一种高强度ERW焊接套管用钢、套管及其生产方法

摘要

本发明提供一种高强度ERW焊接套管用钢，其化学成分的重量百分比为：C：0.18～0.30；Si：0.15～0.50；Mn：0.9～1.5；Ti：0.016～0.03；V：0.06～0.25；Cr：0.35～0.6；B：0.0032～0.004；Al：0.002～0.04；Ca：0.007～0.01；Zr：0～0.05，Nb：0.021～0.03，其余为Fe和不可避免杂质。本发明还提供利用上述钢制成的焊接套管及其生产方法。本发明所生产的钢制成的热轧板卷在不同的冷速下均可获得强化的铁素体组织，因而其屈服强度对冷却速度不敏感，保证了焊接套管的可制造性。

权利要求

1.一种高强度ERW焊接套管用钢，其特征在于，其化学成分的重量百分比为：C：

0.18～0.30；Si：0.15 ～0.50；Mn：0.9～ 1.5；Ti：0.016～ 0.03；V：0.06～0.25；Cr：

0.35～0.6；；B：0.0032～0.004；Al：0.002～0.04；Ca：0.007～0.01；Zr：0～0.05，Nb：

0.021～0.03，其余为Fe和不可避免杂质。

2.根据权利要求1所述的高强度ERW焊接套管用钢，其特征在于，所述钢的碳当量为Ceq＜0.5。

3.一种高强度ERW焊接套管，所述焊接套管采用如权利要求1所述的钢生产，其特征在于，所述焊接套管的化学成分的重量百分比为：C：0.18～0.30；Si：0.15～0.50；Mn：

0.9～1.5；Ti：0.016～0.03；V：0.06～0.25；Cr：0.35～0.6；B：0.0032～0.004；Al：

0.002～0.04；Ca：0.007～0.01；Zr：0～0.05，Nb：0.021～0.03，其余为Fe和不可避免杂质。

4.根据权利要求3所述的高强度ERW焊接套管，其特征在于，所述焊接套管的碳当量为Ceq＜0.5。

5.根据权利要求3所述的高强度ERW焊接套管，其特征在于，所述套管达到N80钢级。

6.一种如权利要求3所述高强度焊接套管的生产方法，包括冶炼、制坯、热轧、层流冷却、卷取、剪切对焊、板带成型、焊接成型和焊缝热处理步骤，其特征在于，板坯的初轧温度为1200-1300℃，板带终轧温度为850-950℃，层流冷却的速度为1～30℃/s，冷却到500～

660℃卷取成板卷；焊缝热处理温度为950±50℃。

说明书

一种高强度ERW焊接套管用钢、套管及其生产方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种石油套管用钢，具体涉及一种高强度热轧钢板、用该钢板制成的ERW套管及其生产方法。

背景技术

[0002] 石油及天然气开采用套管一般而言是根据API标准组织生产与供货的。API标准规定，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，因此是生产厂家与油田用户的首选品种，一直受
到市场的青睐。N80钢级ERW套管是一种高强度钢管，API标准规定，其屈服强度Rt0.5须在
552-758MPa之间，抗拉强度Rtm须大于689MPa。ERW套管的生产工艺是：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。板卷头尾剪切对焊工序是实现多卷连续生产、体现ERW焊管生产效率的关键工
序。但是由于板卷头尾对焊要求材料的碳当量须低，否则容易造成钢板断带，严重影响生产
效率。

[0003] 从生产工艺来看，焊管产品可以经过两种途径来实现目标的高强度性能要求。一种是通过焊后整管热处理，比如通过调质处理可以方便地获得80钢级的套管产品。这种生
产方式由于焊缝和管体同时经历了相变，有利于提高焊缝的同质化程度。但整管调质也具
有明显的缺点，其一，在设备上要求生产厂家具有整管热处理的配套设备。如果生产厂家没
有相关装备，则不能生产高强度套管；其二，由于淬火导致套管不圆度的增大，使得焊接套
管丧失其“天生”的高抗挤特性；其三，由于经过整管热处理，套管的生产成本明显提高。另
一种实现高强度性能要求的方法是首先获得性能合乎要求的高强度的热轧钢板，焊接后仅
对焊缝进行热处理，使得焊缝达到所要求的强度。这种焊缝热处理方式没有整管热处理方
式所具有的不利因素。

[0004] 高强度ERW套管生产的要点之一是板带成型工序。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，对于N80钢级高强度套管来说，理想的板卷屈服强度应该控制在
552-700MPa而抗拉强度应该控制在710MPa以上。

[0005] 生产高强度的热轧钢板一般采取控制冷却工艺。从生产角度而言，是在终轧后通过水帘冷却至一定的温度后卷取来实现的。水帘冷却是将终轧后温度仍在850℃以上的钢
板快速冷 却至低温卷取来达到高效生产的目的。然而大生产中会遇到很多不确定的因素。
如不同产线的冷却能力不同，使得相同钢种热轧钢板的力学性能存在很大的差异；再如即
使在相同的冷却条件下同一钢种由于所生产钢板的厚度不同，钢板的力学性能也会存在明
显的差异；再如由于季节变化对水温和钢板自冷却能力的影响，可能导致夏天和冬天生产
的钢板在力学性能上存在巨大差异。实践证明，由于各种因素的综合作用，控冷过程中钢板
的冷却速度可能的变化范围是1-30℃/s。从控制冷却的材料学意义而言，水帘冷却的目的
是抑制或避免奥氏体分解，如将高温钢板在15s内从奥氏体区冷却至400℃-650℃中温区
卷取，而对于一些钢种来说这一温度区间恰是贝氏体转变区间。卷取过程和堆放期间具有
一定的保温和均温的作用，贝氏体转变刚好在这一温度区间进行。在实验室里可以方便的
实现这一过程。控冷过程中1-30℃/s的冷速变化范围是巨大的，其临界温度分别对应着相
当于空冷和水淬的冷却速度。而不同的冷却速度必然生成不同的微观组织。因此，生产上为
了实现钢板高强度而带来的可制造性受影响的问题一直是人们关注的对象和研发的焦点。

[0006] 专利文献JP56035749A提供了生产ERW套管的一种方法，该套管成分中不含Ti、Nb、V、Cr等强化元素，虽然可以实现高强度的要求，但Si含量高达1％，焊接时焊缝容易
形成灰斑，严重影响焊缝质量，并且碳当量高达0.8无法实现剪切对焊，见表1。专利文献
JP09029460A、JP54097523A、JP56069354A、JP59047364A提供的钢材成分中均添加了Cu，虽
然可能实现生产高强度套管的要求，但是由于Cu在室温基本不溶于铁素体而以ε-Cu或面
心立方α-Cu的形式析出，并可使钢的强化效果对于冷却速度的敏感性很大；而专利文献
JP57131346A、JP58093855A、JP59096244A提供的钢材成分中都含有昂贵的Ni元素，合金成
本较高，另外JP57131346A、JP58093855A提供的钢材成分中Si含量也较高，难以获得优良
的焊缝性能。表1列出了本发明与现有技术的成分对比。表1所列的日本产品含有昂贵的
Mo元素，所生产的套管成本太高。

[0007] 一般而言，低合金钢的室温组织有铁素体、珠光体、贝氏体、马氏体、碳化物等，这几种组织的强度依次升高。对于低合金钢来说，空冷的微观组织为铁素体和珠光体，更高的
冷却速度则对应着非平衡的贝氏体或马氏体组织。对于油套管，一般供货技术条件上规定
不允许存在马氏体。要使钢中不存在马氏体，从成分设计或工艺控制上还是容易实现的，现
场生产上存在的问题往往是冷却能力的不足致使控冷过程中奥氏体发生分解，最终使得钢
板的微观组织和力学性能无法满足设计的要求。

[0008] 本发明着眼于提高热轧钢板力学性能的稳定性而允许微观组织上存在差异，设计出一种在实际生产的极限冷速范围内力学性能对冷却速度不敏感的钢种。因此，本发明的
目的在于提供一种高强度ERW焊接套管用钢，在保证高强度的同时也确保了钢板的可制造
性。同时， 本发明也提供一种利用上述高强度钢制造的ERW套管，以满足生产中对套管强
度和焊接性能的要求。此外，本发明的目的还在于提供一种生产上述ERW套管的方法，该方
法工艺简单，便于操作。

发明内容

[0009] 本发明的目的是这样实现的：

[0010] 本发明提供了一种高强度ERW焊接套管用钢，其化学成分的重量百分比为：C：0.18～0.30；Si：0.15～0.50；Mn：0.9～1.5；Ti：0～0.03；V：0.06～0.25；Cr：0～0.6；
B：0～0.004；Al：0.002～0.04；Ca：0～0.01；Zr：0～0.05，其余为Fe和不可避免杂质。

[0011] 在本发明的一个优选实施方案中，化学成分中含Nb的重量百分比为0～0.03。

[0012] 本发明主要合金成分设计机理如下：

[0013] C(碳)：随C含量的增高，焊接性能降低，按重量百分比，C含量不宜大于0.3，但是C含量太低将有损材料的强度，抗粘扣性能差，按重量百分比，宜采用含碳量0.18-0.30。

[0014] Si(硅)：脱氧元素，固溶于铁素体以提高钢的屈服强度，但同时要损失塑性和韧性，是焊接时产生焊接灰斑的主要原因。按重量百分比，宜采用硅含量为0.15～0.5。

[0015] Mn(锰)：主要溶于铁素体起强化作用，用来提高铁素体的强度，但含量太高时偏析严重，局部会产生马氏体，按重量百分比，宜采用Mn含量为0.9-1.5。

[0016] Ti(钛)：强碳氮化物形成元素，形成TiN、TiC在均热和再加热过程中均可以细化奥氏体晶粒，提高焊缝的力学性能；若含量太高，易形成粗大的TiN，达不到添加的目的。按
重量百分比，宜采用含量0-0.03。

[0017] V(钒)：钒的碳氮化物在铁素体中析出，具有稳定铁素体推迟贝氏体相变的作用，可以在控制冷却的过程中提高材料的强度，降低强度对冷却速度的敏感性，同时提高焊缝
的力学性能，按重量百分比，宜采用含量0.06-0.25。

[0018] Cr(铬)：强碳化物形成元素，钢板在冷却时析出碳化物提高钢的强度，有效提高淬透性元素，含量过高致使性能对速度的敏感性提高，按重量百分比，宜采用含量0-0.6。

[0019] Nb(铌)：强碳氮化物形成元素，热轧时可以推迟奥氏体再结晶而达到细化晶粒在再加热过程中，可以阻碍奥氏体晶粒长大，提高材料强度，按重量百分比，宜采用含量
0-0.03。

[0020] B(硼)：偏聚于奥氏体晶界以抑制先共析铁素体的析出，使得碳化物在低温区均匀弥散析出。含量过高会形成粗大的BN，降低B的作用。按重量百分比，宜采用含量
0-0.004。

[0021] Al(铝)：传统脱氧元素，可以提高钢的耐腐蚀性能，还可以通过形成AlN细化奥氏体晶粒，提高材料强度，按重量百分比，宜采用含量0.002-0.04。

[0022] Ca(钙)：净化钢液，使夹杂物变性以控制硫化物分布形态，达到获得细小球形、弥散均布的硫化物的目的，按重量百分比，宜采用含量0-0.01。

[0023] Zr(锆)：强碳氮化物形成元素，可以有效的净化钢液，提高焊缝的力学性能，按重量百分比，宜采用含量0-0.05。

[0024] 根据本发明所述的高强度ERW焊接套管用钢，其中较好地是，钢的碳当量为Ceq＜0.5。设计成份碳当量Ceq＜0.5，可以满足剪切对焊的要求。

[0025] 本发明进一步提供一种采用上述钢生产的高强度ERW焊接套管，所述焊接套管的化学成分的重量百分比为：C：0.18～0.30；Si：0.15～0.50；Mn：0.9～1.5；Ti：0～0.03；
V：0.06～0.25；Cr：0～0.6；B：0～0.004；Al：0.002～0.04；Ca：0～0.01；Zr：0～0.05，
其余为Fe和不可避免杂质。

[0026] 根据本发明的一个优选实施方案，化学成分中含Nb的重量百分比为0～0.03。

[0027] 根据本发明的一个优选实施方案，高强度ERW焊接套管的碳当量为Ceq＜0.5。

[0028] 根据本发明的一个优选实施方案，高强度ERW焊接套管达到N80钢级。

[0029] 本发明还提供了一种上述高强度焊接套管的生产方法，包括冶炼、制坯、热轧、层流冷却、卷取、剪切对焊、板带成型、焊接成型和焊缝热处理步骤，板坯的初轧温度为
1200-1300℃，板带终轧温度为850-950℃，层流冷却的速度为1～30℃/s，冷却到500～
660℃卷取成板卷；焊缝热处理温度为950±50℃。

[0030] 综上，本发明的技术原理是在材料设计上采用适当的碳含量，保持适当的Mn含量，添加微合金元素V、Ti、B、Cr等来弥补因碳含量降低而导致的强度不足的问题，最终获
得碳当量适中的N80ERW套管。

[0031] 经上述处理后，所获得套管的组织结构有如下特征：在较快的冷却速度下，过冷奥氏体不发生分解，而在卷取过程中分解为铁素体和大量的均匀弥散分布的细小的碳化物以
及部分贝氏体(图1)；在较慢的空冷的状态下，过冷奥氏体在卷取之前以及卷取过程中均
发生分解，组织为铁素体和珠光体和以及碳化物。无论快速还是较慢的冷却速度，共同的特
征是铁素体基体上都均匀分布着纳米碳化钒颗粒(图2)，这种纳米级的析出相能有效地弥
补因铁素体的生成而导致的强度下降。由于在不同冷速下均可获得强化的铁素体组织，从
而保证屈服强度对冷却速度具有不敏感性。

[0032] 采用本发明提出的碳当量适中的成分设计方案以及板卷成型后仅需焊缝热处理的工艺，在大生产的工艺条件下就可以稳定生产出高强度热轧钢板以及API标准的N80套
管。

[0033] 本发明与现有技术相比具有如下优点：本发明的合金成分中碳当量适中，充分利用合金元素的特点，从而在大生产过程中存在的极限冷速的波动范围内，钢板的力学性能
不会呈现显著的差异。而且，本发明设计的钢板中合金含量低，且不含Mo、Ni等昂贵的合金
元素， 仅对焊缝进行热处理，大大节省了生产成本，具有重大的经济和社会效益。

附图说明

[0034] 图1为石油套管微观组织图。

[0035] 图2为石油套管铁素体中析出的VC纳米相颗粒。

具体实施方式

[0036] 实施例1

[0037] 在本实施例中，焊接套管用钢及套管的化学成分质量百分比为：C：0.26；Si：0.42；Mn：1.19；Ti：0.016；V：0.19；Al：0.007；Ca：0.007；余量为Fe和不可避免的杂质。

[0038] 将经转炉冶炼的钢水浇铸成板坯，板坯经1200～1250℃加热后热轧成板带，终轧温度在900℃，轧后板带经空冷卷取成板卷，冷却速度为1℃/s，或经层流冷却到610℃卷取
成板卷，冷却速度为18℃/s。经板卷剪切对焊、板卷成型、ERW制管后，对焊缝进热处理，加
热温度为950℃±50℃，即获得力学性能满足N80钢级的ERW套管。

[0039] 经检测，本实施例套管力学性能结果如下：空冷和层流冷却的Rt0.5分别为598MPa、614MPa；Rtm分别为775MPa、757MPa。

[0040] 实施例2

[0041] 本实施例中焊接套管用钢及套管的化学成分质量百分比为：C：0.29；Si：0.30；Mn：1.01；Nb：0.021；Al：0.035；余量为Fe和不可避免的杂质。

[0042] 终轧温度在880℃。轧后板带经空冷卷取成板卷，冷却速度为1℃/s，或经层流冷却到610℃卷取成板卷，冷却速度依次为6℃/s和30℃/s。其它同实施例1。

[0043] 经检测，本实施例套管力学性能结果如下：空冷和两次层流冷却的Rt0.5分别为612MPa、653MPa、680MPa；Rtm分别为794MPa、840MPa、820MPa。

[0044] 实施例3

[0045] 本实施例焊接套管用钢及套管的化学成分质量百分比为：C：0.25；Si：0.33；Mn：1.22；V：0.15；Cr：0.52；B：0.0032；Al：0.02；余量为Fe和不可避免的杂质。

[0046] 板坯经1250～1300℃加热后热轧成板带，终轧温度在870℃。轧后板带经空冷卷取成板卷，冷却速度为1℃/s，或经层流冷却到570℃卷取成板卷，冷却速度依次为10℃/s
和15℃/s。其它同实施例1。

[0047] 经检测，本实施例套管力学性能结果如下：空冷和两次层流冷却的Rt0.5分别为668MPa、 659MPa、672MPa；Rtm别为842MPa、879MPa、885MPa。

[0048] 实施例4

[0049] 本实施例中焊接套管用钢及套管的化学成分质量百分比为：C：0.20；Si：0.35；Mn：1.21；V：0.16；Cr：0.35；Al：0.025；余量为Fe和不可避免的杂质。

[0050] 板坯经1200～1250℃加热后热轧成板带，终轧温度在880℃。轧后板带经空冷卷取成板卷，冷却速度为1℃/s，或经层流冷却到590℃卷取成板卷，冷却速度为20℃/s。其
它同实施例1。

[0051] 经检测，本实施例套管力学性能结果如下：空冷和层流冷却的Rt0.5分别为599MPa、637MPa；Rtm分别为881MPa、854MPa。

[0052] 实施例5

[0053] 焊接套管用钢及套管的化学成分质量百分比为：C：0.27；Si：0.31；Mn：1.43；V：0.07；Ti：0.02；Cr：0.45；Al：0.04；余量为Fe和不可避免的杂质。

[0054] 板坯经1250～1300℃加热后热轧成板带，终轧温度在860℃。轧后板带经空冷卷取成板卷，冷却速度为1℃/s，或经层流冷却到570℃卷取成板卷，冷却速度为15℃/s。其
它同实施例1。

[0055] 经检测，本实施例套管力学性能结果如下：空冷和层流冷却的Rt0.5分别为557MPa、565MPa；Rtm分别为725MPa、749MPa。

[0056] 比较例1

[0057] 焊接套管用钢及套管的化学成分质量百分比为：C：0.27；Si：0.20；Mn：1.2；V：0.20；Ti：0.01；Cr：1.0；Al：0.01；余量为Fe和不可避免的杂质。

[0058] 将经转炉冶炼的钢水浇铸成板坯，板坯经1200～1250℃加热后热轧成板带，终轧温度在880℃，轧后板带经空冷卷取成板卷，冷却速度为1℃/s，或经层流冷却到570℃卷取
成板卷，冷却速度为20℃/s。经板卷剪切对焊、板卷成型、ERW制管后，对焊缝进行热处理，
加热温度为950℃±50℃。

[0059] 经检测，本比较例套管力学性能结果如下：空冷和层流冷却的Rt0.5分别为597MPa、807MPa；Rtm分别为859MPa、922MPa。在层流冷却条件下，力学性能超过N80钢级的ERW套管
的要求。

[0060] 比较例2

[0061] 本比较例焊接套管用钢及套管的化学成分质量百分比为：C：0.30；Si：0.35；Mn：1.22；V：0.05；Al：0.03；余量为Fe和不可避免的杂质。

[0062] 板坯经1250～1300℃加热后热轧成板带，终轧温度在880℃。轧后板带经空冷卷取成板卷， 冷却速度为1℃/s，或经层流冷却到570℃卷取成板卷，冷却速度为20℃/s。其
它同比较例1。

[0063] 经检测，本比较例套管力学性能结果如下：空冷和层流冷却的Rt0.5分别为472MPa、551MPa；Rtm分别为642MPa、701MPa。力学性能无法满足N80钢级的ERW套管的要求。

[0064] 各实施例和比较例力学性能见表2。经最小二乘法拟合，屈服强度和冷却速度的关系列于表2。可以看出，实施例1-4的屈服强度与冷却速度关系的系数均小于3，以冷却速
度波动30℃/s计算，强度的波动小于100MPa，这一数值在生产上是可以稳定控制的。经剪
切对焊、板卷成型、ERW制管后，经焊缝热处理等工艺步骤生产ERW高强度套管。

[0065] 由上述实施例和比较例可以看出，实施例1～5中套管的强度均满足屈服强度(Rt0.5)在552～758MPa之间、抗拉强度(Rtm)≥689MPa的高强度的要求，比较例1的Cr含
量较高，使得材料淬透性提高，材料强度和冷却速度存在明显的依赖关系；比较例2的V含
量较低，不能有效的弥补因冷速降低致使铁素体析出而引发的强度的下降。可见，采用本发
明所设计的化学成分和工艺制度，可以稳定生产出满足N80钢级性能要求的ERW套管。

[0066] 表1国内外类似产品的成分与本发明成分的比较(wt，％)

[0067]eR oM -100.0 50.0 0.1≤ -2.0 3.0
iN 6.0-50.0 0.1-1.0 0.1≤ 0.1-1.0 0.1-1.0
rZ aC lA 10.0-0 -200.0 50.0-0 400
B iT V bN 51.0-10.0 1.0-500.0 1.0-500.0 50.0-300.0 0.1≤ 0.1≤ 0.1≤ 5.0-20.0 5.0-20.0 2.0-10.0 5.0-20.0 2.0-10.0 40.0-510.0 70.0-50.0 400.0-0 30.0-0 30.0-0 52.0-60.0
uC 51.0-30.0 8.0-50.0 6.0-1.0 5.0-1.0 0.1≤ 1-1.0 1-1.0
rC 0.1≤ 0.1-2.0 0.1-2.0 6.0-0
nM iS 8.1-5.0 0.1-10.0 5.1-1.0 0.1-1.0 0.1-1.0 53.0＜ 8.1-3.0 0.1≤ 5.1≤ 51.0≤ 0.2-3.0 0.1＜ 0.3-1.0 0.1≤ 0.3-1.0 低量尽 6.1-4.1 3.0-51.0 5.1-9.0 5.0-51.0
C 5.0-51.0 3.0-10.0 3.0＜ 5.0≤ 2.0≤ 0.1-1.0 53.0-1.0 53.0-30.0 62.-22.0 3.0-81.0
A94753065PJ A06492090PJ A32579045PJ A45396065PJ A46374095PJ A64313175PJ A55839085PJ A44269095PJ 品产本日 分成明发本
1 2 3 4 5 6 7 8 9

[0068] 表2实施例与比较例的力学性能

[0069]终轧温度 /℃ 卷取温度 /℃ Rt0.5/MPa Rtm/ 实际冷速℃/ 屈服强度与冷速的关系 Ys＝
MPa s A+Bv
A B
实施例1 900 空冷 598 775 1 597 0.94
900 610 614 757 18
实施例2 880 空冷 612 794 1 624 1.96
880 610 653 840 6
880 610 680 820 30
实施例3 870 空冷 668 842 1 665 0.13
870 570 659 879 10
870 570 672 885 15
实施例4 880 空冷 599 881 1 597 2.0
880 590 637 854 20
实施例5 860 空冷 557 725 1 556 0.57
860 570 565 749 15
比较例1 880 空冷 597 859 1 586 11.05
880 570 807 922 20
比较例2 880 空冷 472 642 1 468 4.16
880 570 551 701 20