当量又不发生显著变化， 对可焊性不发生显著影响。
Al ： ≤ 0.024％， Al 的主要作用有两个方面， 一是炼钢工序脱氧的作用， 二是 Al 与 钢中的 N 形成化合物， 具有晶粒细化的作用。基于以上考虑， 为了获得较粗的晶粒尺寸， 获 得低的屈强比， 本发明限制 Al 的含量≤ 0.024％。 Mo ： 根据热轧工艺控制的稳定程度， 可以选择性地添加 Mo， 设计成份为 0.005 ～ 0.35％。 Mo 元素的添加， 可以使钢材 CCT 曲线中铁素体和珠光体的转变温度右移， 而对贝氏 体的转变温度影响较小， 从而有利于增加贝氏体的体积分数。 另外， 热轧钢卷卷取之后有一 个自回火过程， Mo 的加入可以提高回火稳定性， 即如果热轧层流冷却控制能力偏低， 导致全 长冷却不均匀， 而表现出性能的较大波动， 则可以选择加入 Mo ； 如果层流冷却控制得较好， 则可以不添加 Mo， 从而降低生产成本。
本发明还提供一种上述的石油套管用钢的制造方法， 所述方法包括 ： 将钢水经转 炉或电炉冶炼， 并浇铸制成板坯 ； 将板坯加热到 1190 ～ 1260℃初轧成板带 ； 将初轧后的板 带输送通过终轧轧辊进行终轧， 所述终轧温度在 820 ～ 920℃之间 ； 终轧后的板带经层流冷 却后， 在不低于 610℃时卷取成钢卷。
可选地， 在终轧过程中， 只投放三组以下的终轧机架冷却水。
可选地， 终轧后的板带经层流冷却后， 在 610 ～ 730℃的温度范围内卷取成钢卷。
在终轧过程中， 初轧板带通过多组终轧轧辊 ( 例如七组 )， 每一组终轧轧辊旁边配 有一组终轧机架冷却水投放设备， 该终轧机架冷却水在板带进行终轧的过程中， 向板带表 面进行喷洒， 使板带冷却。然而， 采用本发明的制造方法， 在 820 ～ 920℃范围内进行终轧 时， 只投放三组以下的终轧机架冷却水。这是因为， 为了获得较低的屈服强度， 热轧钢卷中 的奥氏体晶粒度需要进行粗化， 即要求尽量大的奥氏体再结晶晶粒尺寸。 为此， 仅投放三组 机架冷却水的目的是调整终轧温度和除鳞的需要， 使得终轧后形变的奥氏体充分恢复、 再 结晶及晶粒长大， 从而增大奥氏体的晶粒度。 这为随后的相变提供了粗晶的组织条件， 从而 使得相变后的铁素体和珠光体组织更加粗化， 进而降低热轧钢卷的屈服强度， 降低屈强比。
如果投放过多组的终轧机架冷却水， 则终轧后形变的奥氏体难以恢复和再结晶， 只能保持变形奥氏体的状态。 随后进行的水幕冷却， 会使得材料组织更加细化， 不利于热轧
钢卷的屈服强度和屈强比的降低。
在本发明中， 终轧后的板带经层流冷却后， 在不低于 610℃时卷取成钢卷， 高的卷 取温度必然需要水幕冷却的速度降低， 如此才能使变形奥氏体充分恢复、 再结晶及晶粒长 大， 该原理与终轧过程中关闭机架冷却水的原理相同。 随后， 热轧钢卷发生奥氏体向铁素体 的相变过程。低的水幕冷却速度使得材料组织趋于平衡相变， K55 用钢就能获得粗大的铁 素体和珠光体组织， 如图 1 和图 2 所示。
按上述过程轧成的热轧钢卷可以提供制造各种厚径比的 K55 直缝焊石油套管。
与现有技术相比， 本发明具有以下优点 ： 在本发明的石油套管用钢中加入有 0.31 ～ 0.35 质量百分比的 C 和≤ 0.024 质量百分比的 Al， C 含量的提高， 使抗拉强度和屈 服强度都得到提高， 但抗拉强度提高的幅度要大于屈服强度的提高幅度， 故而屈强比能够 降低 ； 而 Al 含量的减少， 能减少钢材中由 N 与 Al 形成的可以细化晶粒的化合物的形成， 可 以使钢材中的奥氏体晶粒度粗化， 即使得奥氏体再结晶晶粒尺寸尽量大， 从而也可以获得 较低的屈强比。
另外， 在其成分中还可选择性地添加或者单独添加有 0.01 ～ 0.1 质量百分比的 V 或者 0.005 ～ 0.35 质量百分比的 Mo。对于在钢材中适量添加的 V， 可以充分发挥 V 的析 出强化的作用， 有利于提高钢的强度， 而碳当量又不发生显著变化， 对可焊性不发生显著影 响。 Mo 的添加， 可以使材料 CCT 曲线中铁素体和珠光体转变温度右移， 而对贝氏体转变温度 影响较小， 从而有利于增加贝氏体体积分数 ； 另外， 热轧钢卷卷取之后有一个自回火过程， Mo 的加入可以提高回火的稳定性。
在本发明的石油套管用钢的制造方法中， 降低本发明的出炉温度可以节约能源， 降低成本 ； 提高终轧温度并减少终轧机架冷却水的投放可以获得较大的奥氏体再结晶晶粒 尺寸， 进而可以获得较低的屈服强度， 降低屈强比 ； 而终轧后的板带经层流冷却后， 在不低 于 610℃时卷取成钢卷， 由于更高的卷取温度必然需要水幕冷却的速度降低， 如此才能使变 形奥氏体充分恢复、 再结晶及晶粒长大， 同样也具有降低屈服强度和屈强比的作用。 附图说明
图 1 为本发明非整管热处理直缝焊石油套管 K55 用钢在 700℃卷取后放大 100 倍 的金相组织 ；
图 2 为本发明非整管热处理直缝焊石油套管 K55 用钢在 700℃卷取后放大 500 倍 的金相组织 ； 具体实施方式
下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步说明， 但不应以此限制本发明的保 护范围。
根据 API 标准， K55 用钢石油套管的厚径比范围是 ： 0.022 ～ 0.049， 根据研究， 其屈服强度差的计算公式为 ： 热轧钢卷屈服强度 - 管体屈服强度＝ 94.1-5637× 厚径比 (MPa)。据此， 一定尺寸规格的石油套管所对应的热轧钢卷的屈服强度如表 1 所示。可 见， 石油套管的不同的厚径比所要求的热轧钢卷 ( 热卷 ) 的屈服强度的范围是 ： 370MPa ～ 523MPa。而屈强比＝屈服强度 / 抗拉强度， 所以热轧钢卷的屈强比的范围是 ： 0.56 ～ 0.80。表 1 K55 用钢石油套管的尺寸规格、 厚径比及对热轧钢卷屈服强度的要求
而为了得到更低屈强比的热轧钢卷， 本发明与作对比的现有技术 ( 对比专利 ： CN200610027021.8) 一样采用碳锰钢， 但成分和热轧工艺都存在较大差别， 如表 2 和表 3 所 示。
表 2 现有技术和本发明的热轧钢卷成分对比
表 3 现有技术和本发明的热轧工艺对比6CN 101845583 A说出炉温度明书终轧温度 800 ～ 900℃ 820 ～ 920℃ 卷取温度 500 ～ 600℃ 610 ～ 730℃5/7 页现有技术 本发明
1200 ～ 1300℃ 1190 ～ 1260℃表 2 为现有技术和本发明的热轧钢卷成分对比， 其中本发明的热轧钢卷成分的质 量百分比为 ： C： 0.31 ～ 0.35， Si ： 0.1 ～ 0.45， Mn ： 0.8 ～ 1.5， P： ≤ 0.02， S： ≤ 0.01， Al ： ≤ 0.024， 其余为 Fe 和不可避免的杂质。 另外， 在其现有成分中还可选择性地复合添加或者 单独添加有 V ： 0.01 ～ 0.1 和 Mo ： 0.005 ～ 0.35。
表 3 为现有技术和本发明的热轧工艺对比， 其中本发明的热轧钢卷的出炉温度为 1190 ～ 1260℃， 终轧温度为 820 ～ 920℃， 卷取温度为 610 ～ 730℃。
在不同的实施例中， 所述出炉温度具体例如 1190 ℃、 1200 ℃、 1210 ℃、 1220 ℃、 1230 ℃、 1240 ℃、 1250 ℃或者 1260 ℃， 优选 1230 ℃ ； 所述终轧温度具体例如 820 ℃、 840 ℃、 860℃、 880℃、 900℃或者 920℃， 优选 880℃ ； 所述卷取温度具体例如 610℃、 630℃、 650℃、 670℃、 690℃、 710℃或者 730℃， 优选 690℃。
表 4 为本发明的实施例和现有技术的比较例的钢材成分， 表 5 为本发明的实施例 和现有技术的比较例的钢材性能及适用性。结合表 1 和表 5， 可以看到， 采用本发明的制造 方法生产出的热轧钢卷可以满足所有规格 ( 即厚径比≤ 0.049) 的非整管热处理直缝焊石 油套管 API K55 用钢对热轧钢卷的要求。反观现有技术的制造方法只能满足部分厚径比区 间 ( 即厚径比≤ 0.033) 的要求， 而不能满足所有厚径比区间的要求， 因为热轧钢卷的屈服 强度会超出 API 标准的上限。另外， 本发明的制造方法能够在生产大厚径比石油套管的情 况下， 降低热轧钢卷的屈强比值， 而现有技术的制造方法不但不能生产大厚径比石油套管 用的热轧钢卷， 而且所生产的小厚径比石油套管用的热轧钢卷的屈强比值也较高， 这对于 生产实践来说无疑是不利的。
表 4 本发明的实施例和现有技术的比较例的钢材成分
C 实施例 1 实施例 2 实施例 3 实施例 4 实施例 5 实施例 6 0.32 0.34 0.32 0.31 0.34 0.35Si 0.24 0.26 0.25 0.45 0.2 0.1Mn 1.3 1.1 1.32 1.5 1.21 0.8P 0.02 0.012 0.011 0.009 0.008 0.007S 0.01 0.002 0.003 0.002 0.001 0.003Mo / / 0.005 / 0.35 /V 0.01 0.035 0.033 0.1 / /Al 0.011 0.008 0.01 0.024 0.015 0.0107CN 101845583 A说Si 0.1 0.27 0.25 0.38 Mn 1.11 0.81 1.47 1.21 P明书S 0.005 0.002 0.01 0.007 Mo / / / / V 0.03 / 0.05 /6/7 页C 比较例 1 比较例 2 比较例 3 比较例 4
Al 0.05 0.035 0.02 0.0150.25 0.29 0.21 0.210.019 0.017 0.015 0.008表 5 本发明的实施例和现有技术的比较例的钢材性能及适用性
在本发明的石油套管用钢中加入有 0.31 ～ 0.35 质量百分比的 C 和≤ 0.024 质量 百分比的 Al， C 含量的提高， 使抗拉强度和屈服强度都得到提高， 但抗拉强度提高的幅度要 大于屈服强度的提高幅度， 故而屈强比能够降低 ； 而 Al 含量的减少， 能减少钢材中由 N 与 Al 形成的可以细化晶粒的化合物的形成， 可以使钢材中的奥氏体晶粒度粗化， 即使得奥氏 体再结晶晶粒尺寸尽量大， 从而也可以获得较低的屈强比。
另外， 在其成分中还可选择性地添加或者单独添加有 0.01 ～ 0.1 质量百分比的 V 或者 0.005 ～ 0.35 质量百分比的 Mo。对于在钢材中适量添加的 V， 可以充分发挥 V 的析 出强化的作用， 有利于提高钢的强度， 而碳当量又不发生显著变化， 对可焊性不发生显著影 响。 Mo 的添加， 可以使材料 CCT 曲线中铁素体和珠光体转变温度右移， 而对贝氏体转变温度 影响较小， 从而有利于增加贝氏体体积分数 ； 另外， 热轧钢卷卷取之后有一个自回火过程， Mo 的加入可以提高回火的稳定性。
在本发明的石油套管用钢的制造方法中， 降低本发明的出炉温度可以节约能源， 降低成本 ； 提高终轧温度并减少终轧机架冷却水的投放可以获得较大的奥氏体再结晶晶粒 尺寸， 进而可以获得较低的屈服强度， 降低屈强比 ； 而终轧后的板带经层流冷却后， 在不低 于 610℃时卷取成钢卷， 由于更高的卷取温度必然需要水幕冷却的速度降低， 如此才能使变 形奥氏体充分恢复、 再结晶及晶粒长大， 同样也具有降低屈服强度和屈强比的作用。
本发明虽然以较佳实施例公开如上， 但其并不是用来限定本发明， 任何本领域技 术人员在不脱离本发明的精神和范围内， 都可以做出可能的变动和修改， 因此本发明的保 护范围应当以本发明权利要求所界定的范围为准。