CN101871081B - 一种低钢级连续油管用钢及其制造方法 - Google Patents

Abstract

一种低钢级连续油管用钢，其按重量百分比计的化学成分为：C：0.03～0.17％、Si：0.10～0.60％、Mn：0.40～1.60％、P≤0.015％、S≤0.005％、Cr：0.51～1.00％、Ti：0.01～0.10％、Mo：0.05～0.35％、Cu：0.10～0.50％、Ni≤0.15％、Ca：0.0010～0.0050％，Alt：0.01～0.05％，N≤0.012％，余量为Fe及不可避免的夹杂。该低钢级连续油管用钢的制造方法，包括：冶炼→浇铸→板坯再加热→控制轧制→控制冷却→卷取；其中，板坯再加热温度为1150～1250℃；板坯保温时间为1.2～1.7min/mm(按板坯厚度计算)；控制轧制终轧温度控制范围为780～880℃；控制冷却中冷却速度为2～18℃/s；卷取温度控制范围为550～700℃。

Description

一种低钢级连续油管用钢及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种连续油管用钢，特别是适合钻井、测井、完井等油田作业领域使用的低钢级连续油管用钢，以及该钢的制造方法。低钢级是指钢种的屈服强度在50Ksi～70Ksi之间。

背景技术

连续油管(Coiled Tubing，简称CT)是相对于常规螺纹联接油管而言的，它又称为挠性油管、蛇形管或盘管。是一种缠绕在滚筒上，可连续下入或从油井起出的一整根无螺纹联接的长油管。连续油管用材主要有碳钢、调质钢和稀有材料等，其中稀有材料，例如钛合金，有质量轻和强度高等优点，但价格贵，是普通钢制连续油管的6倍。

自从1962年世界上第1台连续油管作业机问世并开始用于石油工业以来，经过40多年的发展，连续油管作业现已成为世界油气工业技术研究和应用中的一个热点。在国外，连续油管技术主要是作为传输流体的通道，基本用于洗井、基质酸化和氮气举升，2001年占连续油管服务收入的77％。目前连续油管技术已经扩展到钻井、修井、测井、射孔以及增产措施等领域。连续油管修井已代表着当今世界修井技术的发展方向，并将作为一种常规、高效的作业技术在世界范围内普及。目前连续油管最大钻井深度已超过6900m，其外径由最初的33.4mm发展到168.27mm，随着连续油管技术的发展，在钻井领域的应用将进一步扩大。可以说，世界石油工业正在经历一次连续油管技术革命。

随着连续油管技术的不断进步和发展，连续油管的使用已扩展到石油行业的各领域，尤其是近年来在钻井领域和输油领域的应用。我国引进和利用连续油管技术始于70年代，1977年我国引进了第1台Bowen OilTools(波恩工具公司)的产品，但长期以来由于国外的制造和使用技术的封锁，连续油管作业技术一直未得到广泛的应用和推广。直至2000年以后，连续油管作业技术在国外快速发展，引起国内各大油田的关注，加速了国内连续油管作业设备的引进和技术创新的步伐，截止2008年底全国共引进43台连续油管作业设备，年增长率为14％。此外，国内宝鸡石油钢管公司正筹建连续油管生产线，该生产线是亚洲第一条世界第三条连续油管生产线，设计年产量为1.5万吨。鉴于国内不断增长的需求和技术的不断创新，连续油管的使用量将大幅攀升，开发出国内连续油管用原材料迫在眉睫。

现有技术中也有介绍关于连续油管用钢及其制造方法的，如申请号为200710168545.3的中国专利申请公开了一种高塑性连续油管用钢及其制造方法。该技术通过炼钢工艺控制及控轧空冷工艺控制，生产出强韧性适中、组织均匀的连续油管用钢，该钢在轧制过程中变形抗力小，对轧机损耗小。但该文献技术主要针对CT70及更高钢级的连续油管用钢的开发。

本发明主要针对CT70以下钢级的连续油管用钢。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种具有良好塑性和韧性的低钢级连续油管用钢带。

本发明中术语“低钢级”是指钢种的屈服强度在50Ksi～70Ksi之间。

为此，本发明采用低C、高Cr及合金化的成分设计，配合控轧控冷工艺，生产出的高强度低合金钢具有珠光体、铁素体及贝氏体组织，屈服强度达到50～70Ksi，同时具有良好的塑性，以及更容易实现的可制造性。

为达到上述目的，本发明的低钢级连续油管用钢，其化学成分(按重量百分比计)为C：0.03～0.17％、Si：0.10～0.60％、Mn：0.40～1.60％、P≤0.015％、S≤0.005％、Cr：0.51～1.00％、Ti：0.01～0.10％、Mo：0.05～0.35％、Cu：0.10～0.50％、Ni≤0.15％、Ca：0.0010～0.0050％，Alt：0.01～0.05％，N≤0.012％，余量为Fe及不可避免的夹杂。

本发明成分的设计依据如下：

碳C：最基本的强化元素。碳溶解在钢中形成间隙固溶体，起固溶强化的作用，与强碳化物形成元素形成碳化物析出，则起到沉淀强化的作用。但太高的C对钢的延性、韧性和焊接性能不利，C太低降低钢的强度。所以C控制在0.03～0.17％。

硅Si：主要是以固溶强化形式提高钢的强度，同时也是钢中的脱氧元素，但含量过高会恶化钢材的焊接性能，因此控制在0.10～0.60％。

锰Mn：通过固溶强化提高钢的强度，是钢中补偿因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还是扩大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。本钢种Mn含量为0.40～1.60％。

铬Cr：提高钢的淬透性的重要元素，有效提高钢的强度，而且Cr含量在0.51％以上时，能有效改善钢的耐腐蚀性能；但太高的铬和锰同时加入钢中，会导致低熔点Cr-Mn复合氧化物形成，在热加工过程中形成表面裂纹，同时会严重恶化焊接性能。本发明中Cr含量应限定在0.51～1.00％。

钛Ti：是一种强烈的碳氮化物形成元素，Ti的未溶的碳氮化物在钢加热时可以阻止奥氏体晶粒的长大，在高温奥氏体区粗轧时析出的TiN和TiC可有效抑制奥氏体晶粒长大。另外在焊接过程中，钢中的TiN和TiC粒子能显著阻止热影响区晶粒长大，从而改善钢板的焊接性能同时对改善焊接热影响区的冲击韧性有明显作用。本发明中Ti含量控制在0.01％～0.10％。

钼Mo：提高淬透性的元素，作用仅次于Mn，Mo还能起到克服热处理过程中的回火脆性，改善热处理性能、疲劳性能的作用。在高强度低合金钢中，屈服强度随Mo含量的增加而提高，因此太高的Mo有损塑性。本发明中Mo含量控制在0.05～0.35％。

硫、磷(S、P)：是钢中不可避免的杂质元素，希望越低越好。通过超低硫(小于50ppm)及Ca处理对硫化物进行夹杂物形态控制，可保证钢板具有良好的冲击韧性。

铜、镍(Cu、Ni)：可通过固溶强化作用提高钢的强度，同时Cu还可改善钢的耐蚀性，Ni的加入主要是改善Cu在钢中易引起的热脆性，且对韧性有益。本发明中Cu、Ni含量范围分别控制为0.10％～0.50％、≤0.15％。

通过Ca处理可以控制硫化物夹杂的形态，改善钢板的各向异性，提高低温韧性。本发明中Ca含量控制在0.0010～0.0050％。

Alt是为了脱氧而加入钢中的元素，添加适量的Alt有利于细化晶粒，改善钢材的强韧性能。本发明中控制0.01～0.05％。

因此，以晶粒细化、固溶强化、析出强化等材料强化理论为基础，对具有铁素体+珠光体显微组织的低钢级连续油管用钢，采用了较低的碳含量、高Cr、低S以Cu、Ni、Cr、Mo合金化的成分设计。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性能控制，以获得具有合适强度和良好塑性的组织。

本发明的另一个目的是提供一种低钢级连续油管用钢的制造方法，该方法包括：冶炼→浇铸→板坯再加热→控制轧制→控制冷却→卷取。

其中，冶炼采用本领域已知的常规纯净钢冶炼方法，如电炉冶炼+炉外精练、转炉冶炼+炉外精练。但不仅仅限于此，根据需要可选择其他适合的冶炼方法。

浇铸采用本领域已知的浇铸方法，如连铸或模铸，优选连铸。

本发明中，控制板坯再加热温度为1150～1250℃，优选1180～1220℃，在此温度范围内保温可保证合金元素充分溶解，且晶粒尺寸不会异常长大；

板坯保温时间：对于常规厚度连铸板坯(190～250mm)，一般为250min～350min；或根据板坯厚度，按保温系数1.2～1.7min/mm计算得到；在此时间范围内保温，可保证板坯厚度方向上的温度均匀，晶粒尺寸不会异常长大；

本发明的控制轧制中，终轧温度控制范围：780～880℃，优选800～850℃，在此温度范围内控轧，有利于细化晶粒，改善强韧性；

本发明中卷取温度控制范围：550～700℃，优选560～650℃，在此温度范围内卷取，有利于细化晶粒，避免出现粗大的珠光体铁素体组织；

本发明的控制冷却中冷却速度：2～18℃/s，优选5～15℃/s，在此冷速范围内冷却，促进组织细化，同时避免硬相组织的生成，有利于改善发明钢的韧性和塑性。

与现有生产钢种相比，按照本发明生产的连续油管用钢性能达到以下要求：

(1)屈服强度(R_t0.5)：≥345MPa；

(2)抗拉强度(Rm)：≥450MPa；

(3)延伸率(A_50.8％)：≥15％；

(4)硬度值(HRC)：≤22。

具体实施方式

按照本发明钢的化学成份要求，设计实施例的化学成分，如表2所示。

根据本发明的工艺要求，实施例1和实施例4的主要轧制工艺参数如下：a、板坯加热温度：1180±15℃；b、保温时间：300min；c、终轧温度控制范围：810±10℃；d、卷取温度控制范围：600～650℃；e、冷却速度：8～15℃/s；

根据本发明的工艺要求，上述实施例2和实施例3的主要轧制工艺参数如下：a、板坯加热温度：1220±10℃；b、保温时间：260min；c、终轧温度控制范围：840±10℃；d、卷取温度控制范围：550～600℃；e、冷却速度：10～18℃/s；

根据本发明的工艺要求，上述实施例5和实施例6的主要轧制工艺参数如下：a、板坯加热温度：1160±10℃；b、保温时间：340min；c、终轧温度控制范围：790±10℃；d、卷取温度控制范围：650～680℃；e、冷却速度：2～10℃/s；

按上述成份和工艺设计，各实施例1～6得到的力学性能如表3所示。

可见，按照本发明设计的成分和工艺制造的钢带，具有良好的综合力学性能，满足低钢级连续油管用钢的各项性能指标要求，且碳当量较低，有利于焊接。另外，本发明的成分简单，工艺窗口较宽，比较容易在现场实施。

现有技术的200710168545.3公开的技术主要针对CT70以上更高钢级的连续油管用钢的开发，通过炼钢工艺控制及控轧控冷工艺控制，生产出强韧性适中、组织均匀的连续油管用钢。本发明主要针对CT70以下钢级的连续油管用钢，主要通过添加Cu、Ni、Cr、Mo等合金元素来实现固溶强化和析出强化功能，保证热处理后材料的强韧性。未添加微合金元素Nb，添加少量Ti以固定钢种N，细化原始奥氏体晶粒，改善热影响区性能；同时降低钢种自由N含量，有利于改善钢种韧性。

根据本发明生产的钢适合钻井、测井、完井等油田作业领域使用的连续油管。

以上通过具体实施例对本发明进行了较详细说明，但不仅仅限于这些实施例，在不脱离本发明构思的前提下，还可以有变化的或改进的其他实施例，而这些变化和改进都属于本发明的范围。

Claims (9)

1.一种低钢级连续油管用钢，其按重量百分比计的化学成分为：C：0.03～0.17％、Si：0.10～0.60％、Mn：0.40～1.60％、P≤0.015％、S≤0.005％、Cr：0.51～1.00％、Ti：0.01～0.10％、Mo：0.05～0.35％、Cu：0.10～0.50％、Ni≤0.15％、Ca：0.0010～0.0050％，Alt：0.01～0.05％，N≤0.012％，余量为Fe及不可避免的夹杂；

所述低钢级连续油管用钢通过以下方法制造：

冶炼→浇铸→板坯再加热→控制轧制→控制冷却→卷取；

其中，

板坯再加热温度为1150～1250℃；

板坯保温时间：根据板坯厚度，按保温系数1.2～1.7min/mm计算得到；

控制轧制中，终轧温度控制范围：780～880℃；

控制冷却中冷却速度：2～18℃/s；

卷取温度控制范围：550～700℃。

2.一种低钢级连续油管用钢的制造方法，包括：

所述钢的重量百分比化学成分为：C：0.03～0.17％、Si：0.10～0.60％、Mn：0.40～1.60％、P≤0.015％、S≤0.005％、Cr：0.51～1.00％、Ti：0.01～0.10％、Mo：0.05～0.35％、Cu：0.10～0.50％、Ni≤0.15％、Ca：0.0010～0.0050％，Alt：0.01～0.05％，N≤0.012％，余量为Fe及不可避免的夹杂；

冶炼→浇铸→板坯再加热→控制轧制→控制冷却→卷取；

其中，

板坯再加热温度为1150～1250℃；

板坯保温时间：根据板坯厚度，按保温系数1.2～1.7min/mm计算得到；

控制轧制中，终轧温度控制范围：780～880℃；

控制冷却中冷却速度：2～18℃/s；

卷取温度控制范围：550～700℃。

3.如权利要求2所述的低钢级连续油管用钢的制造方法，其特征在于，

板坯再加热温度为1180～1220℃；

控制轧制中，终轧温度控制范围：800～850℃； 

控制冷却中冷却速度为5～15℃/s；

卷取温度控制范围：560～650℃。

4.如权利要求2或3所述的低钢级连续油管用钢的制造方法，其特征在于，冶炼是采用转炉冶炼+炉外精练或电炉冶炼+炉外精练。

5.如权利要求2或3所述的低钢级连续油管用钢的制造方法，其特征在于，浇铸是采用连铸。

6.如权利要求2或3所述的低钢级连续油管用钢的制造方法，其特征在于，对于190～259mm厚度的连铸板坯，板坯保温时间为250～350min。

7.如权利要求4所述的低钢级连续油管用钢的制造方法，其特征在于，浇铸是采用连铸。

8.如权利要求4所述的低钢级连续油管用钢的制造方法，其特征在于，对于190～259mm厚度的连铸板坯，板坯保温时间为250～350min。

9.如权利要求5所述的低钢级连续油管用钢的制造方法，其特征在于，对于190～259mm厚度的连铸板坯，板坯保温时间为250～350min。