一种超高强度超高韧性石油套管及其TMCP制造方法

摘要

一种超高强度超高韧性石油套管及其TMCP制造方法，该石油套管的化学成分质量百分比为：C：0.1～0.22％，Si：0.1～0.4％，Mn：0.3～1％，Mo：0.2～0.6％，Nb：0.02～0.04％，V：0.05～0.15％，Ti：0.02～0.05％，B：0.0015～0.005％，Al：0.01～0.05％，N≤0.008％，P≤0.015％，S≤0.003％，其余为Fe和不可避免的杂质，且同时满足：0

权利要求

1.一种超高强度超高韧性石油套管，其化学成分质量百分比为：C：0.1～0.22％，Si：

0.1～0.4％，Mn：0.3～1％，Mo：0.2～0.6％，Nb：0.02～0.04％，V：0.05～0.15％，Ti：0.02～

0.05％，B：0.0015～0.005％，Al：0.01～0.05％，N≤0.008％，P≤0.015％，S≤0.003％，其余为Fe和不可避免的杂质，且上述元素同时需满足如下关系：0<(Ti-3.4N)≤0.02％，10≤Ti/B≤20；

并通过以下方法获得，包括：

1)冶炼、连铸

按照上述化学成分进行冶炼、连铸成圆坯，其中，连铸过程中控制钢水过热度≤30℃，连铸拉速为1.6～2.0m/min；

2)穿孔

圆坯在1200～1240℃下均热，均热后穿孔，穿孔温度为1180～1240℃；

3)轧制、定径

终轧温度为900～950℃，终轧后进行定径，定径温度为850～900℃；

4)冷却

水冷，冷却速度为10～20℃/s，冷却至室温；

5)热处理

淬火热处理：淬火温度为850～880℃，保温30～60min；

回火热处理：回火温度为500～550℃，保温时间50～80min；

最后，450～500℃下热定径。

2.根据权利要求1所述的超高强度超高韧性石油套管，其特征在于，所述超高强度超高韧性石油套管的微观组织为回火索氏体。

3.根据权利要求1所述的超高强度超高韧性石油套管，其特征在于，所述超高强度超高韧性石油套管的屈服强度为965～1173MPa，抗拉强度≥1034MPa，延伸率≥20％，0℃横向夏比冲击功≥120J，韧脆转变温度≤-70℃。

4.如权利要求1-3任一项所述的超高强度超高韧性石油套管的TMCP制造方法，其包括如下步骤：

1)冶炼、连铸

按照权利要求1所述的化学成分进行冶炼、连铸成圆坯，其中，连铸过程中控制钢水过热度≤30℃，连铸拉速为1.6～2.0m/min；

2)穿孔

圆坯在1200～1240℃下均热，均热后穿孔，穿孔温度为1180～1240℃；

3)轧制、定径

终轧温度为900～950℃，终轧后进行定径，定径温度为850～900℃；

4)冷却

水冷，冷却速度为10～20℃/s，冷却至室温；

5)热处理

淬火热处理：淬火温度为850～880℃，保温30～60min；

回火热处理：回火温度为500～550℃，保温时间50～80min；

最后，450～500℃下热定径。

5.根据权利要求4所述的超高强度超高韧性石油套管的TMCP制造方法，其特征在于，所述超高强度超高韧性石油套管的微观组织为回火索氏体。

6.根据权利要求4或5所述的超高强度超高韧性石油套管TMCP制造方法，其特征在于，所述超高强度超高韧性石油套管的屈服强度为965～1173MPa，抗拉强度≥1034MPa，延伸率≥20％，0℃横向夏比冲击功≥120J，韧脆转变温度≤-70℃。

说明书

一种超高强度超高韧性石油套管及其TMCP制造方法

技术领域

[0001] 本发明涉及石油套管技术领域，具体涉及一种超高强度超高韧性石油套管及其TMCP制造方法。

背景技术

[0002] 目前，深井、超深井油气资源的开采对于套管强度的要求显著提高，但材料的硬度会相应地增大，材料的韧性也会逐渐下降，并且材料对表面缺陷的敏感程度会进一步地增大。开采深井、超深井用的套管对强度和韧性要求很高，在满足高强度的同时要尽可能提高其韧性指标，以保证生产使用的安全性。

[0003] 但是，强度高的钢通常其塑性和韧性较低，要使得钢具有较高的塑性和韧性，就必须降低钢的强度。为此，兼具较高韧性和较高强度的钢材料的开发难度极大。相关指导文件指出，用于压力容器的高强度钢的冲击韧性需要达到其屈服强度的10％。由此，国内各大油田，例如塔里木油田，也对深井、超深井用套管的性能提出了相同的标准，然而，现有的强度140ksi(屈服强度965MPa)以上的高强钢的冲击韧性远低于这一标准。

[0004] 中国专利CN101586450A公开了具有高强度和高韧性的石油套管及其制造方法，其化学元素成分为：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％，余量为铁。该中国专利文献还提供制造该石油套管的方法，其步骤包括有：配料冶炼；连铸连轧以及管加工，未采用TMCP工艺(控轧控冷工艺)。该钢种的强度达到1100MPa，但是其横向冲击韧性仅为90J，韧性指标较低。

[0005] 日本专利JP04059941A指出通过热处理工艺来控制钢基体中残余奥氏体(20～45％)和上贝氏体的比例，其抗拉强度可以达到120-160ksi。该专利化学成分设计特点是高碳和高硅，此两种成分可以显著提高强度，但也会显著降低韧性，同时残余奥氏体会在石油管使用过程中发生组织发生转变。

发明内容

[0006] 本发明的目的在于提供一种超高强度超高韧性石油套管及其TMCP制造方法，该石油套管具有超高强度和超高韧性，其屈服强度为965～1173MPa，抗拉强度≥1034MPa，延伸率≥20％，0℃横向夏比冲击功≥120J，韧脆转变温度≤-70℃，可以满足深井、超深井油气田对油井管提出的强度和韧性的要求。

[0007] 为达到上述目的，本发明的技术方案是：

[0008] 一种超高强度超高韧性石油套管，其化学成分质量百分比为：C：0.1～0.22％，Si：0.1～0.4％，Mn：0.3～1％，Mo：0.2～0.6％，Nb：0.02～0.04％，V：0.05～0.15％，Ti：0.02～
0.05％，B：0.0015～0.005％，Al：0.01～0.05％，N≤0.008％，P≤0.015％，S≤0.003％，其余为Fe和不可避免的杂质，且上述元素同时需满足如下关系：0<(Ti-3.4N)≤0.02％，10≤Ti/B≤20。

[0009] 进一步，所述超高强度超高韧性石油套管的屈服强度为965～1173MPa，抗拉强度≥1034MPa，延伸率≥20％，0℃横向夏比冲击功≥120J，韧脆转变温度≤-70℃。

[0010] 所述超高强度超高韧性石油套管的微观组织为回火索氏体。

[0011] 本发明所述化学成分的设计原理为：

[0012] C：C为碳化物形成元素，其可以提高钢的强度。当C含量低于0.1％时，会使得钢的淬透性降低，从而降低钢的韧性，然而，当C含量高于0.22％时，则会显著地恶化钢的偏析，从而也会造成钢的韧性的降低。为了达到石油套管的高强度高韧性的要求，本发明将C含量控制为0.1～0.22％。

[0013] Si：Si固溶于铁素体，其可以提高钢的屈服强度，但是Si的添加量不宜过高，太高的Si会恶化钢的加工性和韧性，低于0.1％的Si会使得石油套管容易氧化，因此，本发明将Si含量控制为0.10～0.40％。

[0014] Mn：Mn为奥氏体的形成元素，其可以提高钢的淬透性。在本发明钢种体系中，当Mn含量小于0.3％时，钢的淬透性会显著降低，从而降低钢中马氏体的比例，进而降低钢的韧性；当Mn含量大于1％时，钢中的组织偏析又会显著增加，由此，会影响热轧组织的均匀性和冲击性能。基于这一原因，本发明将Mn含量控制在0.6～1％。

[0015] V：V是典型的析出强化元素，可弥补因碳降低而引起的强度的下降，V含量小于0.05％时强化效果难以使材料达到140ksi，高于0.15％时容易形成粗大的V(CN)，从而降低韧性。因此，本发明将V含量控制在0.05～0.15％。

[0016] Mo：Mo主要是通过碳化物及固溶强化形式来提高钢的强度及回火稳定性。本发明中，由于碳含量较低，因此，当添加Mo的含量超过0.6％时，Mo难以与C形成更多的碳化物析出相，这样会造成添加合金的浪费。但一旦Mo含量低于0.2％时，则石油套管的强度就无法达到高强度的要求。因此，本发明将Mo含量控制在0.2～0.6％。

[0017] Nb：Nb是钢中细晶和析出强化的元素，可弥补因碳含量降低而引起的强度下降。当Nb含量小于0.02％时，其添加作用并不明显，当Nb含量大于0.04％时，其则容易形成粗大的Nb(CN)，从而降低钢的韧性。因而，本发明将Nb含量控制为0.02～0.04％。

[0018] Ti：Ti是强碳氮化物的形成元素，其能够显著地细化钢中奥氏体晶粒，可以弥补因碳含量降低而引起的强度下降。若Ti含量＞0.05％，容易形成粗大的TiN，这样会降低材料的韧性；若Ti含量＜0.02％，Ti则不能充分地与N反应形成TiN，则钢中的B就会与N反应形成BN的脆性相，从而降低材料的韧性。因此，本发明将Ti含量控制为0.02～0.05％。

[0019] B：B也可以显著提高钢的淬透性的元素。在C含量低的钢种中，B元素可以解决因C含量降低而带来的淬透性差的问题。然而，当B含量低于0.0015％时提高钢的淬透性的作用并不显著；当B含量高于0.005％，则易于形成BN脆性相，从而降低钢的韧性。因此，本发明将B含量控制为0.0015～0.005％。

[0020] Al：Al是良好的脱氧固氮元素，可细化晶粒，本发明控制Al含量为0.01～0.05％。

[0021] 与此同时，由于B元素与N元素结合能力较强，会形成BN脆性相而降低钢材的韧性指标，因此，本发明加入Ti元素形成TiN来固定材料中的N元素，根据质量配比，要求0<(Ti-3.4N)≤0.02％，但当Ti/B<10时，B元素会形成部分NB脆性相，Ti/B>20时，Ti元素会形成粗大的TiN或TiC，降低韧性。因此，为了保证Ti和N的充分结合，以避免B和N形成BN脆性相而降低钢材的韧性指标，本发明中Ti、B和N还需要满足如下公式：0<(Ti-3.4N)≤0.02％，10≤Ti/B≤20。

[0022] 本发明所述的超高强度超高韧性石油套管的TMCP制造方法，其包括如下步骤：

[0023] 1)冶炼、连铸

[0024] 按照上述化学成分进行冶炼、连铸成圆坯，其中，连铸过程中控制钢水，连铸拉速为1.6～2.0m/min；

[0025] 2)穿孔

[0026] 圆坯在1200～1240℃下均热，均热后穿孔，穿孔温度为1180～1240℃；

[0027] 3)轧制、定径

[0028] 终轧温度为900～950℃，终轧后进行定径，定径温度为850～900℃；

[0029] 4)冷却

[0030] 水冷，冷却速度为10～20℃/s，冷却至室温；

[0031] 5)热处理

[0032] 淬火热处理：淬火温度为850～880℃，保温30～60min；

[0033] 回火热处理：回火温度为500～550℃，保温时间50～80min；

[0034] 最后，450～500℃下热定径。

[0035] 在本发明的制造工艺中：

[0036] 本发明所述连铸步骤中，为改善偏析以提高韧性指标，需要同时控制钢水过热度≤30℃、连铸拉速为1.6～2.0m/min。而且鉴于本发明采用的钢种为低碳钢种，高温变形抗力较小，可以将终轧温度控制在较低的水平以细化晶粒提高韧性，因此，本发明控制终轧温度为900～950℃，终轧后定径工序的温度为850～900℃。

[0037] 本发明套管定径后通过控冷设备，对套管外表面进行水冷，冷却速度10～20℃/s。本发明采用轧后控冷工艺，增加了材料的过冷度，抑制了粗大的铁素体+珠光体和上贝氏体组织以及魏氏组织的形成，使材料转变为较细小的下贝氏体和马氏体组织，细化了晶粒，改善了材料成分的均匀性，从而显著提高了材料的强度和韧性。

[0038] 本发明在套管轧后冷却至室温后进行整管热处理，根据本发明的成分设计和热处理研究结果，奥氏体化温度为850～880℃时材料的韧性指标较高，因此淬火温度设定为850～880℃，保温30～60min后水淬，为保证材料的强度达到140ksi以上并且韧性指标较高，回火温度选定为500～550℃，保温时间50～80min，最后450～500℃热定径，改善管体椭圆度。

[0039] 在材料强化机制中，唯有细晶强化能够同时提高强度和韧性。但目前石油套管生产过程中未采用控冷工艺，在生产过程中处于高温状态，定径之后温度在850℃以上，由高温向低温冷却后的组织为铁素体+珠光体或贝氏体组织以及魏氏组织，奥氏体晶粒较粗大，材料的强度和冲击韧性均较低，而且晶粒尺寸具备遗传性，材料经过后续的调质热处理工序后晶粒粗大导致冲击韧性和塑性较低。而本发明采用轧后控冷工艺，可以细化晶粒，避免形成晶粒粗大的上贝氏体组织，从而显著提高强度和韧性。

[0040] 但由于轧制过程中材料在一定变形量的作用下，晶粒变形储存了较高的能量，在水淬过程中易使管体发生开裂以及严重变形，因此，本发明的制造工艺实施的前提是保证钢成分中碳含量较低，防止管体裂纹和应力集中，保证生产的安全和质量的稳定。同时，为解决低碳钢种的淬透性不足的问题，加入B元素提高淬透性，提高淬火后马氏体含量，回火热处理后形成较均匀的回火索氏体组织，保证材料的强度和韧性。

[0041] 本发明的有益效果：

[0042] 本发明由于添加了B替代Cr和Mo来增加钢的淬透性，采用Ti抑制了N对晶界的脆化作用，使得石油套管的合金添加成本降低，强度高且韧性好。

[0043] 本发明采用TMCP制造工艺使得钢材获得超高强度和超过韧性，操作简单，易于实现大规模的生产制造，具有良好的经济效益。

[0044] 本发明可制造出140ksi以上钢级的具有超高强度且超高韧性的石油套管，该石油套管的屈服强度为965～1173MPa，抗拉强度≥1034MPa，延伸率≥20％，0度横向夏比冲击功≥120J(140ksi钢级屈服强度的10％以上)，韧脆转变温度≤-70℃。

附图说明

[0045] 图1为本发明实施例3石油套管的金相组织照片；

[0046] 图2为本发明实施例3石油套管的晶粒度照片；

[0047] 图3为本发明对比例3石油套管的金相组织照片；

[0048] 图4为本发明对比例3石油套管的晶粒度照片。

具体实施方式

[0049] 下面结合实施例和附图对本发明做进一步说明。

[0050] 表1为本发明实施例和对比例套管的化学成分，表2为本发明实施例和对比例套管的制造工艺，表3为本发明实施例和对比例套管的性能。

[0051] 由表3可知，本发明实施例1-5套管的屈服强度均≥965MPa(已经达到了140ksi钢级以上的强度要求)，抗拉强度均≥1060MPa，并且0℃横向冲击功均≥128J，延伸率均≥23％，韧脆转变温度均≤-70℃，可见，本发明套管均具有超高强度和超高的韧性，能够适合制成深井、超深井开采用的石油管。

[0052] 由表1～表3可知，对比例1中的C、Mn和Mo超出了本发明所限定的范围，对比例2中未添加B和Ti，对比例3中的成分与实施例3一致，但是未采用轧后控冷工艺，对比例4中的Ti和N元素不满足0<(Ti-3.4N)≤0.02％和10≤Ti/B≤20的条件，使得对比例1-4套管的至少一项力学性能未能达到高强度且高韧性石油套管的标准，特别是未采用轧后控冷工艺的对比例3材料韧性指标明显低于实施例3。

[0053] 参见图1、图2，本发明制备得到的高强度超高韧性石油套管的微观组织中晶粒细小，回火索氏体组织较均匀；参见图3、图4，对比例3套管的微观组织中晶粒粗大，回火索氏体组织不均匀。由此可见，本发明采用TMCP工艺制造出的高强度套管的晶粒明显细化，可以有效的提高强度和韧性。

[0054]

[0055]

[0056]