一种石油套管用钢、 电阻焊石油套管及其制造方法 【技术领域】
本发明涉及一种石油套管用钢， 具体地说， 涉及一种石油套管用钢及其制造方法， 和用该钢种制成的电阻焊石油套管及其制造方法。背景技术
石油及天然气开采用套管是适用于深井、 超深井等油气井完井作业不可缺少的专 用管材， 在下井及固井过程中， 起着保护井眼、 加固井璧、 隔绝井下油、 气、 水层及封固各种 复杂地层的作用， 通常要求其具有高抗挤性能。 在产品的研发与实践中， 人们逐步认识到控 制材质的屈服强度、 残余应力、 套管外径不圆度以及套管壁厚偏差等是提高套管抗挤毁性 能的关键因素。一般而言， 随着不圆度以及壁厚不均度的降低、 以及套管屈服强度的增加， 套管的抗挤性能近似呈线性比例增加。
API 标准规定， 石油套管分为无缝管和焊接套管两种类型。相对于无缝管而言， 焊 接套管的最显著特点之一是壁厚尺寸精度好， 因此将其用于生产具有高抗挤性能的石油套 管具有先天的优越性， 同时焊接套管还具有生产效率高、 规格范围宽、 成本低等优点， 因此 焊接套管成为生产厂家与油田用户的首选品种， 一直受到市场的青睐。
焊接套管的基本生产工艺是 ： 钢管成型 - 在线焊接 - 焊缝热处理或整管热处 理 - 管加工 - 出厂检验等。焊接过程会对套管的抗挤毁性能产生不利的影响。例如高频电 阻焊 ERW(Electric Resistance Welding) 是一种通过高频电流的集肤效应 (Skin Effect) 和临近效应 (Proximity Effect)， 利用高频电流或感生高频电流的电阻热将板边对接、 边 缘加热熔化、 并施以挤压而焊合的焊接方法， 然而板边的加热熔化过程伴随着氧化与脱碳 现象， 致使焊接熔合线及其热影响区的微观组织与基体存在差异。因而， 一般情况下， 焊缝 处的屈服强度较母材低 50-100MPa， 导致焊接套管周向强度分布得不均匀， 严重时会导致管 体和焊缝处于不同的钢级， 降低焊接套管的抗挤性能， 通常还需要淬火、 高温回火和张力减 径等工序使焊缝和管体的强度达到相当的水平。
为了实现多卷连续生产， 进一步提高焊接套管的生产效率， 在钢管成型之前， 通常 还需要对板卷与板卷的头尾进行剪切对焊， 但是剪切对焊要求钢种的碳当量须低， 否则容 易造成钢板断带， 严重影响生产效率， 一般而言， 要求材料的碳当量不宜超过 0.6， 然而普遍 用于制造高抗挤套管的 CrMo 钢如 34CrMo4 碳当量均已超过 0.6。
CN1619005A 公开了一种高抗挤毁的石油天然气开采中深井、 超深井石油套管， 其 成分见表 1， 但这种石油套管为非 API 钢级无缝管， 因此不能满足油田超高抗挤毁的性能要 求。
目前抗挤毁焊接套管只有 Lone Star Steel Company 可以生产， 其美国专利 US4354882 公开了一种用于高压、 深井的套管， 其成分见表 1， 主要添加了 Cr、 Mo、 V 等化学成 分， 但其生产抗挤焊接套管的方法包括张力减径工序， 因此生产厂家需要具有配套设备， 否 则无法生产。发明内容 本发明的第一个目的在于提供一种石油套管用钢， 其能够制造出满足 API 要求的 电阻焊石油套管， 并且还能够适用于剪切对焊工序， 提高后续的电阻焊石油套管生产效率。
本发明的第二个目的在于提供一种所述石油套管用钢的制备方法。
本发明的第三个目的在于提供一种电阻焊石油套管， 其管体和焊缝处于同一钢 级， 满足 API 标准的要求。
本发明的第四个目的在于提供一种所述电阻焊石油套管的制备方法， 其省去了张 力减径工序， 进一步提高了电阻焊石油套管生产效率。
本 发 明 所 提 供 的 石 油 套 管 用 钢， 其成分质量百分比为 C： 0.18-0.31、 Si ： 0.1-0.35、 Mn ： 0.3-1.2、 P： ≤ 0.015、 S： ≤ 0.005、 Mo ： 0.1-0.4、 Ti ： 0-0.04、 Nb ： 0-0.04、 V： 0.07-0.16、 Cr ： 0-1.0、 Al ： 0.01-0.05、 Ca ： 0.0005-0.009， 余量为 Fe 和不可避免杂质， 并且 其碳当量 Ceq ≤ 0.6。
本发明所提供的石油套管用钢， 其成分质量百分比优选为 ： C： 0.25-0.31、 Si ： 0.1-0.25、 Mn ： 0.8-1.2、 P ： ≤ 0.015、 S ： ≤ 0.003、 Mo ： 0.1-0.3、 Ti ： 0.005-0.04、 Nb ： 0.005-0.04、 V： 0.07-0.14、 Cr ： 0-1.0、 Al ： 0.02-0.05、 Ca ： 0.001-0.003， 余量为 Fe 和不可 避免杂质， 并且其碳当量 Ceq ≤ 0.6。
优选地， 钙硫含量的比值 Ca/S ＞ 1。
本发明所提供的石油套管用钢可以采用以下方法制造， 包括 ：
(1) 钢水经转炉或电炉冶炼， 并浇铸制成板坯 ；
(2) 板坯经 1200-1300℃加热后轧成板带， 板带的终轧温度 850-950℃ ；
(3) 轧后板带经层流冷却， 以 2-30℃ /s 的速度冷却到 550-700℃卷取成板卷。
优选地， 步骤 (2) 中控制壁厚 S 范围为 -5.5％ S/+12.5％ S。
本 发 明 所 提 供 的 电 阻 焊 石 油 套 管， 其成分质量百分比为 C ： 0.18-0.31、 Si ： 0.1-0.35、 Mn ： 0.3-1.2、 P： ≤ 0.015、 S： ＜ 0.005、 Mo ： 0.1-0.4、 Ti ： 0-0.04、 Nb ： 0-0.04、 V： 0.07-0.16、 Cr ： 0-1.0、 Al ： 0.01-0.05、 Ca ： 0.0005-0.009， 余量为 Fe 和不可避免杂质， 并且 其碳当量 Ceq ≤ 0.6。
本发明所提供的电阻焊石油套管， 其成分质量百分比优选为 C ： 0.25-0.31、 Si ： 0.1-0.25、 Mn ： 0.8-1.2、 P ： ≤ 0.015、 S ： ≤ 0.003、 Mo ： 0.1-0.3、 Ti ： 0.005-0.04、 Nb ： 0.005-0.04、 V： 0.07-0.14、 Cr ： 0-1.0、 Al ： 0.02-0.05、 Ca ： 0.001-0.003， 余量为 Fe 和不可 避免杂质， 并且其碳当量 Ceq ≤ 0.6。
优选地， 钙硫含量的比值 Ca/S ＞ 1。
本发明所提供的电阻焊石油套管可以采用以下方法制造， 包括 ：
(1) 钢管成型和 ERW 制管， 控制外径 D 范围为 0D/+0.75％ D ；
(2) 水淬， 温度 880-940℃， 保温时间按钢管壁厚计算为 3-6min/mm ；
(3) 回火， 温度 580-700℃， 保温时间按钢管壁厚计算为 3-6min/mm ；
(4) 热定径， 温度 580-700℃， 控制外径不圆度＜ 0.4％ ；
(5) 热矫直， 温度 500-600℃， 控制直度＜ 0.15％。
优选地， 上述电阻焊石油套管的制备方法还包括 ：
(6) 冷却后进行管加工。
优选地， 在步骤 (1) 之前还包括板卷剪切对焊的步骤。
以下将本发明合金成分的设计机理作详细说明 ：
C： 可以显著提高钢的强度， 过高时会大大降低焊接性能， 按重量百分比计宜采用 含量 0.18-0.31％ ；
Si ： 固溶于铁素体以提高钢的屈服强度， 但同时要损失塑性和韧性， 按重量百分比 计宜采用硅含量为 0.1-0.35％ ；
Mn ： 主要固溶于铁素体以提高材料强度， 含量过高时， 钢中的组织偏析严重， 影响 焊接以及抗挤性能， 按重量百分比计宜采用含量 0.3-1.2％ ；
Mo ： 提高淬透性元素， 可以有效的提高钢的回火稳定性， 回火时析出碳化物提高钢 的强度， 有利于延缓压溃失稳过程， 含量过高时不利于焊接， 同时价格昂贵， 从而丧失套管 经济性的特征， 按重量百分比计宜采用含量 0.1-0.4％ ；
Ti ： 强碳氮化物形成元素， 形成 TiN、 TiC 在焊接重结晶以及再加热过程中均可以 阻止奥氏体晶粒长大， 有利于提高焊缝以及抗挤性能， 若含量太高， 易形成粗大的 TiN， 按重 量百分比计宜采用含量 0-0.04％ ；
Nb ： 热轧时可以推迟奥氏体再结晶而达到细化晶粒， 在随后焊接重结晶以及再加 热过程中， 可以阻碍奥氏体晶粒长大， 有利于提高焊缝以及抗挤性能， 按重量百分比计宜采 用含量 0-0.04％ ；
V： 钒的碳氮化物在铁素体中细小弥散析出， 可以在回火的过程中进一步达到析出 强化的效果， 有利于提高焊缝强度， 按重量百分比计宜采用含量 0.07-0.16％ ；
Cr ： 强烈提高淬透性元素， 回火时析出碳化物提高钢的强度， 有利于延缓压溃失稳 过程， 但含量过高时不利于焊接， 按重量百分比计宜采用含量 0-1.0％ ；
Al ： 传统脱氧固氮元素， 形成 AlN 可以细化奥氏体晶粒， 有利于提高焊缝性能， 同 时延缓压溃失稳过程， 按重量百分比计宜采用含量 0.01-0.05％ ；
Ca ： 可净化钢液， 促使 MnS 球化， 提高材料的抗挤性能， 但含量过高时易形成粗大 非金属夹杂物， 按重量百分比计宜采用含量 0.0005-0.009％ ；
P： ≤ 0.015％、 S： ≤ 0.005％， S 和 P 是钢中的有害杂质元素， 含量过高会恶化钢的 韧性且不利于焊接， 因此应尽量降低钢中的硫、 磷含量。
碳当量 Ceq ≤ 0.6， 满足剪切对焊工序的要求， 有利于实现多卷连续生产， 提高生 产效率。
本发明与现有技术相比具有的优点是 ：
(1) 本发明提供的石油套管用钢能够制造出满足 API 要求的电阻焊石油套管， 同 时其碳当量适中， 还能够适用于剪切对焊工序， 提高后续的电阻焊石油套管生产效率 ；
(2) 本发明提供的电阻焊石油套管， 其管体和焊缝处于同一钢级， 满足 API 的要 求；
(3) 本发明提供的电阻焊石油套管的生产方法能够在焊接制管后， 仅需经淬火和 高温回火而不需张力减径， 就使焊缝和管体的强度达到相当的水平， 进一步提电阻焊套管 的生产效率 ；
(4) 本发明所使用的材料合金成本低， 具有重大的经济效益。
表 1 国内外类似产品的成份与本发明钢的成份对比 (wt.％ )5CN 101845586 A
说本发明明书CN1619005 0.2-0.3 0.15-0.4 0.3-1.2 ＜ 0.015 ＜ 0.012 0.5-1.5 0.4-1.2 ＜ 0.8 US4354882 0.26-0.33 0.25-0.35 0.4-0.8 ＜ 0.02 ＜ 0.025 0.75-1.3 0.2-0.6 ＜ 0.25 0.06-0.15 ＜ 0.254/7 页C Si Mn P S Cr Mo Ni V Cu Al Ti Nb Ca0.18-0.31 0.1-0.35 0.3-1.2 ≤ 0.015 ≤ 0.005 0-1.0 0.1-0.40.07-0.16＜ 0.15 ＜ 0.20.01-0.05 0-0.04 0-0.04 0.0005-0.009具体实施方式 实施例化学成分见表 2， 碳当量均小于 0.6。以生产 φ244.48*11.99 规格高抗挤 焊接套管为例， 经转炉炼钢、 炉外精炼后， 钢水经过 Ca 处理。连铸坯经 1200-1300℃加热后 热轧成厚 12.5mm 的板带， 终轧温度大于 850℃， 轧后板带经层流冷却到 700℃以下卷取， 工 艺参数和力学性能见表 3。经剪切对焊、 板卷成型、 ERW 制管后， 外径 D 为 245.2mm， 将钢管 切分成 10m 长的等长钢管 ； 在 880-940℃淬火， 在 580-700℃回火后热定径， 控制外径不圆度 ＜ 0.4％， 在 500-600℃热矫直， 控制直度＜ 0.15％， 工艺参数和力学性能见表 4。
实施例 1-5 的管体和焊缝的强度相差不大， 均在 API 标准同一钢级要求的强度范 围之内 (80 钢级 ： 屈服强度范围 552-758MPa， 抗拉强度大于 689MPa ； 110 钢级 ： 屈服强度范 围 758-965MPa， 抗拉强度大于 862MPa)。比较例 1 的 V 含量稍低， 且没有 Ti、 Nb 等合金元素
对焊缝的强化作用， 管体和焊缝隶属不同的钢级 ； 比较例 2 为传统的 32CrMo4 钢， 由于碳当 量过高， 无法满足连续生产对钢板剪切对焊的要求。
由此可见， 本发明通过控制钢种的碳当量以及选择性地添加 Mo、 V、 Ti、 Nb 等合金 元素， 可以不经减径工序生产出满足 API 标准的、 价格便宜的电阻焊石油套管。
9