一种低屈强比石油套管用钢及制造方法和套管的生产方法技术领域
本发明属于石油套管技术领域，具体涉及一种低屈强比石油套管用钢
及其制造方法和套管的生产方法，更具体涉及一种复合API标准的K55
钢级低屈强比高频电阻焊(HFW)石油套管用钢及其制造方法和套管的生
产方法。
背景技术
一般情况下，石油及天然气开采用套管是根据API标准组织生产与供
货的。API标准规定，K55钢级石油套管有无缝管和焊管两种类型，相对
于无缝管而言，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，焊管是生产厂家与油田用户的首选品种，一直受到市
场的青睐。但是对于K55钢级低屈强比高频电阻焊(HFW)套管，由于
生产难度高，目前仅有国外少数厂家可以生产。
K55钢级石油套管是一种高附加值产品。该套管屈服强度须在
379～552MPa之间，抗拉强度须大于655MPa，其特点是材料的屈强比低，
屈服强度和抗拉强度(均取中线值)的比值约为0.7。目前该级别套管一
般的生产流程为：炼钢-连铸-热轧成板卷-板卷头尾剪切对焊-板带成型-在
线焊接-焊缝热处理或整管热处理-管加工-出厂检验等。从生产流程上看，
由于制管时板带成型而引入的加工硬化的作用，与板卷相比，管体屈服强
度会有所提高，抗拉强度会因材料损伤而略有降低。实践表明，成型后管
体屈服强度较板卷升高约50～100MPa，抗拉强度可以下降约10～30MPa，
这样，理想的板卷屈服强度应该控制在400MPa左右，而抗拉强度应该控
制在680MPa以上，要求热轧板的屈强比小于0.65，对于较低碳当量的低
合金钢很难达到这一要求。
API5CT标准中对K55的成分要求比较简单，只有S和P的要求
(S≤0.03，P≤0.03)。英国钢铁公司(BSC)的Corby钢管厂采用2种成
分生产K55套管。成分1为(以质量百分数计)：C：0.17-0.22％，Si：
0.25-0.35％，Mn：1.3-1.5％，P≤0.025％，S≤0.015％，V：0.1-0.13％，Nb：
0.01-0.024％、Al：0.025-0.065％。成分2为(以质量百分数计)：C：
0.33-0.37％，Si：0.10-0.35％，Mn：1.35-1.55％，P≤0.025％，S≤0.015％，
Al：0.025-0.065％。成分1因碳含量较低，故加入了V、Nb等元素来弥补
强度的不足，其制造特点是焊管制管后需再次加热经张力减径制成K55套
管，加工工艺复杂，成本较高，屈强比较高。成分2制管后需再次加热到
880℃正火处理制成K55套管，工艺成本高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种低屈强比石油套管用钢及其制造方法和
套管的生产方法，该石油套管用钢的屈服强度为379～552MPa，抗拉强度
≥655MPa，屈强比＜0.65，冲击功≥50J，生产出性能稳定的低屈强比K55
套管，该套管的屈服比＜0.7。
为达到上述目的，本发明的技术方案是：
本发明通过成分设计降低材料的屈强比，具体是提高C和Mn含量，
以提高珠光体比例以及减小珠光体片层间距，提高抗拉强度，同时适当配
以Ti、Nb微合金化，依靠Ti、Nb微合金元素在高温下形成的碳氮化物，
作为先共析铁素体的形核质点，促进晶界铁素体析出，增加组织中的软相，
保证较低的屈服强度。同时在制造工艺上，采用低温轧制和卷取控冷工艺，
抑制魏氏组织的形成，降低屈强比的同时提高韧性。为保证高碳当量热轧
板的板卷对焊质量，本发明优化焊接工艺参数，实现了高碳当量材料成型
过程中不断裂，保证了安全生产。
具体的，本发明一种低屈强比石油套管用钢，其化学成分质量百分比
为：C：0.38～0.48％，Si：0.1～0.4％，Mn：1.0～1.4％，P≤0.015％，S≤0.005％，
Al：0.002～0.04％，Ti：0.005～0.05％，余量为Fe和不可避免的杂质，且上
述成分含量必须同时满足如下关系：0.58％≤C+Mn/6≤0.68％。
进一步，所述低屈强比石油套管用钢还含有：0＜Nb≤0.02％，以质量
百分比计。
所述低屈强比石油套管用钢的微观组织为铁素体+珠光体。
所述低屈强比石油套管用钢的屈服强度为379～552MPa，抗拉强度
≥655MPa，屈强比＜0.65，冲击功≥50J。
本发明钢化学成分中各合金元素作用机理如下：
C：C为碳化物形成元素，可以提高钢的强度，当C含量低于0.38％时，
导致K55钢中珠光体组织含量降低，从而降低强度；当C含量高于0.48％时，
钢的韧性会显著降低，会显著恶化材料的焊接性。因此，本发明控制C含
量为0.38～0.48％。
Mn：Mn为奥氏体形成元素，可以提高钢的淬透性，当Mn含量小于
1％时，材料中铁素体含量过多，降低了材料强度；当Mn含量大于1.4％
时，将显著增加钢中的组织偏析，影响热轧组织的均匀性和冲击性能。因
此，本发明控制Mn含量为1.0～1.4％。
本发明在材料设计上着眼于降低材料的屈强比，需要控制C和Mn含
量，碳当量计算公式为＝C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15，一方面C和
Mn可以影响铁素体和珠光体的相比例，当C+Mn/6＜0.58％时，铁素体含
量增加，珠光体含量降低，导致材料屈服强度偏低，屈强比提高，从而强
度指标不能满足K55的要求；当C+Mn/6＞0.68％时，碳当量过高，韧性
降低，横焊缝在成型过程中易发生断裂，从而导致生产安全事故。因此，
需要控制0.58％≤C+Mn/6≤0.68％。
Si：Si固溶于铁素体以提高钢的屈服强度，不宜过高，宜采用Si含量
为0.1～0.4％。
Al：Al是传统脱氧固氮元素，可细化晶粒，考虑其可降低材料屈强比，
Al含量不宜过高。因此，本发明控制Al含量为0.002～0.04％。
Ti：Ti是强碳氮化物形成元素，显著细化奥氏体晶粒，促进先共析铁
素体析出，可弥补因C降低而引起的强度下降，降低屈强比。但若Ti含
量太高，易形成粗大的TiN，降低材料性能。因此，本发明控制Ti含量为
0.005～0.05％。
Nb：Nb是强碳氮化物形成元素，同时也可起到细晶和析出强化作用，
促进先共析铁素体析出，宜采用Nb含量≤0.02％。
P≤0.015％、S≤0.005％：P和S是钢中的有害杂质元素，含量过高会恶
化钢的韧性，因此应尽量降低钢中的P、S含量。
本发明所述的低屈强比石油套管用钢的制造方法，其包括如下步骤：
1)冶炼、铸造
按照上述化学成分进行转炉炼钢，钢水经炉外精炼后，连铸成坯；
2)热轧
连铸坯经1200～1250℃加热后热轧成板带，终轧温度800～860℃；
3)冷却+卷取
热轧后板带以5～20℃/s的冷却速度冷却至550～650℃，再卷取成板卷。
进一步，所述低屈强比石油套管用钢的微观组织为铁素体+珠光体。
本发明所述低屈强比石油套管用钢的屈服强度为379～552MPa，抗拉
强度≥655MPa，屈强比＜0.65，冲击功≥50J。
本发明还提供一种低屈强比石油套管的生产方法，其包括如下步骤：
1)冶炼、铸造
按照上述化学成分进行转炉炼钢，钢水经炉外精炼后，连铸成坯；
2)热轧
连铸坯经1200～1250℃加热后热轧成板带，终轧温度800～860℃；
3)冷却+卷取
热轧后板带以5～20℃/s的冷却速度冷却至550～650℃，再卷取成板
卷；
4)板卷对焊
送丝速度为7～13m/min，焊接速度为45～65cm/min，焊丝伸出量为
15～25mm；
5)高频电阻焊接
焊接温度为1200～1400℃，焊接功率850±30kW，焊接速度
16±3m/min；
6)热处理
焊缝在线正火热处理，正火温度为900～980℃。
进一步，所述低屈强比石油套管的微观组织为铁素体+珠光体。
所述低屈强比石油套管的屈服强度为379～552MPa，抗拉强度
≥655MPa，屈强比＜0.7，冲击功≥50J。
本发明为保证抗拉强度达到K55钢级的要求，添加较高的C和Mn
元素，但是现有技术中高C高Mn材料在热轧后水冷过程中易产生如图1
中所示的魏氏组织，明显降低材料的韧性，提高屈强比。
为解决这一技术问题，本发明将热轧过程中终轧温度降低为
800～860℃(常规油井管产品终轧温度为880～920℃)，该较低的终轧温度
可以细化铁素体和珠光体晶粒，减少水冷过程中的过冷度，促进铁素体和
珠光体组织的析出和长大，抑制了魏氏组织的形成，从而降低屈强比，提
高韧性。
同时，为保证屈服强度达到K55要求，本发明将热轧板卷的卷取温度
控制为550～650℃的范围内。在焊接工艺上，为防止高碳当量材料
(Ceq＝0.58以上)的焊缝在成型过程中发生开裂，优化了板卷对焊工艺，
且采用上述工艺后进行批量大生产未发生开裂问题。
本发明套管生产中，在高频感应焊接后采用正火热处理工艺，根据本
发明提出的成分设计确定了正火温度为900～980℃，通过焊缝正火热处理
工艺消除了焊缝组织应力，能够细化焊缝晶粒，提高组织均匀性，改善焊
缝的强度和冲击韧性。
本发明的有益效果：
1)本发明所设计的钢材料合金成本低，具有重大的经济效益。
2)本发明提供的石油套管横焊缝焊接工艺，能够适用于高碳当量材质
的焊接，具有良好的冷弯性能，在成型过程中不发生断裂。
3)本发明所述低屈强比石油套管用钢具有较低屈强比，具体为屈强比
达到0.65以下，屈服强度为379～552MPa，抗拉强度≥655MPa，冲击功≥50J；
制造出的石油套管的屈强比达到0.7以下，屈服强度为379～552MPa，抗
拉强度≥655MPa，冲击功≥50J。
附图说明
图1为现有技术中高碳高锰材料中的魏氏组织金相照片。
图2为本发明低屈强比石油套管的典型金相组织照片。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明做进一步说明。
表1为本发明实施例及比较例套管的成分，表2为本发明实施例及比
较例的制造工艺参数，表3为本发明实施例及比较例钢的性能，表4为本
发明实施例及比较例套管的性能。
本发明实施例的制造工艺如下，具体工艺参数参见表2：
本发明实施例化学成分见表1，经转炉炼钢炉外精炼后，制成连铸坯。
连铸坯经1200～1250℃加热后热轧成厚12mm的板带，终轧温度
800～860℃，轧后板带以5～20℃/s的冷却速度经层流冷却到550～650℃卷
取成板卷，板卷的力学性能参见表3。板卷间横焊缝焊接工艺为：送丝速
度为7～13m/min，焊接速度为45～65cm/min，焊丝伸出量为15～25mm。板
卷经过成型工序后进行高频电阻焊接，焊接温度为1200～1400℃，焊缝在
线正火热处理，正火温度为900～980℃。采用以上工艺制成的K55钢级套
管的力学性能参见表4。
由表3可知，实施例1-7制造得到钢卷均满足屈服强度在379～552MPa
之间，抗拉强度≥655MPa的要求，屈强比低于0.65，冲击功≥50J。
由表4可知，实施例1-7生产得到的套管均满足屈服强度在
379～552MPa之间，抗拉强度≥655MPa的要求，屈强比低于0.7，典型金相
组织如图2所示，由图2可知，该套管组织为铁素体+珠光体组织，没有
出现对性能不利的魏氏组织。因此，采用本发明所设计的化学成分和热处
理制度，可以稳定生产出满足K55性能要求的低屈强比HFW套管。
比较例1的C含量稍低，C+Mn/6小于0.58％，材料的抗拉强度达不
到要求。而比较例2的C含量则过高，C+Mn/6大于0.68％，致使材料的
韧性降低，而且碳当量过高，横焊缝焊缝冷弯试验时发生断裂。比较例3
的Mn含量稍低，C+Mn/6小于0.58％，材料的抗拉强度达不到要求，屈强
比较高。比较例4的Mn含量则过高，C+Mn/6大于0.68％，没有Ti和Nb，
使得使材料的珠光体组织含量加高，导致强度偏高，冲击韧性也偏低。比
较例5的终轧温度偏高，导致组织中出现大量魏氏组织，提高了屈强比并
降低了韧性，同时焊接工艺未在本发明要求范围内，焊缝在成型过程中发
生开裂。