抗疲劳性高的管用钢、其制造方法及使用其的焊接钢管

摘要

本发明提供了一种用于诸如油或气提取的应用中的管用钢。特别地，提供了一种具有高抗疲劳性的管用钢、该钢的制造方法和使用该钢获得的焊接钢管。

权利要求

1.一种具有高抗疲劳性的管用钢，所述钢包含：以wt％计，碳即C：0.10％至0.15％，硅即Si：0.30％至0.50％，锰即Mn：0.8％至1.2％，磷即P：0.025％以下，硫即S：0.005％以下，铌即Nb：0.01％至0.03％，铬即Cr：0.5％至0.7％，钛即Ti：0.01％至0.03％，铜即Cu：0.1％至0.4％，镍即Ni：0.1％至0.3％，氮即N：0.008％以下，余量为铁即Fe和不可避免的杂质，其中铬即Cr、铜即Cu和镍即Ni满足以下公式，并且所述钢具有包含粒径为10μm以下的面积分数为50％至80％的铁素体和面积分数为

20％至50％的珠光体的金相组织，

[公式]

80<100(Cu+Ni+Cr)+(610-CT)<120其中，Cu、Ni和Cr分别指按重量计的Cu、Ni和Cr的含量，CT指卷取温度(℃)。

2.根据权利要求1所述的钢，其进一步包含0.2％以下的量的钼即Mo。

3.一种制造具有高抗疲劳性的管用钢的方法，所述方法包括：制备包含以下的钢坯：按wt％计，碳即C：0.10％至0.15％，硅即Si：0.30％至0.50％，锰即Mn：0.8％至1.2％，磷即P：0.025％以下，硫即S：0.005％以下，铌即Nb：0.01％至0.03％，铬即Cr：0.5％至0.7％，钛即Ti：0.01％至0.03％，铜即Cu：0.1％至0.4％，镍即Ni：0.1％至

0.3％，氮即N：0.008％以下，余量为铁即Fe和不可避免的杂质；

将所述钢坯再加热到1100℃至1300℃范围内的温度；

在900℃至1100℃范围内的温度下对所再加热的钢坯进行粗轧；

所述粗轧后，在800℃至900℃范围内的温度下对所述钢坯进行热精轧，以生产热轧钢板；以及在以50℃/s以下的冷却速率冷却所述热轧钢板之后，在满足以下公式的卷取温度即CT下卷取所述钢板，[公式]

80<100(Cu+Ni+Cr)+(610-CT)<120其中，Cu、Ni和Cr分别指按重量计的Cu、Ni和Cr的含量，CT指卷取温度(℃)。

4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述钢板的卷取在590℃至630℃范围内的温度下进行。

5.根据权利要求3所述的方法，其中，所述钢板进一步包含0.2％以下的量的钼即Mo。

6.一种具有高抗疲劳性的焊接钢管，其通过对权利要求1或2所述的钢进行成型和焊接而获得，其中，所述焊接钢管的屈服强度为620MPa至689MPa，拉伸强度为669MPa以上，疲劳寿命为1000以上。

说明书

抗疲劳性高的管用钢、其制造方法及使用其的焊接钢管

[0001] 相关申请的交叉引用

[0002] 本申请要求于2016年9月12日向韩国知识产权局提交的申请号为10-2016-0117505的韩国专利申请的优先权的权益，其全部公开内容通过引用并入本文。

技术领域

[0003] 本公开涉及一种用于诸如油或气提取的应用中的管用钢，更特别地，涉及一种具有高抗疲劳性的管用钢、该钢的制造方法以及使用该钢获得的焊接钢管。

背景技术

[0004] 近年来，开发油井和气井(以下统称为油井)的环境变得越来越苛刻，于是正努力降低生产成本，从而提高盈利率。

[0005] 连续油管(coiled tubing)是指外径约20mm至约100mm并且长度大于1km的卷绕在卷轴上的焊接管。在作业期间，连续油管从卷轴解开并插入油井，在作业之后，连续油管重绕在卷轴上。

[0006] 连续油管是一种通过以下方法制造的产品，其中通过切割热轧钢卷获得的制管钢板(skelp)被焊接成具有长的长度，通过电阻焊接形成管，并卷绕在大的卷轴上以便以水管的方式进行使用，由于预先形成了这种长度为几公里(km)的连续油管，所以安装时间可能会降低。因此，对连续油管的需求逐渐增加。

[0007] 由于连续油管被反复缠绕在卷轴上并从卷轴解开，所以用于连续油管的材料需要具有良好的表面特性和高抗疲劳性。

[0008] 此外，重要的是控制用于连续油管的材料的焊接区域，因为如果焊接区域具有缺陷或比基底金属更低的强度，则由于应力集中和疲劳累积可能会发生断裂。

[0009] (专利文献1)韩国专利申请公开第2014-0104497号

发明内容

[0010] 本公开的方面可以提供具有与API 5ST CT90的强度相当的强度且同样具有高抗疲劳性的管用钢，该钢的制造方法以及通过焊接该钢获得的焊接钢管。

[0011] 根据本公开的一个方面，具有高抗疲劳性的管用钢可以包含：按wt％计，碳(C)：0.10％至0.15％，硅(Si)：0.30％至0.50％，锰(Mn)：0.8％至1.2％，磷(P)：0.025％以下，硫(S)：0.005％以下，铌(Nb)：0.01％至0.03％，铬(Cr)：0.5％至0.7％，钛(Ti)：0.01％至
0.03％，铜(Cu)：0.1％至0.4％，镍(Ni)：0.1％至0.3％，氮(N)：0.008％以下，余量为铁(Fe)和不可避免的杂质，其中铬(Cr)、铜(Cu)和镍(Ni)可以满足以下公式，并且钢可以具有包括粒径为10μm以下的铁素体和珠光体的金相组织。

[0012] [公式]

[0013] 80<100(Cu+Ni+Cr)+(610-CT)<120

[0014] 其中Cu、Ni和Cr分别指按重量计的Cu、Ni和Cr的含量，CT是指卷取温度(℃)。

[0015] 根据本公开的另一方面，一种制造具有高抗疲劳性的管用钢的方法可以包括：制备具有上述合金成分的钢坯；将钢坯再加热到1100℃至1300℃范围内的温度；在900℃至1100℃范围内的温度下对再加热钢坯进行粗轧；粗轧后，在800℃至900℃范围内的温度下对钢坯进行热精轧，以生产热轧钢板；以及在冷却该热轧钢板后，在满足上述公式的卷取温度(CT)下卷取钢板。

[0016] 根据本公开的另一方面，提供了一种具有高抗疲劳性并通过成型和焊接钢而获得的焊接钢管。

具体实施方式

[0017] 本发明人已经对改善适用于对于油或气提取需求日趋增加的连续油管的材料的物理性能进行了研究。特别地，试图提供具有令人满意的疲劳特性同时在被制造为焊接钢管后具有与API 5ST CT90的强度相当的强度(屈服强度为620MPa至689MPa，拉伸强度为669Mpa以上)的管用钢。

[0018] 结果，本发明人已经发现，除了优化合金元素和制造条件之外，通过优化对疲劳特性有影响的特定元素和制造条件之间的关系也可以提供具有预期物理性能的管用钢。基于该知识，本发明人发明了本发明。

[0019] 现在将详细描述本公开的实施例。

[0020] 根据本公开的一个方面，具有高抗疲劳性的管用钢可具有包含以下的合金成分：按wt％计，碳(C)：0.10％至0.15％，硅(Si)：0.30％至0.50％，锰(Mn)：0.8％至1.2％，磷(P)：0.025％以下，硫(S)：0.005％以下，铌(Nb)：0.01％至0.03％，铬(Cr)：0.5％至0.7％，钛(Ti)：0.01％至0.03％，铜(Cu)：0.1％至0.4％，镍(Ni)：0.1％至0.3％，以及氮(N)：
0.008％以下。

[0021] 在下文中，将详细描述限定如上所述的本公开的管用钢的合金成分的原因。在下面的描述中，除非另有说明，否则每个元素的含量以wt％给出。

[0022] 碳(C)：0.10％至0.15％

[0023] 碳(C)是提高钢的淬透性的元素。如果碳(C)的含量小于0.10％，则淬透性不能充分提高，并因此不能保证本公开中预期的强度。相反，如果碳(C)的含量超过0.15％，则屈服强度过度增加，这可能使得难以进行成型工艺并且可能降低抗疲劳性。

[0024] 因此，根据本公开，可以优选将碳(C)的含量调整在0.10％至0.15％的范围内。

[0025] 硅(Si)：0.30％至0.50％

[0026] 硅(Si)增加铁素体中碳(C)的活性并促进铁素体的稳定，从而有助于通过固溶强化来保证强度。此外，在电阻焊接期间，硅(Si)形成诸如Mn2SiO4的低熔点氧化物，从而使得容易在焊接期间排出氧化物。

[0027] 然而，如果硅(Si)的含量小于0.30％，则在炼钢中出现成本问题，如果硅(Si)的含量超过0.50％，则除了形成Mn2SiO4之外，还可形成大量的高熔点氧化物SiO2，从而在电阻焊接期间降低焊接区域的韧性。

[0028] 因此，根据本公开，可以优选将硅(Si)的含量调整在0.30％至0.50％的范围内。

[0029] Mn(锰)：0.8％至1.2％

[0030] 锰(Mn)是通过固溶强化有效强化钢的元素。当锰(Mn)的含量为0.8％以上时，可以获得淬透性增强的效果，并且可以保证本公开中预期的强度水平。然而，如果锰(Mn)的含量超过1.2％，则在炼钢过程中通过铸造而形成的钢坯的中心部分在厚度方向上显著地形成偏析区域，并且最终产品的抗疲劳性降低。

[0031] 因此，根据本公开，优选将锰(Mn)的含量调整在0.8％至1.2％的范围内。

[0032] 磷(P)：0.025％以下

[0033] 磷(P)是不可避免地存在于钢中的杂质并且降低钢的韧性，因此较低的磷(P)含量是有利的。然而，由于炼钢过程中的成本，可将磷(P)的含量调整为0.025％以下。

[0034] 硫(S)：0.005％以下

[0035] 硫(S)是可能形成粗大夹杂物并导致韧性降低和裂纹扩展的元素，因此可将硫(S)的含量调整为尽可能低。然而，由于炼钢过程中的成本，可将硫(S)的含量调整为0.005％以下。更优选地，可将硫(S)的含量调整为0.002％以下。

[0036] 铌(Nb)：0.01％至0.03％

[0037] 铌(Nb)是通过形成析出物对钢的强度具有显著影响的元素。铌(Nb)通过在钢中析出碳氮化物或引起铁(Fe)中的固溶强化来提高钢的强度。特别地，在钢坯再加热过程中，Nb基析出物溶解，然后在热轧过程中微细地析出，从而有效地提高钢的强度。

[0038] 然而，如果铌(Nb)的含量小于0.01％，则可能不能充分地形成微细的析出物，因此可能无法获得本公开中预期的强度水平。相反，如果铌(Nb)的含量超过0.03％，则制造成本可能增加。

[0039] 因此，根据本公开，优选将铌(Nb)的含量调整在0.01％至0.03％的范围内。

[0040] 铬(Cr)：0.5％至0.7％

[0041] 铬(Cr)是提高淬透性和耐腐蚀性的元素。如果铬(Cr)的含量小于0.5％，则通过添加铬(Cr)可能不能充分获得提高耐腐蚀性的效果。相反，如果铬(Cr)的含量超过0.7％，则焊接性可能显著降低。

[0042] 因此，根据本公开，可以优选将铬(Cr)的含量调整在0.5％至0.7％的范围内。

[0043] 钛(Ti)：0.01％至0.03％

[0044] 钛(Ti)通过与氮(N)反应形成TiN，从而在再加热过程中抑制焊接热影响区(HAZ)以及钢坯中奥氏体晶粒的生长，从而提高钢的强度。

[0045] 为此，钛(Ti)可以以大于3.4×N(wt％)的量加入，即优选以0.01％以上的量加入。然而，如果钛(Ti)的量过多，则韧性可能由于TiN等的粗大化而降低，因此钛(Ti)的含量的上限可优选设定为0.03％。

[0046] 铜(Cu)：0.1％至0.4％

[0047] 铜(Cu)在提高基底金属或焊接区域的淬透性和耐腐蚀性方面是有效的。然而，如果铜(Cu)的含量小于0.1％，则可能难以保证耐腐蚀性。相反，如果铜(Cu)的含量超过0.4％，则制造成本可能增加，因此在经济上是不可取的。

[0048] 因此，根据本公开，可以优选将铜(Cu)的含量调整在0.1％至0.4％的范围内。

[0049] 镍(Ni)：0.1％至0.3％

[0050] 镍(Ni)是有效改善淬透性和耐腐蚀性的元素。另外，当镍(Ni)与铜(Cu)一起添加时，镍(Ni)与铜(Cu)反应并阻碍形成低熔点铜(Cu)相，从而抑制热加工过程中的裂纹的形成。此外，镍(Ni)可有效地提高基底金属的韧性。

[0051] 为了获得上述效果，添加0.1％以上的量的镍(Ni)。然而，由于镍(Ni)是昂贵的元素，所以添加超过0.3％的镍(Ni)在经济上是不可取的。

[0052] 因此，根据本公开，可以优选将镍(Ni)的含量调整在0.1％至0.3％的范围内。

[0053] 氮(N)：0.008％以下(不含0％)

[0054] 氮(N)与钢中的诸如钛(Ti)或铝(Al)的元素结合并固定诸如氮化物的元素。然而，如果氮(N)的含量超过0.008％，则不可避免地加入更多量的这些元素。

[0055] 因此，根据本公开，可以优选将氮(N)的含量调整在0.008％以下的范围内。

[0056] 在本公开中，其它成分是铁(Fe)和不可避免的杂质。然而，在本发明的范围或想法内可以加入其它合金元素。

[0057] 例如，根据本公开，除了上述合金元素之外，还可以另外添加钼(Mo)。

[0058] 具体地，钼(Mo)是显著提高淬透性的元素，不仅有利于提高钢的强度，而且有利于提高钢的抗疲劳性。然而，钼(Mo)是昂贵的元素，因此如果大量添加，则制造成本可能增加。因此，可以优选将钼(Mo)的含量调整在0.2％以下的范围内。

[0059] 根据本公开，具有上述成分的管用钢可以满足下面表示铜(Cu)、镍(Ni)和铬(Cr)之间的关系的公式，

[0060] [公式]

[0061] 80<100(Cu+Ni+Cr)+(610-CT)<120

[0062] (其中Cu、Ni和Cr分别指按重量计的Cu、Ni和Cr的含量，CT表示卷取温度(℃))。

[0063] 所有元素，铜(Cu)、镍(Ni)和铬(Cr)，在提高钢的抗疲劳性方面都是有效的。如果这些元素的含量低，则可能无法获得预期的强度水平，并因此可能需要显著降低卷取温度。相反，如果这些元素的含量过多，则可能需要提高卷取温度。

[0064] 如下所述，如果卷取温度偏离一定范围，则可能不能获得预期的金相组织。

[0065] 因此，可以在提出的卷取温度范围内控制铜(Cu)、镍(Ni)和铬(Cr)以满足上述关系。

[0066] 满足上述合金成分和成分的关系的本发明的管用钢可以具有包含铁素体和珠光体的复合相金相组织。

[0067] 优选地，铁素体的粒径可以为10μm以下。如果铁素体的粒径超过10μm，则可能容易发生向晶界的疲劳扩散，因此可能难以保证抗疲劳性。粒径是指圆当量直径。

[0068] 更具体地，可优选钢的金相组织包括面积分数为50％至80％的铁素体和面积分数为20％至50％的珠光体。由于珠光体比其他相更有效地抑制疲劳扩散，所以可优选珠光体的面积分数在20％以上的范围内。然而，由于本公开的合金成分中的碳(C)的含量的上限为0.15wt％，所以可以形成珠光体达50面积％。

[0069] 在下文中，将根据本公开的另一方面描述制造具有高抗疲劳性的管用钢的方法。

[0070] 根据本公开，可以通过制备具有本公开中提出的合金成分和成分的关系的钢坯，并且对钢坯进行再加热过程、热轧过程、冷却过程和卷取过程来制造管用钢。在下文中，将对每个过程进行详细说明。

[0071] [再加热过程]

[0072] 再加热过程是加热钢以顺利地进行后续轧制过程并获得预期的钢板的物理性能的过程，为此，在适当的温度范围内进行再加热过程。

[0073] 在本公开中，可优选再加热过程在1100℃至1300℃范围内的温度下进行。如果再加热温度低于1100℃，则可能难以完全地溶解铌(Nb)，并因此难以获得足够的强度。相反，如果再加热温度高于1300℃，则初始晶粒可能过度粗大，因此可能难以使晶粒精细化。

[0074] [热轧过程]

[0075] 可以对如上所述再加热的钢坯进行粗轧和热精轧以制造热轧钢板。

[0076] 此时，可优选在900℃至1100℃范围内的温度下进行粗轧。如果粗轧在低于900℃的温度下完成，则轧制设备的负载问题的风险可能会增加。

[0077] 粗轧后，可优选在非结晶化温度范围即800℃至900℃范围内的温度下进行热精轧。如果在低于800℃的温度下进行热精轧，则存在由于轧制负荷导致的故障的风险。相反，如果在高于900℃的温度下进行热精轧，则可能最终形成粗大的金相组织，并因此可能无法保证预期的强度。

[0078] 因此，根据本公开，在热轧期间，可优选将粗轧温度调整为在900℃至1100℃范围内，将热精轧温度调整为在800℃至900℃范围内。

[0079] [冷却过程和卷取过程]

[0080] 可以对如上所述生产的热轧钢板进行冷却和卷取。

[0081] 进行冷却以提高钢板的强度和韧性。随着冷却速率的增加，由于钢板的内部结构中的晶粒细化，钢板的韧性提高，并且由于钢板的内部结构中的硬质相的发展，钢板的强度提高。

[0082] 根据本公开，可以优选将冷却速率调整为在50℃/s以下的范围内。如果冷却速率超过50℃/s，则诸如贝氏体的低温相变相可能增加，因此可能存在可能获得高于预期水平的强度或者抗疲劳性能可能降低的高的可能性。在这种情况下，虽然冷却速率的下限不限于特定值，但可优选冷却速率为10℃/s以上。

[0083] 此外，冷却可以进行到卷取温度。根据本公开，可以在满足上述公式的卷取温度(CT)下进行卷取，以获得具有令人满意的疲劳特性的管用钢。

[0084] 优选地，卷取温度可以在590℃至630℃范围内。如果卷取温度低于590℃，则可局部形成诸如贝氏体的低温相变相，并且应力可能会集中，从而降低抗疲劳性。相反，如果卷取温度超过630℃，则珠光体颗粒的尺寸可能会过度增加，因此抗疲劳性可能降低。

[0085] 可以使用如上所述生产的热轧钢板来制造焊接钢管。例如，可以通过酸洗热轧钢板以从热轧钢板的表面除去氧化皮、将热轧钢板切割成预定的宽度并对切割的热轧钢板进行制管过程来制造连续油管。

[0086] 焊接钢管的制造方法没有限定。例如，可以使用经济效益高的电阻焊接方法。电阻焊接可以通过任何方法进行。也就是说，电阻焊接不限于特定的方法。

[0087] 根据本公开获得的焊接钢管可以具有预期的物理性能：屈服强度为620MPa至689MPa，拉伸强度为669Mpa以上，疲劳寿命为1000以上，并且可以适合于连续油管。

[0088] 在下文中，将根据示例更具体地描述本公开。但是，以下示例应仅在描述性意义上予以考虑，而不是为了限制的目的。本发明的范围由所附权利要求限定，并且可以由此合理地进行修改和变化。

[0089] (示例)

[0090] 在下表2所示的条件下，对具有下表1所示的合金成分的钢坯进行再加热、热精轧、冷却和卷取来制造热轧钢板。

[0091] 观察各热轧钢板的金相组织，其结果示于下表3中。

[0092] 然后，对该热轧钢板进行电阻焊接制管过程，然后测定其屈服强度和拉伸强度。测量结果示于下表3中。试验时按照常规的ASTM A370进行。

[0093] 此外，通过拉伸和压缩试验测量疲劳寿命，其中将制作(facture)时间设定为疲劳寿命的标准。当测量疲劳寿命时，应变为0.9％。测量结果也示出在表3中。

[0094] 表1

[0095]

[0096] *IS：本发明钢，**CS：比较钢

[0097] 表2

[0098]

[0099] *IS：本发明钢，**CS：比较钢

[0100] (在再加热后，在900℃至1100℃范围内的温度下进行粗轧)

[0101] 表3

[0102]

[0103] *IS：本发明钢，**CS：比较钢

[0104] (在表3中，“F”表示铁素体，“P”表示珠光体，“B”表示贝氏体，“M”表示马氏体)[0105] 如表1至表3所示，满足本公开中提出的合金成分和制造条件的发明钢1至3在被制造成焊接钢管后具有在1000以上的范围内的高疲劳寿命。

[0106] 然而，不满足本公开中提出的合金成分和制造条件的比较钢1至6由于形成粗大的金相组织或低温相变相而具有差的疲劳寿命。

[0107] 如上所述，本公开可以提供一种管用钢，即使在通过成型工艺和焊接工艺被制造成钢管之后，该管用钢也不仅具有等同于API 5ST CT90的强度，而且具有高抗疲劳性。

[0108] 本公开的通过成型和焊接钢而获得的焊接钢管可适用于连续油管。