[發(fā)明專利]低屈強(qiáng)比石油套管用鋼、石油套管及其制法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 200710093884.X
• 申請(qǐng)日: 2007-06-22
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN101328559A
• 公開(kāi)（公告）日: 2008-12-24
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 田青超;董曉明;郭金寶;丁維軍
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 寶山鋼鐵股份有限公司
• 主分類號(hào): C22C38/06
• 分類號(hào): C22C38/06;C22C38/14;E21B17/00;C21D9/08;C21D1/18;C21D11/00;B21B37/74;B21D5/00
• 代理公司: 上海三和萬(wàn)國(guó)知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所
• 代理人: 章鳴玉

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及低屈強(qiáng)比石油套管用鋼及低屈強(qiáng)比石油套管，具體涉及通過(guò)亞溫淬火加高溫回火生產(chǎn)低屈強(qiáng)比K55鋼級(jí)石油套管。

背景技術(shù)

K55鋼級(jí)石油套管是一種高附加值產(chǎn)品，不僅要滿足材料力學(xué)性能的要求，而且對(duì)鋼管表面質(zhì)量的要求也高。該套管用鋼的屈服強(qiáng)度須在379～552MPa之間，抗拉強(qiáng)度須大于655MPa，其特點(diǎn)是材料的屈強(qiáng)比低，其屈強(qiáng)比小于0.85。石油及天然氣開(kāi)采用套管一般而言是根據(jù)API標(biāo)準(zhǔn)組織生產(chǎn)與供貨的。API標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，K55鋼級(jí)石油套管有無(wú)縫管和焊管兩種類型。相對(duì)于無(wú)縫管而言，焊管具有生產(chǎn)效率高、尺寸精度好、規(guī)格范圍寬、成本低等顯著特點(diǎn)，因此是生產(chǎn)廠家與油田用戶的首選品種，一直受到市場(chǎng)的青睞。但是對(duì)于K55電阻焊套管(K55ERW套管)，由于生產(chǎn)難度高，目前僅有國(guó)外少數(shù)廠家可以生產(chǎn)。

考慮到構(gòu)件的安全性，追求材料的低屈強(qiáng)比一直是材料科學(xué)工作者孜孜追求的目標(biāo)之一。從材料的成分設(shè)計(jì)而言，實(shí)際上普通的碳錳鋼是實(shí)現(xiàn)低屈強(qiáng)比的理想選擇，如廣泛用于生產(chǎn)K55無(wú)縫鋼管的37Mn5鋼種，其含C約0.37％、Mn約1.5％。37Mn5軋后材料屈服強(qiáng)度在450MPa左右，抗拉強(qiáng)度在700MPa以上，可以非常好的滿足K55鋼級(jí)無(wú)縫鋼管力學(xué)性能的要求。然而，ERW套管的生產(chǎn)工藝是：煉鋼—連鑄—熱軋成板卷—板卷頭尾剪切對(duì)焊—板帶成型—在線焊接—焊縫熱處理或整管熱處理—管加工—出廠檢驗(yàn)等。板卷頭尾剪切對(duì)焊工序是實(shí)現(xiàn)多卷連續(xù)生產(chǎn)、體現(xiàn)ERW焊管生產(chǎn)效率的關(guān)鍵工序。但是由于板卷頭尾對(duì)焊要求材料的碳當(dāng)量須低，否則容易造成鋼板斷帶，嚴(yán)重影響生產(chǎn)效率。顯而易見(jiàn)，37Mn5鋼種碳當(dāng)量超過(guò)了0.6，結(jié)合焊管的生產(chǎn)工藝特點(diǎn)，這一鋼種顯然不適宜用于生產(chǎn)K55ERW套管。因此，K55ERW套管生產(chǎn)的難度之一在于，在材料設(shè)計(jì)上須保證在較低的碳當(dāng)量下獲得低的屈強(qiáng)比。

K55ERW套管生產(chǎn)的另一難點(diǎn)是板帶成型工序帶來(lái)的。通過(guò)采取降低碳含量、采用合金化以及熱軋時(shí)控制冷卻等手段，生產(chǎn)出力學(xué)性能滿足K55要求的熱軋板卷在材料設(shè)計(jì)上還是可行的。但是，由于制管時(shí)板帶成型而引入的加工硬化的作用，與板卷相比，管體屈服強(qiáng)度會(huì)有所提高，抗拉強(qiáng)度會(huì)因材料損傷而略有降低。實(shí)踐表明，成型后管體屈服強(qiáng)度較板卷升高約50-100MPa，抗拉強(qiáng)度可以下降約10-30MPa，這樣，理想的板卷屈服強(qiáng)度應(yīng)該控制在400MPa左右而抗拉強(qiáng)度應(yīng)該控制在680MPa以上，這樣要求材料的屈強(qiáng)比小于0.6。對(duì)于普碳或低合金鋼來(lái)說(shuō)很難達(dá)到這一要求。另外，即使通過(guò)控制熱軋而獲得性能滿意的K55熱軋板卷，板帶成型后，即使管體性能滿足K55性能要求，ERW焊縫以及熱影響區(qū)的力學(xué)性能合格的幾率也是微乎其微，因?yàn)楹缚p在線熱處理根本不可能和熱軋時(shí)的熱機(jī)械過(guò)程相匹配。

毫無(wú)疑問(wèn)，相變誘發(fā)塑性的trip技術(shù)可以解決這一難題。Trip鋼主要為硅錳鋁鋼，用于汽車制造行業(yè)，其屈服強(qiáng)度可以方便地控制在400MPa左右而抗拉強(qiáng)度控制在680MPa以上。如中國(guó)專利公開(kāi)說(shuō)明書(shū)CN1729307A公開(kāi)了一種合金，該合金除了硅錳鋁合金化外，還著重添加了磷，見(jiàn)表1，而這一元素是石油行業(yè)API標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的需嚴(yán)格控制的元素之一，這一專利申請(qǐng)所涉及的合金產(chǎn)品冷軋鋼板厚度約1mm左右，在760-850℃兩相區(qū)退火，以大于2℃/s的速度淬火至460-490℃保溫。主要采用Mn、Al合金化的中國(guó)專利200510023375.0(CN1644746A)公開(kāi)了碳含量小于0.2的低碳低硅冷軋相變塑性鋼(表1)。然而，一般而言，碳含量低的石油套管，其抗粘扣性能差。

更重要的是，trip鋼技術(shù)需要采用臨界區(qū)中溫淬火熱處理，得到鐵素體、貝氏體及穩(wěn)定殘余奧氏體的混合組織，這樣形變時(shí)才能相變誘發(fā)塑性。這樣一來(lái)，采用trip鋼技術(shù)生產(chǎn)石油套管存在兩個(gè)問(wèn)題。其一，因?yàn)槭吞坠鼙诤窨筛哌_(dá)20mm，從800℃左右的臨界區(qū)淬火到400℃左右的貝氏體溫度區(qū)間很難獲得整管分布均勻的組織，力學(xué)性能難以控制穩(wěn)定；其二，即使獲得理想的鐵素體、貝氏體及穩(wěn)定殘余奧氏體的混合組織，但是，在套管使用過(guò)程中，殘余的奧氏體必然會(huì)因形變而轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體。低合金鋼石油套管訂貨與使用的技術(shù)要求一般不允許鋼管中存在馬氏體。