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具有高強度和高韌性的石油套管及其制造方法

文檔序號:3185004閱讀:201來源:國知局
專利名稱:具有高強度和高韌性的石油套管及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明屬于冶金工業(yè)的無縫鋼管制造技術(shù),特別涉及一種具有高強度 和高韌性的石油套管及其制造方法。
技術(shù)背景隨著石油價格的高騰和勘探技術(shù)的發(fā)展,開采的油層深度不斷由淺入 深,油氣井內(nèi)的壓力和溫度也不斷提高,地質(zhì)環(huán)境也變得越來越惡劣,使 油氣井下的石油套管所承受的應(yīng)力狀態(tài)更為復(fù)雜和嚴(yán)酷、這樣的鉆采條件 對石油套管的強度及韌性要求很苛刻, 一旦石油套管選擇不當(dāng),就會出現(xiàn) 壓潰和泄露等事故,導(dǎo)致整口井的減產(chǎn),甚至報廢。同時,在目前生產(chǎn)技 術(shù)水平下,鋼材存在微小缺欠或損傷是難以避免的,關(guān)鍵是要在提高石油 套管強度的同時,改善其斷裂韌性,使材料的缺欠或損傷在承載后不致擴 展而導(dǎo)致破裂。目前,制約石油套管機械性能的主要問題是在高強度和強韌性匹配。 一般鋼的強度與韌性表現(xiàn)為互為消長的關(guān)系,強度高的鋼常常韌性就低, 反之,為追求高韌性,就必須犧牲鋼的強度。制約具有高強度和高韌性石 油套管制造的主要技術(shù)難點有鋼材化學(xué)成份、高純凈鋼冶煉、超細晶粒 鋼的軋制、熱處理工藝和矯直方法以及套管幾何尺寸精度差等。這些問題 制約了具有高強韌性石油套管的發(fā)展。隨著石油工業(yè)鉆采難度的進一步加大,高強度高韌性套管的需求加大,所以急需生產(chǎn)研發(fā)性能遠高于API5CT標(biāo) 準(zhǔn)Q125鋼級的強度等級達到150KSI的高韌性套管??傊?,高強韌性石油套管的機械性能不僅與采用的材料成分有關(guān),也 與其制造方法密切相關(guān)。研究高強韌性石油套管及其制造技術(shù),是目前各無縫鋼管企業(yè)仍在進行中的課題。 發(fā)明內(nèi)容為解決上述技術(shù)中存在的問題,本發(fā)明的目的是提供一種具有高強度 和高韌性的石油套管及其制造方法,滿足油田深井或超深井開采條件的需要。通過該方法制造的石油套管能達到V150鋼級。為實現(xiàn)上述目的,本發(fā)明的技術(shù)解決方案是提供一種具有高強度和高韌 性石油套管,套管鋼種組成元素的重量配比為C: 0. 22 0.4%、Si: 0. 17 0.35%、 Mn: 0. 45 0. 60%、 Cr: 0. 95 1. 10%、 Mo: 0. 70 0. 80%、 Al: 0. 015 0. 040%、Ni<0. 20%、Cu<0. 20%、 V: 0. 070 0. 100%、Ca〉0. 0015 %、 P<0. 010%、 S<0. 003%,其余為鐵。軋制具有高強度和高韌性石油套管的制造方法,其步驟包括有-①配料冶煉按上述鋼種組成元素重量成分為C: 0.22 0.4%、_ Si: 0. 17 0. 35 %、Mn: 0. 45 0. 60%、 Cr: 0. 95 1. 10%、 Mo: 0. 70 0.80%、 Al: 0. 015 0.040。%、 Ni<0. 20%、 Cu<0. 20%、 V: 0. 070 0. 100%、 Ca> 0.0015%、 P<0. 010%、 S<0. 003%,其余為鐵。② 連鑄連軋高純凈鋼水連鑄成圓坯,將冷卻后的連鑄坯在環(huán)形加熱爐內(nèi)加熱,爐溫 為1300 1320。C,熱定心溫度1250 1240°C,熱穿孔溫度1230 1220°C, 連軋溫度1100 1050°C,定徑溫度890 91(TC,冷卻,鋸切。③ 管加工采用淬火后再回火的熱處理工藝,淬火溫度為920'C土1(TC,淬火介質(zhì) 為水,回火溫度在63(TC士1(TC,采用空冷;石油套管熱處理后,需經(jīng)行定 徑和矯直處理,定徑機溫度在630 610T:之間,熱矯直溫度在50(TC 52(TC 之間,最后探傷;所述石油套管的力學(xué)性能達到的指標(biāo)如下屈服強度1034 1172 MPa 抗拉強度》1120 MPa沖擊韌性縱向全尺寸夏比沖擊功(0'C)^80J 橫向全尺寸夏比沖擊功((TC)》80J 延伸率》16% 。本發(fā)明的有益效果是使用該工藝方法具體表現(xiàn)在1)采用合金含量較 高的鋼種,機械性能好,成本較低;2)穿孔和軋制工藝制定的合理,最大 限度地提高了套管的機械性能;3)熱處理工藝和熱矯直溫度選擇合理,細 化了組織的晶粒度,最大限度地降低了套管的殘余應(yīng)力;4)制訂了嚴(yán)格的 幾何精度控制范圍,在成本合理的情況下,提高了套管的性能。本發(fā)明的 套管在機械性能指標(biāo)方面,遠超出API標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)有最高鋼級要求。
具體實施方式
結(jié)合實施例對本發(fā)明的具有高強度和高韌性的石油套管及其制造方法 加以說明。本發(fā)明的具有高強度和高韌性石油套管,套管鋼種組成元素的重量配 比為C: 0. 22 0. 4%、 Si: 0. 17 0. 35%、 Mn: 0. 45 0. 60%、 Cr: 0. 95 1.10%、 Mo: 0. 70 0. 80%、 Al: 0. 015 0. 040% 、 Ni<0. 20%、 Cu<0. 20 %、 V: 0. 070 0. 100%、 Ca〉0.0015%、 P<0. 010%、 S<0. 003%,其余 為鐵。軋制具有高強度和高韌性石油套管的制造方法,其步驟包括有 ①配料冶煉按上述鋼種組成元素重量成分為C: 0. 22 0.4%、 Si: 0. 17 0. 35 %、 Mn: 0. 45 0. 60%、 Cr: 0. 95 1. 10%、 Mo: 0. 70 0. 80%、 Al: 0. 015 0.040%、 Ni<0. 20%、 Cu<0. 20%、 V: 0. 070 0. 100%、 Ca> 0.0015%、P<0. 010%、 S<0. 003%,其余為鐵。 ②連鑄連軋高純凈鋼水連鑄成圓坯,管坯橫截面積與鋼管截面積比小于10: 1,將冷卻后的連鑄坯在環(huán)形加熱爐內(nèi)加熱,爐溫為1300 1320°C,熱定心溫度 1250 1240°C,熱穿孔溫度1230 1220°C,連軋溫度1100 1050°C,定徑 溫度890 91(TC,冷卻,鋸切。 ③管加工采用淬火后再回火的熱處理工藝,淬火溫度為92(TC士1(TC,淬火介質(zhì) 為水,回火溫度在63(TC士1(TC,采用空冷。石油套管熱處理后,需經(jīng)行定 徑和矯直處理,定徑機溫度在630 61(TC之間,熱矯直溫度在500°C 520°C 之間,最后探傷。所述石油套管的力學(xué)性能達到的指標(biāo)如下屈服強度1034 1172 MPa抗拉強度》1120 MPa沖擊韌性縱向全尺寸夏比沖擊功((TC)》80J橫向全尺寸夏比沖擊功(0'C)^80J . 延伸率》16% 。本發(fā)明的套管的鋼種是這樣實現(xiàn)的 (1)配料冶煉采用海棉鐵和廢鋼做煉鋼原料,用電弧爐(EFA)熔化成鋼水,經(jīng)爐外 精煉(LF)和真空(VD)脫氣方法,控制鋼中雜質(zhì)的含量,提高鋼的純凈 度,獲得石油套管的重量成分為C: 0.22 0.4%、 Si: 0. 17 0.35%、 Mn: 0. 45 0. 60%、 Cr: 0. 95 1. 10%、 Mo: 0. 70 0. 80%、 Al: 0. 015 0.040%、 Ni<0. 20Q%、 Cu<0. 20%、 V: 0. 070 0. 100%、 Ca> 0.0015%、 P<0. 010%、 S<0. 003%,其余為鐵。下面分別介紹各個合金元素的含量與作用 C: 0.22 0.4%, C為碳化物形成元素,可以提高鋼的強度,太低時 效果不明顯,太高時會大大降低鋼的韌性。Si: 0. 17 0.35%,硅提高鋼中固溶體的強度和高溫抗抗氧化及耐酸性,但降低鋼的韌性和塑性。Mn: 0.45 0.60%, Mn為奧氏體形成元素,可以提高鋼的淬透性,增 加鋼中的殘余奧氏體量,影響熱軋組織的均勻性,Mn還可以和S形成硫化錳 夾雜物,影響材料性能。Cr: 0.95 1.10。%,鉻可提高鋼的機械性能、抗腐蝕性以及提高淬透 性,但其能使鋼的回火脆性增加。V: 0.070 0. 100%,能夠細化晶粒,形成碳化物,提高鋼的強度和韌 性。但含量達到一定量時,其效果增加便不明顯了,同時因為價格很高, 所以要限制使用量。Mo: 0.70 0.80%,主要是通過碳化物及固溶強化形式來提高鋼的強 度,含量過高會降低鋼的韌性。Al: 0.015 0.040%,鋁能細化晶粒,提高鋼的抗氧化性能和對硫化 氫的抗腐蝕性,降低鋼的脆性轉(zhuǎn)變溫度。當(dāng)鋁量過多時,將促進鋼的石墨 化傾向,降低高溫強度和韌性。Ni<0.20,鎳提高鋼的強韌性,改善鋼的抗腐蝕能力,降低鋼的脆性 轉(zhuǎn)變溫度。Cu<0.20,銅在合金鋼中可以提高鋼的強度和耐大氣腐蝕性,加入量 過多會使鋼變脆, 一般不宜超過0.2%。Ca> 0.0015。%,鈣在煉鋼中是良好的脫氧元素,它還具有夾雜物變性 能力,在鋼水充分脫氧的條件下,會與硫和氧化鋁等形成球形復(fù)合夾雜物, 減少鋼的各相異性,提高材料橫向性能。S<0.003,鋼中有害元素易于Mn等元素形成夾雜物,由于該類型夾雜 物較軟,在軋制過程中容易按加工方向延伸變形,割裂材料機體,導(dǎo)致材 料不連續(xù),加大材料的各向異性。因此在高強度鋼材中硫的含量需要嚴(yán)格 控制。(2) 連鑄連軋高純凈鋼水連鑄成圓坯,將冷卻后的連鑄坯在環(huán)形加熱爐內(nèi)加熱,爐 溫為1300 1320°C,熱定心溫度1250 1240°C,熱穿孔溫度1230 1220°C, 連軋溫度1100 1050°C,定徑溫度890 910'C,冷卻,鋸切。(3) 管加工采用淬火后再回火的熱處理工藝,淬火溫度為92(TC士1(TC,淬火介質(zhì) 為水,回火溫度在63(TC士1(TC,采用空冷。石油套管熱處理后,需經(jīng)行定 徑和矯直處理,定徑機溫度在630 61(TC之間,熱矯直溫度在500°C 520°C 之間,最后探傷。采用該方法生產(chǎn)的具有高強度和高韌性石油套管,其屈服強度1034 1172MPa,抗拉強度^1120MPa,延伸率》16%,沖擊功》80J。 下面分別介紹各制造工藝的作用環(huán)形爐將加熱爐依次分成預(yù)熱段、加熱段、均熱段,各段再分為若干控制區(qū), 例如預(yù)熱段一個控制區(qū),加熱段四個控制區(qū),均熱段一個控制區(qū),最后一 個出料區(qū)。各控制區(qū)按不同的溫度進行控制,實現(xiàn)對管坯的合理加熱,達 到要求的加熱質(zhì)量,以提高溫度控制精度。管坯加熱溫度1290 1280°C,允許溫差±5°C 穿孔工藝-采用二輥錐形穿孔機,減小高合金鋼的穿孔剪切應(yīng)變,防止毛管表面 產(chǎn)生裂紋、折迭、離層等缺陷。取穿孔的延伸率為2.5 3.6、徑壁比18 25、擴徑率在30%以下,穿孔機的出口速度在l.lm/s以下,要求連鑄圓管 坯的直徑公差《±1.4%、橢圓度公差《2.5%,保證毛管的幾何尺寸和形狀 精度。穿孔溫度1230 122(TC,管坯與毛管的橫截面積之比為1.5 1.8。 連軋工藝連軋工藝目的在于將穿孔工序移送來的毛管進行減徑、延伸并相應(yīng)減 壁,同時改善荒管內(nèi)、外表面光潔度,提高壁厚均勻度。連軋時,毛管內(nèi)表面在孔型頂部處與芯棒接觸,而在側(cè)壁處則不與芯棒 接觸??仔晚敳康慕饘伲捎谑苘堓伒耐鈮毫托景舻膲毫ψ饔枚由?, 并在軸向延伸的同時產(chǎn)生圓周方向的寬展,而孔型側(cè)壁的金屬在孔型頂部 金屬延伸時也被拉伸,并相應(yīng)在縱向產(chǎn)生拉縮。此時,由于孔型頂部金屬 的寬展和孔型側(cè)壁金屬拉縮數(shù)量的比例不匹配,將會出現(xiàn)內(nèi)棱、軋折、折 迭、外結(jié)疤、拉凹等缺陷。同時,控制連軋各道工序的壓下率,使成品管 的有效橫截面積與管坯的有效橫截面積之比在5.0 10 .O之間,以保證石油套管的縱橫向沖擊功趨于一致。連軋的出口速度在1.319m/s、出口速度3.5m/s,毛管與荒管的橫截面 積之比為2. 7。連軋溫度1100 1050。C。定徑工藝定徑過程是一個空心體連軋的過程,除了起定徑的作用外,還要求有較大的減徑率,工作機架數(shù)為24架。首先用20MPa的高壓水除鱗裝置去除 來自連軋機組的荒管在軋制過程產(chǎn)生的氧化鐵皮,然后在定徑機中軋制。定徑軋制溫度為890 910'C,出口速度為2.4m/s,有效橫截面積之比 為1. 12。(3)管加工采用淬火后再回火的熱處理工藝,淬火溫度為92(TC士1(TC,淬火介質(zhì) 為水,回火溫度在63(TC士1(TC,采用空冷。石油套管熱處理后,需經(jīng)行定徑和矯直處理,定徑機溫度在630 610'C之間,熱矯直溫度在500°C 520°C 之間,最后探傷。 淬火工藝將石油套管加熱至91(TC 93(TC,保溫30分鐘,充分形成奧氏體,淬火介質(zhì)為水。提高鋼的強度和硬度。回火工藝回火溫度在62(TC 64(TC,保溫2小時,采用空冷。細化晶粒,使組 織均勻化,消除內(nèi)應(yīng)力。定徑工藝選擇合理的定徑參數(shù),減小定徑所產(chǎn)生的殘余應(yīng)力,提高石油套管的尺 寸和圓度精度,改善石油套管的力學(xué)性能。定徑溫度在630 61(TC之間,鋼管的定徑出口速度為2.4m/s。矯直工藝選擇最佳的矯直壓下系數(shù),減小矯直加工所產(chǎn)生的殘余應(yīng)力,提高石 油套管的圓度和直線度,改善石油套管的性能。熱矯直溫度在500'C 52(TC之間。所述石油套管的力學(xué)性能達到的指標(biāo)如下屈服強度1034 1172 MPa 抗拉強度》1120 MPa沖擊韌性縱向全尺寸夏比沖擊功(0'C)》80J 橫向全尺寸夏比沖擊功((TC)》80J延伸率》16%套管整體性能(以4>244. 48X15. 11為例) 管體抗擠毀強度》79.8 MPa 滑脫強度》2750KN 管體內(nèi)屈服強度》111.9 MPa殘余應(yīng)力《200 MPa 石油套管的幾何尺寸直徑范圍245. 00mrn 246. 90腿 不圓度《1. lmm 壁厚-8. 0%t 8. 0%t 直度管端1.5mm/m,管體1. 5%。 實施例按上述成份和方法生產(chǎn)出石油套管V150 (由244.48X15. 11mm),其 化學(xué)成分及制造工藝參數(shù)如下石油套管的重量成分為C: 0.23%、 Si: 0.27%、 Mn: 0.50%、 Cr: 1.00%、 Mo: 0.73%、 Al: 0.030%、 Ni: 0.05%、 Cu: 0:070%、 V: 0,080 %、 Ca: 0.0016%、 P: 0.008%、 S: 0.001%,其余為鐵。采用海棉鐵和廢鋼做煉鋼原料,用電弧爐熔化成鋼水,經(jīng)爐外精煉和 真空脫氣后,獲得如上所述化學(xué)成分,連鑄成圓坯;將冷卻后的連鑄坯在 環(huán)形加熱爐內(nèi)加熱,爐溫為131(TC,熱定心為125(TC,熱穿孔為1225。C, 連軋溫度為1080°C,定徑為900。C,冷卻,鋸切;熱處.理在92(TC淬火(水 淬),在630。C回火在620。C熱定徑,在51(TC熱矯直,最后探傷。所述套管的力學(xué)性能達到的指標(biāo)如下屈服強度1106 MPa抗拉強度1176 Mpa沖擊韌性縱向全尺寸夏比沖擊功((TC): 121 J 橫向全尺寸夏比沖擊功((TC): 114 J延伸率17%套管整體性能(以4)244.48X15. ll為例) 管體抗擠毀強度93. 1 MPa滑脫強度3208 KN管體內(nèi)屈服強度130.6 MPa殘余應(yīng)力173.71 MPa石油套管的幾何尺寸直徑范圍245. 90mm 246. 20mm不圓度《0. 6mm壁厚_ 4. 5%t 7. 0%t直度管端1. 2 mm/m,管體1. 1 Q%。
權(quán)利要求
1. 一種具有高強度和高韌性石油套管,套管鋼種組成元素的重量配比為C0.22~0.4%、Si0.17~0.35%、Mn0.45~0.60%、Cr0.95~1.10%、Mo0.70~0.80%、Al0.015~0.040%、Ni<0.20%、Cu<0.20%、V0.070~0.100%、Ca>0.0015%、P<0.010%、S<0.003%,其余為鐵。
2、軋制具有高強度和高韌性石油套管的制造方法,其步驟包括有 ①配料冶煉 -按上述鋼種組成元素重量成分為C: 0. 22 0. 4%、 Si: 0. 17 0. 35 %、 Mn: 0. 45 0. 60%、 Cr: 0. 95 1. 10%、 Mo: 0. 70 0. 80%、 Al: 0. 015 0.040%、 Ni<0,20%、 Cu<0. 20%、 V: 0. 070 0. 100%、 Ca> 0.0015%、 P<0. 010%、 S<0. 003%,其余為鐵;② 連鑄連軋高純凈鋼水連鑄成圓坯,將冷卻后的連鑄坯在環(huán)形加熱爐內(nèi)加熱,爐溫 為1300 1320°C,熱定心溫度1250 1240°C,熱穿孔溫度1230 1220°C , 連軋溫度1100 1050°C,定徑溫度890 910'C,冷卻,鋸切;為減小軋制比過大造成材料各相異性的增加,導(dǎo)致橫向沖擊性能的下降,軋比控制在〈10: 1,即管坯橫截面積于鋼管橫截面積比小于10: 1;③ 管加工采用淬火后再回火的熱處理工藝,淬火溫度為92(TC士1(TC,淬火介質(zhì) 為水,回火溫度在63(TC士1(TC,采用空冷;石油套管熱處理后,需經(jīng)行定 徑和矯直處理,定徑機溫度在630 610'C之間,熱矯直溫度在500°C 520°C 之間,最后探傷;所述石油套管的力學(xué)性能達到的指標(biāo)如下屈服強度1034 1172 MPa抗拉強度》1120 MPa沖擊韌性縱向全尺寸夏比沖擊功^80J橫向全尺寸夏比沖擊功^80J延伸率》16% 。
全文摘要
本發(fā)明提供一種具有高強度和高韌性石油套管的鋼種,組成元素配比為C0.22~0.4%、Si0.17~0.35%、Mn0.45~0.60%、Cr0.95~1.10%、Mo0.70~0.80%、Al0.015~0.040%、Ni<0.20%、Cu<0.20%、V0.070~0.100%、Ca>0.0015%、P<0.010%、S<0.003%,其余為鐵。還提供軋制該石油套管的方法,其步驟包括有①配料冶煉;②連鑄連軋;③管加工。本發(fā)明的效果是使用該方法體現(xiàn)采用合金含量較高的鋼種,機械性能好,成本較低;穿孔和軋制工藝制定的合理,最大限度地提高了套管的機械性能;熱處理工藝和熱矯直溫度選擇合理,細化了組織的晶粒度,大幅度降低了套管的殘余應(yīng)力;制訂了嚴(yán)格的幾何精度控制范圍,在成本合理的情況下,提高了套管的性能。
文檔編號B21B1/46GK101250671SQ20081005252
公開日2008年8月27日 申請日期2008年3月26日 優(yōu)先權(quán)日2008年3月26日
發(fā)明者嚴(yán)澤生, 付繼成, 劉江成, 周家祥, 宗衛(wèi)兵, 張傳友, 李連進, 王振祥, 王青峰, 賀爽城, 陳建偉 申請人:天津鋼管集團股份有限公司
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