一种N80级含Nb贝氏体油套管用钢及其管材制造方法

摘要

本发明提供了一种N80级含Nb贝氏体油套管用钢，以重量百分比计，其组成为：C：0.04～0.06%，Mn：2.10～2.35%，Si：0.60～0.80%，S：≤0.03%，P：≤0.03%，Ti：≤0.020%，Nb：0.035～0.060%，其余为铁和不可避免杂质；同时本发明还提供了这种N80级含Nb贝氏体油套管用钢管材的制造方法。本发明提供的一种N80级含Nb贝氏体油套管用钢及其管材制造方法，主要解决了现有N80级油套管用钢生产工艺复杂、成本较高、韧性低、焊接性能及耐腐蚀性能低等技术问题。

权利要求

1.一种制造N80级含Nb贝氏体油套管用钢管材的方法，其特征在于，包括如下工艺步骤：

1）按C：0.04～0.041%，Mn：2.10～2.35%，Si：0.60～ 0.80%，S：≤ 0.0018%，P：≤0.03%，Ti：≤0.020%，Nb：0.035～0.060%，其余为铁和不可避免杂质的成分组成配比备料；进行转炉或电炉冶炼、炉外精炼、铸造制得管坯；

2）管坯在环形加热炉内加热，管坯加热温度：1245～1275℃；

3）加热后的管坯经穿孔机穿孔，管坯穿孔后温度：1200～1220℃；

4）连轧机组轧制，连轧机组轧制的开始温度：1150～1180℃；

5）定径机定径，定径机组的开始温度：850～900℃；

6）快速冷却系统强制冷却，强制冷却温度：400～450℃，冷却速度：10～100℃/s；

7）矫直机矫直；

8）空冷后缓冷,所述缓冷开始温度为300～350℃,缓冷保温时间为48h。

说明书

一种N80级含Nb贝氏体油套管用钢及其管材制造方法

技术领域

[0001] 本发明涉及石油管制造技术领域，具体涉及一种N80级含Nb贝氏体油套管用钢及其管材制造方法。

背景技术

[0002] 随着石油工业的发展，对油套管用钢的性能要求不断提高。N80级油套管用钢使用量大，其研究受到广泛重视。

[0003] 目前普遍使用的N80级油套管用钢多采用调质处理，工艺复杂，成本较高，供货周期长。采用非调质钢生产油井管，可简化生产工艺、大幅度降低生产成本和供货周期。在现已公开的技术中其合金成分中的C元素含量均较高，部分需加入Mo、Ni等贵金属元素提高淬透性，部分需淬火-回火的调质热处理工艺，因而其成本较高、工艺复杂、供货周期长，韧性、焊接及耐腐蚀性能偏低。

发明内容

[0004] 本发明的目的是提供一种N80级含Nb贝氏体油套管用钢及其管材制造方法，主要解决现有N80级油套管用钢生产工艺复杂、成本较高、韧性低、焊接性能及耐腐蚀性能低等技术问题。

[0005] 为解决上述技术问题，本发明提供了一种N80级含Nb贝氏体油套管用钢，以重量百分比计，其组成为：C：0.04～0.06％，Mn：2.10～2.35％，Si：0.60～0.80％，S：≤0.03％，P：≤0.03％，Ti：≤0.020％，Nb：0.035～0.060％，其余为铁和不可避免杂质。

[0006] 本发明提供的一种N80级含Nb贝氏体油套管用钢成分设计思想是以超低C、高含量Mn，通过加入微量Nb、Ti等微合金元素，结合TMCP工艺，获得超细粒状贝氏体+板条马氏体为主的组织，以保证油套管钢具有优良的力学性能。其主要组成成分的作用如下：

[0007] 碳：在充分奥氏体化情况下，随着奥氏体碳含量增加，C曲线逐渐右移，过冷奥氏体的稳定性增加。一般而言，随碳含量升高，钢的强度升高，但焊接性能和塑韧性下降。对于本发明的N80级含Nb贝氏体油套管用钢采用0.04～0.06％的碳含量设计。

[0008] 锰：是油套管用钢中补偿因C含量降低而引起强度损失的最主要且最经济的强化元素。Mn是扩大γ相区的元素，可降低钢的γ→α相变温度，有助于获得细小的相变产物，可提高钢的韧性、降低韧脆转变温度。对本发明的N80级含Nb贝氏体油套管用钢的Mn含量设计在2.10～2.35％范围。

[0009] 钛：是强的N化物形成元素，在奥氏体化温度均热时，细小的TiN析出相可有效地抑制奥氏体晶粒长大，细化原奥氏体晶粒，此外TiN析出相对改善焊接热影响区的冲击韧性有明显作用。微量Ti即可实现上述作用，因此本发明选取的Ti含量≤0.020％。

[0010] 铌：是强的C、N化物形成元素，形成的Nb(C，N)粒子的析出强化和晶粒细化作用十分明显。此外，通过热轧过程Nb(C，N)应变诱导析出阻碍形变奥氏体的回复、再结晶，经过控制轧制和控制冷却使非再结晶区轧制的形变奥氏体组织在相变时转变为细小的相变产物，使钢具有高强度和高韧性。本发明选取Nb含量为0.035～0.060％。

[0011] 本发明提供的一种N80级含Nb贝氏体油套管用钢，采用超细粒状贝氏体+板条马氏体组织，化学成分碳含量低、微合金化，冲击韧性高，焊接性能好，耐腐蚀性能好。无需调质热处理工艺。热轧工艺采用了控轧控冷的热机械处理技术，通过合理的成分和工艺进行最终产品的组织和质量控制。

[0012] 本发明还提供了一种N80级含Nb贝氏体油套管用钢管材的制造方法，包括如下工艺步骤：

[0013] 1)按重量百分比为C：0.04～0.06％，Mn：2.10～2.35％，Si：0.60～0.80％，S：≤0.03％，P：≤0.03％，Ti：≤0.020％，Nb：0.035～0.060％，其余为铁和不可避免杂质的配比备料、进行转炉或电炉冶炼、炉外精炼、铸造制得管坯；

[0014] 2)管坯在环形加热炉内加热，管坯加热温度：1245～1275℃；

[0015] 3)加热后的管坯经穿孔机穿孔，管坯穿孔后温度：1200～1220℃；

[0016] 4)连轧机组轧制，连轧机组轧制的开始温度：1150～1180℃；

[0017] 5)定径机定径，定径机组的开始温度：850～900℃；

[0018] 6)快速冷却系统强制冷却，强制冷却温度：400～450℃，冷却速度：10～100℃/s；

[0019] 7)矫直机热矫直；

[0020] 8)空冷后缓冷。

[0021] 进一步地，步骤8)所述的缓冷工艺的缓冷开始温度：300～350℃；缓冷的保温时间：48h。

[0022] 本发明提供的一种N80级含Nb贝氏体油套管用钢管材的制造方法通过在终冷后对管材进行缓冷，可以起到以下效果：

[0023] 1、消除残余应力；

[0024] 2、使M-A岛产生自回火，从而提高钢的屈服强度和冲击韧性。

[0025] 3、通过缓冷工艺代替了回火热处理工艺。节省能源与成本。

附图说明

[0026] 图1为本发明实施例1的热轧缓冷后钢管的金相组织图。

[0027] 图2为本发明实施例2的热轧缓冷后钢管的金相组织图。

[0028] 图3为本发明实施例3的热轧缓冷后钢管的金相组织图。

具体实施方式

[0029] 实施例1

[0030] 本发明提供的一种N80级含Nb贝氏体油套管用钢管材的制造方法，其化学成分(质量百分比)为：0.059C，2.23Mn，0.8Si，0.0088P，0.0019S，0.060Nb，0.019Ti，其余成分为Fe。

[0031] 上述成分钢坯经环形加热炉加热至1270℃；管坯穿孔后温度为1210℃；控制连轧机组轧制的开始温度为1180℃；控制定径机组后的开始温度为850℃；定径后喷水强制冷却至450℃，空冷至320℃后堆垛保温缓冷48h。

[0032] 经上述方法处理的钢的力学性能为屈服强度658MPa、抗拉强度835MPa、延伸率22.0％、-20℃冲击功(Akv)161J。其性能指标完全满足API标准对N80级油套管用钢的要求。该实例金相组织为超细粒状贝氏体+板条马氏体，参照图1。

[0033] 实施例2

[0034] 本发明提供的一种N80级含Nb贝氏体油套管用钢管材的制造方法，其化学成分(质量百分比)为：0.058C，2.29Mn，0.66Si，0.0092P，0.0014S，0.048Nb，0.020Ti，其余成分为Fe。

[0035] 上述成分钢坯经环形加热炉加热至1250℃；管坯穿孔后温度为1200℃；控制连轧机组轧制的开始温度为1150℃；控制定径机组后的开始温度为850℃；定径后喷水强制冷却至430℃，空冷至350℃后堆垛保温缓冷48h。

[0036] 经上述方法处理的钢的力学性能为屈服强度635MPa、抗拉强度823MPa、延伸率23.3％、-20℃冲击功(Akv)177J。其性能指标完全满足API标准对N80级油套管用钢的要求。该实例金相组织为超细粒状贝氏体+板条马氏体，参照图2。

[0037] 实施例3

[0038] 本发明提供的一种N80级含Nb贝氏体油套管用钢管材的制造方法，其化学成分(质量百分比)为：0.041C，2.25Mn，0.60Si，0.0081P，0.0018S，0.036Nb，0.018Ti，其余成分为Fe。

[0039] 上述成分钢坯经环形加热炉加热至1275℃；管坯穿孔后温度为1220℃；控制连轧机组轧制的开始温度为1175℃；控制定径机组后的开始温度为900℃；定径后喷水强制冷却至440℃，空冷至350℃后堆垛保温缓冷48h。

[0040] 经上述方法处理的钢的力学性能为屈服强度615MPa、抗拉强度822MPa、延伸率23.5％、-20℃冲击功(Akv)173J。其性能指标完全满足API标准对N80级油套管用钢的要求。该实例金相组织为超细粒状贝氏体+板条马氏体，参照图3。

[0041] 与以往的油套管钢成分相比，本发明在合金配方上具有较低的C含量(0.04～0.06％)、一定的Si含量(0.6～0.8％)和微量的Ti(≤0.020)、不加入Mo、Ni、Cu、V等元素，成分设计简单、成本较低；适当的Mn(2.10～2.35％)和Nb含量(0.035～0.060％)，充分利用了Nb元素的沉淀强化作用和Mn元素的相变强化和固溶强化作用；以上成分配合控轧控冷工艺，不仅提高了产品的综合性能，而且能够采取灵活的热轧生产工艺，提高生产率。此外，拥有较低C含量所生产的产品在具有较高的强度的同时、保持了良好的低温韧性和焊接性能，并有一定的耐腐蚀性能，使油套管钢具有良好的止裂能力。生产出的钢具有超细粒状贝氏体+板条马氏体组织，完全满足API SPEC 5CT对N80油套管用钢性能的要求，并可降低生产制造成本和增加了生产可制造性。

[0042] 按照上述技术方案生产出的油套管用钢的性能达到以下要求：

[0043] (1)、拉伸性能，目标：Rt0.5＝592～798MPa，Rm≥739MPa。

[0044] (2)、V型缺口夏比冲击性能，目标：试验温度-20℃，10mm×10mm×55mm试样的冲击功单个值≥70J，平均值≥100J；

[0045] (3)、金相组织，组织以超细粒状贝氏体+板条马氏体组织为主。

[0046] 表1显示了本发明钢与现有专利文献中述及的钢在化学成分上的不同。

[0047] 表1本发明钢与现有技术化学成分的比较

[0048]

[0049]

[0050] 与专利文献1、2及3相比，本发明的成分中C含量显著降低，采用以C、Mn、Si、元素为主，加入少量的Nb、Ti等合金元素，不加入Ni、Cr、Cu、V等合金元素，简化了炼钢工序，降低了成本。

[0051] 最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。