本發(fā)明屬于高強度低合金鋼領(lǐng)域，涉及到ERW(ERW，ElectricResistanceWeld，電阻焊)套管，特別涉及APISPEC5CT中的一種N80Q石油套管及其制造方法。
背景技術(shù)：
：石油套管是油田最常用的石油專用管材之一，用量大，花錢多，是油氣田鉆采作業(yè)中必不可少的施工材料。相對于無縫管而言，ERW套管具有壁厚均勻、尺寸精度高、射孔性能好、抗擠毀能力強、成本低等顯著優(yōu)勢，ERW套管受到生產(chǎn)廠家和油田用戶的歡迎。國外發(fā)達國家一半以上石油套管都被ERW套管所取代。研發(fā)出具有高附加值、不同級別直縫焊油層套管，提高市場競爭力，對節(jié)約采油成本，提高我國的石油開采水平有著深遠的意義。APISpec5CT規(guī)定：N80Q級別鋼管的縱向屈服強度在552-785MPa之間，抗拉強度≥689MPa，伸長率≥19％；0℃時橫向夏比沖擊功≥24J。由于該鋼級套管強度較高，抗拉強度達690MPa，如果熱軋態(tài)的鋼帶達到該強度，一般需要添加一定量貴重合金來提高強度，增加合金成本，且鋼管的母材和焊縫組織性能難于達到一致；同時，如果直接采用該強度的熱軋鋼帶制管，由于該強度達到了部分ERW機組制管能力極限，鋼管的成型難度大，鋼管的尺寸精度和圓 度難以保證。因此，通常采用熱軋態(tài)強度較低的J55熱軋鋼帶進行ERW焊接制管，然后進行整管熱處理，使鋼管的最終性能達到N80Q級別水平。而且焊縫和管體進行相同的熱處理工藝，得到的最終組織相同，有效減輕焊縫與管體的組織、性能差異，消除殘余應(yīng)力，提高鋼管整體的質(zhì)量。在本發(fā)明之前，已有一些有關(guān)N80Q鋼級ERW石油套管的文獻或發(fā)明專利，以下簡單介紹與本發(fā)明較為提要接近的文獻和專利：1)中國專利CN101376943A，80ksi鋼級直縫焊石油套管用鋼、套管及制造方法。成分中含C：0.15％-0.35％，Mn：0.8％-1.5％，Mo：0.1％-0.5％，制管后進行整管調(diào)質(zhì)熱處理。該專利添加Mo，雖然對提高淬透性和抑制高溫回火脆性有利，但也增加了合金成本；同時該專利熱軋的再加熱溫度高達1200～1300℃，未添加Ti對抑制再加熱過程中奧氏體晶粒長大不利。2)中國專利CN101643883A，N80、P110、L80鋼級直縫焊石油套管用鋼及套管制造。成分中C：0.10％-0.24％，Mn：1.4％-1.6％，Cr：0.3％-0.6％，Nb：0.12％-0.14％，V：0.08％-0.12％，制管后進行整管調(diào)質(zhì)熱處理。該專利實施例中的N80Q添加了非常高的Nb、V、Ti，雖然對細化晶粒和提高強度有利，但合金成本較高，且權(quán)利要求中Ti含量最高達0.22％(范圍0.10％-0.22％)，實施例中為0.16％，對韌性不利。3)日本專利JP58093821A，油井用電阻焊鋼管的制造方法。成分中C：0.23％-0.26％，Mn：1.8％-2.0％，Cr：0.30％-0.35％，V： 0.03％-0.10％，制管后整管進行正火或調(diào)質(zhì)熱處理。該專利中含有貴重元素V，Cr含量高，合金成本高。4)論文“熱處理對N80級ERW套管鋼組織與性能的影響”，成分中C：0.13％，Mn：1.49％，Si：0.26％，Mo：0.25％，Cr：0.66％，Ni：0.25％，Nb：0.041％，S：0.04％，Ti：0.023％，P：0.01％。該論文中添加貴重合金元素Mo、Ni、Nb和大量Cr，合金成本高。5)論文“N80級ERW石油套管用鋼連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變行為的研究”，成分中C：0.200％-0.212％，Mn：1.000％-1.070％，Si：0.18％-0.25％，Nb+Mo+Cr：0.242％-0.580％，Ti+Al：0.015％-0.050％。該論文中添加貴重合金元素Mo、Nb，合金成本高。6)論文“N80ERW套管調(diào)質(zhì)前后焊縫組織演變的EBSD研究”，成分中C：0.25％，Mn：1.20％，P：<0.015％，S<0.005。該論文中Mn含量略低，強度容易偏下限；不添加Ti元素，加熱晶粒易于長大；同時未添加其他抑制高溫回火脆性元素也未提及回火后快冷，無法有效控制高溫回火脆性的產(chǎn)生。以上公開的專利或文獻中，為了提高淬透性和抑制高溫回火脆性的產(chǎn)生，都添加較多貴重合金Mo、Nb、V，有的還添加了Ni、Cu等合金，使其產(chǎn)品的成本高。技術(shù)實現(xiàn)要素：本發(fā)明針對目前直縫電阻焊石油套管N80Q生產(chǎn)中存在的C含量偏高，焊接性和沖擊韌性差；添加較多貴重合金Mo、Ni、Cu、Nb、V導(dǎo)致合金成本高的技術(shù)問題，提供一種N80Q級電阻焊石油套管及 其制造方法，特別是采用中碳、中錳含Cr設(shè)計，添加微量Ti和以鋁脫氧，結(jié)合高溫回火后水冷，有效避免了高溫回火脆性的產(chǎn)生，產(chǎn)品具備良好焊接性和沖擊性，同時節(jié)省了合金，降低了產(chǎn)品的制造成本，本發(fā)明其熱軋態(tài)鋼帶性能為J55鋼級，整管調(diào)質(zhì)后性能為N80Q鋼級。本發(fā)明一種N80Q級直縫電阻焊(ERW)石油套管化學(xué)成分(重量，％)配比如下：C：0.16％-0.22％，Si：0.15％-0.30％，Mn：1.20％-1.60％，P：≤0.020％，S：≤0.008％，Ti：0.01％-0.04％，Cr：0.18％-0.36％，Als：0.02％-0.06％，N：≤0.008％，其余為Fe和不可避免元素。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本方案僅采用中碳中錳含Cr設(shè)計，鋼帶滿足焊接性和沖擊性要求；無貴重合金元素，合金成本低；熱軋態(tài)板卷性能較低，組織為鐵素體-珠光體組織，后續(xù)制管成型容易；整管調(diào)質(zhì)熱處理，最終組織為回火索氏體，性能為N80Q級別，保證了管體和焊縫性能的一致性。C：為碳化物形成元素，是保證強度的最有效元素，可以提高淬透性，保證高溫回火時材料強度。碳含量對最終奧氏體、馬氏體的碳含量與體積分?jǐn)?shù)有著重要的影響。由于本發(fā)明熱軋的冷卻速度較慢，所以只有保證有足夠的碳，才會形成足夠的富碳殘余奧氏體并能夠穩(wěn)定至室溫。因此，碳含量不宜過低，但碳含量過大時，會影響焊接性和沖擊韌性，其最佳范圍是0.16％-0.22％。Si：保證鋼的強韌性、淬透性和脫氧的作用。同時可以起到固溶強化作用，但其含量過高會使鋼的塑性和韌性降低，其最佳范圍是 0.15％-0.30％。Mn：錳具有固溶強化作用，還能增加奧氏體穩(wěn)定性，對提高淬透性也有利，有效保證鋼的強度。同時還具有擴大奧氏體相區(qū)、降低Ar3點溫度、細化鐵素體晶粒改善低溫韌性作用。錳可降低馬氏體轉(zhuǎn)變溫度Ms，增加殘余奧氏體的含量。但錳含量過大，容易造成連鑄困難，還易于C、P、S發(fā)生偏析現(xiàn)象，加重連鑄坯中心偏析與疏松，且還會形成粗大的MnS粒子，惡化沖擊韌性，產(chǎn)生微裂紋，造成探傷不合。其最佳范圍是1.20％-1.60％。P：磷是鋼中有害元素，增加鋼的冷脆性，使焊接性能變壞，降低塑性，使冷彎性能變壞，應(yīng)控制其含量≤0.020％。S：硫是鋼中有害元素，使鋼產(chǎn)生熱脆性，降低鋼的延展性和韌性，惡化焊接性能，為保證鋼水的高純凈度，應(yīng)控制其含量≤0.008％。Ti：鈦是強的固氮元素，加入0.015％左右Ti時，可在板坯連鑄時形成高溫穩(wěn)定細小的TiN析出相，這種細小的TiN析出相可有效阻止連鑄坯在加熱過程中奧氏體晶粒的長大，具有細化奧氏體晶粒的作用，有利于改善鋼的高溫回火脆性，同時對改善鋼焊接時熱影響區(qū)的韌性有明顯作用；但鈦含量過高則造成合金成本高，同時鋼帶的熱軋態(tài)性能不穩(wěn)定。合適的范圍是0.010％-0.040％。Cr：鉻可通過固溶強化和細晶強化來提高強度。Cr可以和Mn一樣固溶到固溶體中，起到提高強度的作用。Cr元素溶入奧氏體后增大過冷奧氏體的穩(wěn)定性，使C曲線右移，提高鋼的淬透性。鋼材具有高的強度、硬度。同時，Cr是中等碳化物形成元素，在所有各種 碳化物中，鉻碳化物是最細小的一種，它可均勻地分布在鋼體積中，并且阻礙奧氏體晶界的移動和奧氏體晶粒的長大，起到細化晶粒的作用，從而改善鋼的回火脆性；鉻還具有降低鋼在高溫二氧化碳環(huán)境中的腐蝕速度的作用，減慢套管在油井腐蝕速率，提高使用壽命；但鉻含量過高會顯著提高鋼的脆性轉(zhuǎn)變溫度，降低伸長率，容易形成粗大的碳化物，反而導(dǎo)致韌性的劣化。合適的范圍是0.18％-0.36％。Als：鋁是常用的脫氧劑，在鋼中加入少量的鋁，可細化晶粒，提高沖擊韌性，并且有利于改善鋼的高溫回火脆性，合適的范圍是0.02％-0.05％。N：固溶氮有釘扎位錯的強烈作用，對韌性有不良影響，應(yīng)控制其含量≤0.008％本發(fā)明的一種N80Q鋼級直縫電阻焊石油套管及其制造方法，包括鐵水預(yù)處理、鋼水冶煉、爐外精煉和板坯連鑄、連鑄坯加熱、軋制、冷卻、卷取、ERW制管和整管熱處理。其特征是：1)冶煉連鑄工藝：鐵水預(yù)處理，轉(zhuǎn)爐冶煉－經(jīng)頂吹或頂?shù)讖?fù)合吹煉，爐外精煉、LF爐輕脫硫處理及進行鈣處理以控制夾雜物形態(tài)和提高鋼的延展性、韌性和冷彎性能，板坯連鑄制成連鑄板坯－連鑄采用電磁攪拌或動態(tài)輕壓下、以提高連鑄板坯的質(zhì)量。2)軋制工藝：連鑄板坯經(jīng)加熱爐加熱至1150-1250℃，隨后經(jīng)熱連軋機組軋制，終軋溫度730-850℃，軋后鋼帶以8-12℃/s的速度進行冷卻，在580-650℃溫度進行鋼帶卷取。3)熱軋態(tài)鋼帶組織為鐵素體-珠光體，性能為J55級別。4)鋼帶經(jīng)過ERW機組進行高頻/中頻電阻焊制成鋼管。5)整管調(diào)質(zhì)熱處理工藝：經(jīng)ERW制管后，整管加熱到880-920℃，保溫30-50min，水淬；再把整管加熱到530-590℃回火，保溫60-80min，水冷回火，采用這種回火方式可以有效抑制高溫回火脆性。6)調(diào)質(zhì)后整管的屈服強度為585-698MPa，抗拉強度為720-773MPa，-10℃橫向夏比沖擊功(3個試樣均值)Akv＞60J。本發(fā)明技術(shù)方案的特別之處在于：1)僅采用中碳中錳含Cr設(shè)計，無貴重合金元素，合金成本低；2)采用添加微量Ti和以鋁脫氧，結(jié)合高溫回火后水冷，有效避免了高溫回火脆性的產(chǎn)生，同時降低了合金成本；3)熱軋態(tài)板卷組織為鐵素體-珠光體，性能較低，后續(xù)制管成型容易；4)整管進行調(diào)質(zhì)熱處理，性能為N80Q級別，保證了管體和焊縫性能的一致性。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具備以下技術(shù)效果：1)用中碳中錳含鉻設(shè)計，焊接性、沖擊韌性良好；2)整管進行調(diào)質(zhì)熱處理，保證了管體和焊縫性能的一致性；3)添加Ti合金結(jié)合快冷回火，有效降低高溫回火脆性傾向。具體實施方式本發(fā)明的一種N80Q級直縫電阻焊(ERW)石油套管化學(xué)成分(重量，％)配比如下：C：0.16％-0.22％，Si：0.15％-0.30％，Mn：1.20％-1.60％，P：≤0.020％，S：≤0.008％，Ti：0.01％-0.04％，Cr：0.18％-0.36％，Als：0.02％-0.06％，N：≤0.008％，其余為Fe和不可 避免元素。本發(fā)明的一種N80Q鋼級直縫電阻焊石油套管的制造方法，包括鐵水預(yù)處理、鋼水冶煉、爐外精煉和板坯連鑄、連鑄坯加熱、軋制、冷卻、卷取、ERW制管和整管熱處理。其特征是：1)冶煉連鑄工藝：鐵水預(yù)處理，轉(zhuǎn)爐冶煉－經(jīng)頂吹或頂?shù)讖?fù)合吹煉，爐外精煉、LF爐輕脫硫處理及進行鈣處理以控制夾雜物形態(tài)和提高鋼的延展性、韌性和冷彎性能，板坯連鑄制成連鑄板坯－連鑄采用電磁攪拌或動態(tài)輕壓下、以提高連鑄板坯的質(zhì)量。2)軋制工藝：連鑄板坯經(jīng)加熱爐加熱至1150-1250℃，隨后經(jīng)熱連軋機組軋制，終軋溫度730-850℃，軋后鋼帶以8-12℃/s的速度進行冷卻，在580-650℃溫度進行鋼帶卷取。3)熱軋態(tài)鋼帶組織為鐵素體-珠光體，性能為J55級別。4)鋼帶經(jīng)過ERW機組進行高頻/中頻電阻焊制成鋼管。5)整管調(diào)質(zhì)熱處理工藝：經(jīng)ERW制管后，整管加熱到880-920℃，保溫30-50min，水淬；再把整管加熱到530-590℃回火，保溫60-80min，水冷回火，采用這種快速冷卻回火后可以有效抑制高溫回火脆性。6)調(diào)質(zhì)后整管的屈服強度為585-698MPa，抗拉強度為720-773MPa，-10℃橫向夏比沖擊功(3個試樣均值)Akv＞60J。下面列舉本發(fā)明的幾個最佳實施例，詳細說明本發(fā)明的技術(shù)效果。試驗鋼化學(xué)成分見表1，加熱、軋制冷卻工藝見表2，熱處理工藝見表3，調(diào)質(zhì)態(tài)力學(xué)性能見表4。表1化學(xué)成分(wt，％)實施例CSiMnPSCrTiAlsN10.200.171.440.0080.0020.270.0170.0200.002520.180.211.400.0100.0060.250.0330.0320.002730.190.271.570.0140.0030.190.0180.0310.002140.210.211.220.0050.0030.200.0160.0240.003450.220.211.340.0050.0030.340.0150.0210.003260.160.271.600.0070.0040.330.0240.0500.0021表2加熱、軋制工藝和熱軋態(tài)力學(xué)性能表3調(diào)質(zhì)工藝表4調(diào)質(zhì)態(tài)力學(xué)性能由表4可見，采用本發(fā)明的成分設(shè)計和軋制、整管熱處理工藝，生產(chǎn)出的調(diào)質(zhì)態(tài)直縫電阻焊石油套管，滿足APISPEC5CT標(biāo)準(zhǔn)對N80Q級鋼管的要求。當(dāng)前第1頁1 2 3