高性能N80级非调制石油套管用无缝钢管及其制造方法.pdf

本发明涉及一种高性能N80级非调制石油套管用钢及石油套管用无缝钢管制造方法，所述石油套管化学成分的配比如下：C：0.15~0.30%；Si：0.50~0.80%；Mn：1.7~2.2%；P：<0.02%；S：<0.012%；B：0.0015~0.002%；Ti：0.017~0.020%；Al：0.015~0.020%，Ca：0.005~0.007%；余量Fe，其中Ca/S>0.6。所述方法包括以下工艺过程：转炉冶炼→脱氧合金化→LF钢包炉精炼→吹氩-喂丝（Si-Ca包芯线）处理→连铸管坯→无缝机组轧管→管加工→N80石油套管，所述无缝机组轧管的终轧温度750℃~800℃，热轧后500℃回火1小时，再空冷到室温。所述钢种化学成分配比和生产工艺提高了N80级钢的韧性，细化了微观组织，改善了化学成分和微观组织的均匀性，使钢种性能指标超出了API5CT标准。

权利要求书一种高性能N80级非调制石油套管用钢，其特征在于：其化学成分的配比如下：C：0.15~0.30%；Si：0.50~0.80%；Mn：1.7~2.2%；P：<0.02%；S：<0.012%；B：0.0015~0.002%；Ti：0.017~0.020%；Al：0.015~0.020%，Ca0.005~0.007%；余量Fe，其中Ca/S>0.6，所述%为重量百分比，各元素组份的重量百分比之和为100%。
根据权利要求1所述的一种高性能N80级非调制石油套管用钢，其特征在于：其化学成分的配比如下：C：0.15~0.20%；Si：0.50~0.80%；Mn：1.9~2.2%；P：<0.02%；S：0.01~0.012%；B：0.0015~0.002%；Ti：0.017~0.020%；Al：0.015~0.020%，Ca：0.005~0.007%；余量Fe，其中Ca/S>0.6，所述%为重量百分比，各元素组份的重量百分比之和为100%。
根据权利要求1所述的一种高性能N80级非调制石油套管用钢，其特征在于：其化学成分的配比如下：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%；Al：0.015~0.020%，Ca：0.002~0.005%；余量Fe，其中Ca/S>0.6，所述%为重量百分比，各元素组份的重量百分比之和为100%。
根据权利要求1所述的一种高性能N80级非调制石油套管用钢，其特征在于：其化学成分的配比如下：C：0.25~0.30%；Si：0.5~0.8%；Mn：1.7~1.9%；P：<0.02%；S：<0.007%； B：0.0015~0.002%；Ti：0.017~0.020%；Al：0.015~0.020%；Ca：Ca：0.002~0.005%，其中Ca/S>0.6，余量Fe，所述%为重量百分比，各元素组份的重量百分比之和为100%。
一种如权利要求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艺过程：转炉冶炼→脱氧合金化→钢包炉精炼→吹氩‑喂丝Si‑Ca包芯线处理‑Ti+B 微合金化冶炼→连铸管坯→无缝机组轧管→管加工→N80石油套管，所述无缝机组轧管的终轧温度750℃~800℃，无缝钢管在500℃回火1小时，后再空冷到室温。

说明书高性能N80级非调制石油套管用无缝钢管及其制造方法
技术领域
本发明涉及低合金钢领域，用于制造N80石油套管的低合金高强度钢。
背景技术
随着钻井深度越来越深，钻井工况日趋复杂，对油井管的质量要求越来越高，原J55钢级套管已不能满足深井、超深井和特殊情况采集的要求，其用量在不断减少，而以N80为代表的更高钢级的油井管数量在不断增加。N80‑1和N80Q石油套管钢最早是美国石油协会（API ）推荐生产的典型钢种（API Spec 5CT‑2005），目前一直使用，其用量约占套管总量的50% ，现广泛应用于中国的石油及天然气行业。
N80分为N80‑1和N80Q，二者的相同点是拉伸性能一致，二者的不同点是交货状态和冲击性能区别，N80‑1按正火状态交货或当终轧温度大于临界温度Ar3且张力减径后经过空冷时，又可用热轧代替正火，冲击功和无损检验均不作要求；N80Q必须经过调质（淬火加回火）热处理，冲击功应符合API 5CT规定，且应进行无损检验。
N80石油套管是高强度高韧性无缝钢管，国际上通常采用的方法有：调质处理（含轧后直接淬火十回火处理）、常化、常化十回火以及轧制后回火。国外有利用钒钦微合金化低碳钢开发N80石油套管的报道，但必须结合在线常化工艺和定减径后加速冷却。钢管的在线常化是指轧管后钢管冷却到特定温度以下，利用再加热常化处理，然后进行定减径变形的生产工艺。在线常化工艺既可收到离线常化的效果，又能缩短工艺流程，节约能源，为生产高强度高韧性石油套管开辟了新途径。我国中碳微合金非调质N80石油管的开发是从20世纪90年代中期开始的，国内一些无缝钢管厂家进行了在线正火工艺（天津钢管有限责任公司）或正火回火工艺（宝山钢铁股份有限公司钢管分公司）生产N80级油井管的尝试。目前已有许多钢管公司利用在线常化工艺生产非调质N80石油管，由于该类产品生产成本低，环保性好，工艺简单，是一种节能、节资源型新材料，然而与调质钢相比，普遍存在强度有余而韧性不足的缺点。材质成分和生产工艺控制不好，其性能就不尽人意。主要表现在材料的屈服强度值和韧性指标值有时不符合API5CT规定，性能不稳定。因而强韧化问题更加引起人们的注意。生产N80级石油套管通常采用36Mn2V钢种，其合金成分如下：
36Mn2V钢的化学成分（质量分数）                   %

开发N80级非调质石油套管钢，国内生产厂现采用F35MnVN或34Mn2VN钢种。同时加入稀土元素可以净化钢质，并且可以改变硫化物和氧化物夹杂的形状，从而达到提高钢的冲击韧性的目的。但是稀土元素本身冶炼过程中容易形成大块杂质元素，从而影响到了对硫化物改性的作用。
发明内容
本发明的目的在于克服上述不足，提供一种提高韧性，细化微观组织，改善微观组织的均匀性的高性能N80级非调制石油套管用无缝钢管及其制造方法。
本发明所述问题是通过以下技术方案解决的：采用热轧空冷低碳贝氏体钢生产技术，其加工制造工艺为热轧+回火获得高强韧性的N80级无缝钢管；无需进行调制处理，节省了热处理工艺。
一种高性能N80级非调制石油套管用钢，其化学成分的配比如下：C：0.15~0.30%；Si：0.50~0.80%；Mn：1.7~2.2%；P：<0.02%；S：<0.012%；B：0.0015~0.002%；Ti：0.017~0.020%；Al：0.015~0.020%，Ca0.005~0.007%；其中Ca/S>0.6，余量Fe。
上述高性能N80级非调制石油套管用钢，其化学成分分配比优选如下：C：0.15~0.20%；Si：0.50~0.80%；Mn：1.9~2.2%；P：<0.02%；S：0.01~0.012%；B：0.0015~0.002%；Ti：0.017~0.020%；Al：0.015~0.020%，Ca：0.005~0.007%；其中Ca/S>0.6，余量Fe。
上述高性能N80级非调制石油套管用钢，其化学成分分配比优选如下：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%；Al：0.015~0.020%，Ca：0.002~0.005%；其中Ca/S>0.6，余量Fe。
上述高性能N80级非调制石油套管用钢，其化学成分分配比优选如下：C：0.25~0.30%；Si：0.5~0.8%；Mn：1.7~1.9%；P：<0.02%；S：<0.007%； B：0.0015~0.002%；Ti：0.017~0.020%；Al：0.015~0.020%；Ca： 0.002~0.005%，其中Ca/S>0.6，余量Fe。
所述%为重量百分比，各组份的重量百分比之和为100%。
上述高性能N80级非调制石油套管用钢，其所述力学性能如下：
按API Spec 5CT标准必须满足以下的主要技术经济指标：σt0.5=552~758 MPa，σb≥710MPa，Akv=30/15J （0℃纵/横向的均值，试样尺寸10×10×55mm）或24/12J（0℃ 纵/横向的均值，试样尺寸7.5×10×55mm），e=1944 A0.2/U0.9% （A‑试样截面积，U‑σb下限值）。
上述钢中的连铸需要采用低过热度连铸技术（浇铸温度控制在25℃以内）同时配合电磁搅拌技术（结晶器电磁搅拌MEMS+末端电磁搅拌FEMS）和轻压下技术（ＳＲ）使铸坯组织等轴晶率达到85%以上，有效控制硫化物在晶界的偏析。
本发明提供的制造N80级无缝石油套管的非调制低合金高强度钢，化学成分配方，通过B+Ti复合添加技术，可以在热轧空冷状态下获得无碳贝氏体组织，同时有效的细化了晶粒尺寸，大幅提高钢管的冲击功，同时通过Ca处理技术，使硫化物改性，改善了钢管的塑韧性。
本发明所述制造石油套管用无缝钢管制造方法如下：
转炉冶炼→脱氧合金化→LF（LADLE FURNACE）钢包炉精炼→吹氩‑喂丝（Si‑Ca包芯线）处理→连铸管坯→无缝机组轧管→管加工→N80（N80‑1和N80Q）石油套管。
其中技术关键是：（1）LF精炼+Si‑Ca线进行热处理。LF精炼炉精炼时间>30min，然后按顺序依次加入合金：MnFe，在喂Al线进行终脱氧，喂Si‑Ca线，通过喂丝（Si‑Ca包芯线）处理技术控制钢中的S含量，和Ca的含量，使Ca/ S >0.6，添加Ti线，添加B铁包芯线。Ca处理后有效改变硫化物形貌特征，使形貌由棒状变为球型，消除硫化物引起的带状组织形貌和提高钢材的塑韧性。该生产工艺中吹氩‑Ca喂丝处理在减轻钢中非金属夹杂物对冲击韧性的危害方面有明显的效果。
（2）连铸：浇注温度1565℃~1575℃，连铸过热度控制在15℃~25℃。拉速1.0~2.0m/min，连铸采用合适的保护渣，结晶器和二冷水采用低碳钢控制要求。同时配合电磁搅拌技术（结晶器电磁搅拌MEMS+末端电磁搅拌FEMS），通过上述技术使铸坯组织等轴晶率达到85%以上。
(3) 在轧管生产工艺上，采用750℃‑800℃的低温控轧，配合轧后雾化冷却到550℃，有效细化晶粒，其晶粒细化达到美国晶粒尺寸评价标准ASTM 9级以上，有效提高钢管的塑韧性。
对目前用于生产N80级石油套管用钢失效的产生原因分析如下：
目前N80套管的失效分析表明，N80‑1 石油套管断裂是由于套管材质的组织韧性较差、化学成分分布不均和冲击韧性过低等因素造成的。虽然管壁材质的平均化学成分和拉伸性能达到了API Spec 5CT 标准的要求， 但管壁上硫元素存在明显的宏观和微观分布不均匀性， 管壁内侧的硫含量高于API Spec 5CT 标准的要求， 这导致管壁内侧和晶粒内部的韧性大大下降，加之管壁处晶粒比较粗大，致使耐冲击性能和止裂性能大大降低， 所以失效套管抗动载荷冲击的性能很差。
其合金元素的主要作用为：
C 为碳化物形成元素，可以提高强度，太低效果不明显，太高会大幅降低钢的韧性。容易在铸坯的一、二次枝晶上偏析。
Mn 可提高强度，增加淬透性，为奥氏体形成元素，降低奥氏体‑铁素体的相变温度。
Si 增加强度，基本不产生偏析，是铁素体形成元素。
B：是一种晶界强化元素，可以抑制碳化物在晶界的析出，增加合金钢的淬透性能，使管材在空冷状态下获得贝氏体组织，同时与Ti、Al联合作用有效细化晶粒，提高强度，显著改善钢的韧性。硼含量控制在0.001~0.002之间的控制效果最佳。
Al：脱氧剂，有效减少氧含量，细化奥氏体晶粒，提高强度和韧性。
Ti：细化奥氏体晶粒，提高韧性，高温析出的TiN对奥氏体晶粒长大有强烈的抑制作用。
Ca：提高S化物的析出温度，起到夹杂物改性作用。Ca/S>0.6时其效果明显。
本发明提供一种制造高性能非调制N80级无缝石油套管的低合金高强度钢，所述钢种化学成分配比和生产工艺提高了N80级钢的韧性，细化了微观组织，改善了化学成分和微观组织的均匀性，使钢种性能指标超出了API 5CT标准。
具体实施方式
提供应用实例，化学成分重量百分比如下表：
 CSiMnPSCaBTiAlFe实施例10.180.552.20.0120.0050.0030.00150.0180.018余量实施例20.230.51.90.0110.010.0060.0020.0180.017余量实施例30.270.561.70.0090.0030.0020.00180.020.02余量