110KSI钢级直缝焊石油套管用钢、套管及制造方法.pdf

本发明提供一种110ksi钢级直缝焊石油套管用钢，其化学成分重量百分比为C：0.15～0.4、Si：0.1～0.8、Mn：0.5～1.8、Al：0.01～0.08、Mo：0.1～0.8、V：0.01～0.1，其余为Fe和不可避免的杂质。本发明还提供用上述钢制造的套管及其制造方法。本发明合金成分设计适当，工艺简便易操作，套管生产成本低廉，可广泛应用于石油天然气开采开发。

1、  一种110ksi钢级直缝焊石油套管用钢，其特征在于，以重量百分比计其化学成分如下：C：0.15～0.4、Si：0.1～0.8、Mn：0.5～1.8、Al：0.01～0.08、Mo：0.1～0.8、V：0.01～0.1，其余为Fe和不可避免的杂质。

2、  用权利要求1所述的钢制造的套管，其特征在于，以重量百分比计其化学成分如下：C：0.15～0.4、Si：0.1～0.8、Mn：0.5～1.8、Al：0.01～0.08、Mo：0.1～0.8、V：0.01～0.1，其余为Fe和不可避免的杂质。

3、  权利要求2所述套管的制造方法，包括冶炼、浇铸、轧制、冷却、卷取成板、连续成型、电阻焊、整管热处理和管加工，其特征在于，所述的冷却步骤中冷却时间≤20s，冷却至690～750℃卷取；所述的整管热处理工艺为900～950℃加热保温20～60min，水淬后550～650℃加热保温40～90min，回火。

4、  如权利要求3所述的制造方法，其特征在于，所述的卷取成板得到屈服强度420～480MPa的板卷。

5、  如权利要求3所述的制造方法，其特征在于，所述的轧制步骤中轧制温度为1200～1300℃，终轧温度800～900℃。

6、  如权利要求3所述的制造方法，其特征在于，所述的电阻焊工艺为焊接功率400～700KW，焊接速度10～20m/min，挤压量2～15mm。

110ksi钢级直缝焊石油套管用钢、套管及制造方法
技术领域
本发明涉及一种直缝电阻焊石油套管用钢、套管及制造方法，更具体地说，是涉及一种110ksi钢级直缝焊石油套管用钢、套管及制造方法。
背景技术
石油及天然气开采用套管一般是根据API(美国石油协会)标准组织生产与供货的。API标准规定，可以用无缝管和直缝焊管制造石油套管。相对于无缝管而言，直缝焊管具有生产效率高、尺寸精度好、规格范围宽、成本低等显著特点，因此是生产厂家与油田用户的首选品种，一直受到市场的青睐。
就直缝焊套管而言，传统的生产工艺是：根据套管性能的需要，设计合适的化学成分；冶炼并轧成热轧板卷；将板卷通过成型和直缝电阻焊方式制成管料；对钢管焊缝或钢管整体进行热处理；并对管端进行适当的螺纹加工，最终生产出合格的石油套管。
就P110ksi级石油套管而言，API标准规定：管体的屈服强度Rp_0.6在758～965MPa之间，抗拉强度R_m≥862MPa，零度横向冲击≥20J。
一种实现高强度性能要求的方法是首先获得高强度的热轧钢板，焊接后仅对焊缝进行热处理来达到API标准规定的性能要求。由于P110ksi级套管屈服强度较高，如果按照上述标准规定直接生产热轧板料，会给其后的工序制板和成型带来难度，因此，应考虑先尽量降低热轧板卷强度，然后在焊接后，可以通过焊后整管热处理来实现焊管产品高强度的性能要求，比如通过调质处理可使产品达到110钢级的水平，由于焊缝和管体同时经历了相变，整管热处理能有效地减轻焊缝与管体组织上的差异，消除残余应力，从而提高套管的性能，满足API标准规定的要求。
如JP7173541，采用焊后整管热处理的方式生产高强度ERW焊接钢管，其合金设计的化学成分重量百分比为C：0.1～0.25、Si：0.1～0.5、Mn：1.0～3.0、Mo：≤1.0、Nb：0.015～0.05、Cr：1.0～3.0、P≤0.02、S≤0.02，其余为Fe和不可避免的杂质。该专利文献所公开的钢管的屈服强度在1200MPa左右，远远大于石油套管对屈服强度在758～965MPa之间的要求，不适于P110ksi级石油套管的生产。
为得到P110ksi级高钢级焊接套管，并尽量控制其热轧板卷的屈服强度，从成分设计角度考虑，应采用较高碳当量的碳锰钢。但是，对于连续焊管生产而言，除了需要对板卷边部进行电感应加热熔化后挤压焊接外，还需对两板卷头尾之间进行CO₂气体保护焊，以便实现多卷连续生产。因此，从焊接角度出发，必须对板卷的碳当量有所限制。为了能很好地进行板卷头尾对焊，一般都将板卷的碳当量控制在0.40以下。为了在较低碳当量下得到较高强度，并在整管热处理时沿壁厚完全淬透，需要在材料中加入合金元素。
因此，为有效解决上述问题，本发明提出一种合适的碳锰钢成分设计，在加入少量合金元素的情况下，通过合适地板卷轧制和焊接工艺特别设计，及最后的整管调质热处理，得到焊缝与管体性能一致的110ksi高钢级石油套管。
发明内容
本发明的目的首先是提供一种110ksi钢级直缝焊石油套管用钢。
本发明还提供用上述钢制造的套管。
本发明还提供上述套管的制造方法。
本发明的目的是这样实现的：
本发明的110ksi钢级直缝焊石油套管用钢，其化学成分重量百分比如下：C：0.15～0.4、Si：0.1～0.8、Mn：0.5～1.8、Al：0.01～0.08、Mo：0.1～0.8、V：0.01～0.1，其余为Fe和不可避免的杂质。
本发明化学成分设计原理如下：
碳C：C为碳化物形成元素，可以提高钢的强度，太低时效果不明显，太高时会大大降低钢的焊接性能，因此，碳的含量在0.15～0.4(以重量百分比计，以下各元素相同)较为合理。
硅Si：Si加入钢中起到脱氧和改善耐蚀性的作用，但高于0.8，加工和韧性恶化，低于0.1效果不明显，因此，硅的含量在0.1～0.8较为合理。
锰Mn：Mn为奥氏体形成元素，可以提高钢的淬透性，含量小于0.5时作用不明显，含量大于1.8时，大大增加钢中的组织偏析，影响热轧组织的均匀性，因此，锰的含量在0.5～1.8较为合理。
铝Al：Al在钢中起到了脱氧作用和细化晶粒的作用。当加入量低于0.01时，效果不明显，加入量超过0.05，力学性能变差，因此，铝的含量在0.01～0.08较为合理。
钼Mo：Mo主要是通过碳化物及固溶强化形式来提高钢的强度及回火稳定性，含量超过0.8会降低钢的韧性，低于0.1效果不明显，因此，钼的含量在0.1～0.8较为合理。
钒V：V能够细化晶粒，形成碳化物，提高钢的强度和韧性。但含量超过0.1后效果不明显，因此，钒的含量在0.01～0.1较为合理。
本发明的套管，是采用上述钢制造的套管，其化学成分重量百分比如下：C：0.15～0.4、Si：0.1～0.8、Mn：0.5～1.8、Al：0.01～0.08、Mo：0.1～0.8、V：0.01～0.1，其余为Fe和不可避免的杂质。
本发明套管的制造方法，包括冶炼、浇铸、轧制、冷却、卷取成板、连续成型、电阻焊、整管热处理和管加工，其中，所述的冷却步骤中冷却时间≤20s，冷却至650～750℃卷取；所述的整管热处理工艺为900～950℃加热保温20～60min，水淬后550～650℃加热保温40～90min，回火。
根据本发明所述的制造方法，其中较好地是，所述的卷取成板得到屈服强度420～480MPa的板卷，有利于此后进行的制管成型。
根据本发明所述的制造方法，其中较好地是，所述的轧制步骤中轧制温度为1200～1300℃，终轧温度800～900℃。
根据本发明所述的制造方法，其中较好地是，所述的电阻焊工艺为焊接功率400～700KW，焊接速度10～20m/min，挤压量2～15mm。
根据本发明，钢水经转炉或电炉冶炼，并连浇铸成板坯。板坯经1200～1300℃加热后轧成板带，板带的终轧温度在800～900℃之间，在轧后20秒中之内，将钢板迅速冷却到750℃以下卷取，得到较低屈服强度420～480MPa的板卷，有利于制管成型。板卷随后进入连续成型工序，接着在焊接功率400～700KW、焊接速度10～20m/min、挤压量2～15mm条件下进行电阻焊(ERW)。然后900～950℃加热保温20～60min后水淬，再经550～650℃加热保温40～90min后回火，对焊管进行整体调质热处理。最后，进行管加工，得到高强度P110石油套管。
本发明具有如下的有益效果：
本发明的110ksi钢级直缝焊石油套管用钢、套管成本低廉、制造工艺可行性好，可广泛应用于石油天然气开采开发，它的成功设计和开发将会带来巨大的经济效益，其市场前景非常巨大。
具体实施方式
以下用实施例对本发明作更详细的描述。这些实施例仅仅是对本发明最佳实施方式的描述，并不对本发明的范围有任何限制。
实施例1
本实施例的钢具有如下含量的化学成分(重量百分比计)C：0.25、Si：0.30、Mn：1.75、Mo：0.20、V：0.011、Al：0.012，其余为Fe和不可避免的杂质。
钢水经转炉冶炼，并连浇铸成板坯。板坯经1220℃加热后轧成板带，板带的终轧温度为850℃，在轧后20秒中之内，将钢板迅速冷却到690℃进行卷取，得到屈服强度Rp_0.2为476MPa、抗拉强度Rm为684MPa、延展率A_50.8mm％为35.0的板卷。该板卷随后进入连续成型工序，接着在焊接功率680KW、焊接速度12m/min、挤压量8mm条件下进行电阻焊(ERW)。然后920℃加热保温30min后水淬，再经550℃加热保温58min后回火，对焊管进行整体调质热处理。最后，进行管加工，得到屈服强度Rp_0.6为921MPa、抗拉强度Rm为981MPa、延展率A_50.8mm％为22.0、零度横向冲击为58J的高强度P110石油套管。
实施例2
本实施例的钢具有如下含量的化学成分(重量百分比计)C：0.25、Si：0.30、Mn：1.75、Mo：0.20、V：0.011、Al：0.012，其余为Fe和不可避免的杂质。
钢水经转炉冶炼，并连浇铸成板坯。板坯经1300℃加热后轧成板带，板带的终轧温度为900℃，在轧后20秒中之内，将钢板迅速冷却到700℃进行卷取，得到屈服强度Rp_0.6为458MPa、抗拉强度Rm为675MPa、延展率A_50.8mm％为33.0的板卷。该板卷随后进入连续成型工序，接着在焊接功率700KW、焊接速度20m/min、挤压量10mm条件下进行电阻焊(ERW)。然后950℃加热保温20min后水淬，再经570℃加热保温90min后回火，对焊管进行整体调质热处理。最后，进行管加工，得到屈服强度Rp_0.6为913MPa、抗拉强度Rm为972MPa、延展率A_50.8mm％为23.0、零度横向冲击为65J的高强度P110石油套管。
实施例3
本实施例的钢具有如下含量的化学成分(重量百分比计)C：0.15、Si：0.11、Mn：1.23、Mo：0.25、V：0.068、Al：0.037，其余为Fe和不可避免的杂质。
钢水经转炉冶炼，并连浇铸成板坯。板坯经1200℃加热后轧成板带，板带的终轧温度为800℃，在轧后20秒中之内，将钢板迅速冷却到730℃进行卷取，得到屈服强度Rp_0.2为434MPa、抗拉强度Rm为634MPa、延展率A_50.8mm％为35.0的板卷。该板卷随后进入连续成型工序，接着在焊接功率550KW、焊接速度15m/min、挤压量5mm条件下进行电阻焊(ERW)。然后930℃加热保温25min后水淬，再经630℃加热保温50min后回火，对焊管进行整体调质热处理。最后，进行管加工，得到屈服强度Rp_0.6为845MPa、抗拉强度Rm为942MPa、延展率A_50.8mm％为20.0、零度焊横向冲击为60J的高强度P110石油套管。
实施例4
本实施例的钢具有如下含量的化学成分(重量百分比计)C：0.30、Si：0.22、Mn：0.80、Mo：0.75、V：0.03、Al：0.07，其余为Fe和不可避免的杂质。
钢水经转炉冶炼，并连浇铸成板坯。板坯经1270℃加热后轧成板带，板带的终轧温度为880℃，在轧后20秒中之内，将钢板迅速冷却到750℃进行卷取，得到屈服强度Rp_0.2为428MPa、抗拉强度Rm为665MPa、延展率A_50.8mm％为38.0的板卷。该板卷随后进入连续成型工序，接着在焊接功率400KW、焊接速度10m/min、挤压量15mm条件下进行电阻焊(ERW)。然后900℃加热保温60min后水淬，再经650℃加热保温40min后回火，对焊管进行整体调质热处理。最后，进行管加工，得到屈服强度Rp_0.6为827MPa、抗拉强度Rm为892MPa、延展率A_50.8mm％为24.0、零度横向冲击为67J的高强度P110石油套管。
实施例5
本实施例的钢具有如下含量的化学成分(重量百分比计)C：0.20、Si：0.25、Mn：1.0、Mo：0.12、V：0.07、Al：0.06，其余为Fe和不可避免的杂质。
钢水经转炉冶炼，并连浇铸成板坯。板坯经1210℃加热后轧成板带，板带的终轧温度为800℃，在轧后20秒中之内，将钢板迅速冷却到715℃进行卷取，得到屈服强度Rp_0.6为455MPa、抗拉强度Rm为675MPa、延展率A_50.8mm％为40.0的板卷。该板卷随后进入连续成型工序，接着在焊接功率450KW、焊接速度14m/min、挤压量2mm条件下进行电阻焊(ERW)。然后920℃加热保温50min后水淬，再经610℃加热保温70min后回火，对焊管进行整体调质热处理。最后，进行管加工，得到屈服强度Rp_0.6为889MPa、抗拉强度Rm为901MPa、延展率A_50.8mm％为22.0、零度横向冲击为56J的高强度P110石油套管。
采用本发明的钢和工艺，轧后板卷的屈服强度Rp_0.2均小于480MPa，易于成型，焊后，通过整管热处理后能够达到P110油套管的性能要求。