一種鉆井用石油套管及其制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種鉆井用石油套管及其制造方法，其化學(xué)成分的重量百分比為C：0.08～0.15％，Si：0.8～1.5％，Mn：1.5～3.0％，P：≤0.010％，S：≤0.005％，Cr：0.5～1.5％，Mo：0.2～0.4％，Nb：0.05～0.2％，Al：0.005～0.01％，Ca：0.001～0.002％，B：0.0008～0.002％，RE：0.0001～0.0005％，余量為Fe和不可避免的雜質(zhì)；制造方法主要為：熱軋卷板縱剪，成型焊接制成管坯后進行熱張力減徑，之后高溫管坯進行在線全管體分步控制冷卻，分別冷卻至500℃和350℃，再空冷至室溫，獲得馬氏體、貝氏體和殘余奧氏體的混合組織，最后進行接箍表面處理及螺紋加工，制成石油套管；石油套管的屈服強度為660～758MPa，抗拉強度為≥724MPa，延伸率≥25％；在載荷比R＝?1，循環(huán)周次為1×107下，石油套管管材的拉?壓疲勞強度σ?1≥400Mpa，可用于對套管的韌性和疲勞性能要求較高的套管鉆井技術(shù)領(lǐng)域。
【專利說明】
-種鉆井用石油套管及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種石油套管，具體設(shè)及一種鉆井用石油套管及其制造方法。
【背景技術(shù)】：
[0002] 套管鉆井技術(shù)是一種十分新穎并富有創(chuàng)造性的鉆井新技術(shù)，而且極具市場發(fā)展前 景和技術(shù)發(fā)展?jié)摿Α３Ｒ?guī)鉆井方式中，套管只受軸向拉壓作用，而在套管鉆井中，套管要承 受扭矩、拉壓、沖擊等，還要承受交變應(yīng)力，套管承受一種多軸隨機載荷作用，疲勞失效問題 相當嚴重。如何提高鉆井用套管的疲勞性能是減少鉆井疲勞失效的關(guān)鍵。
[0003] 目前油套管生產(chǎn)中基本上采用正火工藝、調(diào)質(zhì)工藝等生產(chǎn)，一般管材的組織為珠 光體、鐵素體及回火索氏體等，鮮有人報道采用貝氏體/馬氏體復(fù)相組織等生產(chǎn)油管和套 管。國內(nèi)外文獻報道中有關(guān)運種復(fù)相組織多用于超高強度鋼，一般屬于空冷或鹽浴熱處理， 在熱處理中回火溫度較低（不超過550°C)，合金含量Mn、Si等較高，并未考慮到HFW焊接性 能。國內(nèi)外多年的科學(xué)研究發(fā)現(xiàn)：貝氏體/馬氏體復(fù)相組織具有較佳的強初性配合和較高的 疲勞口檻值及較低的疲勞裂紋擴展速率。
[0004] 2015年2月18日公布的公布號為CN 104357756 A的中國發(fā)明專利，該專利公開了 一種抗硫化氨應(yīng)力腐蝕直縫焊接石油套管及其制造方法，設(shè)及一種在硫化氨環(huán)境下使用的 高頻電阻石油套管，該制造方法制備的石油套管最終的組織結(jié)構(gòu)為回火索氏體，其力學(xué)性 能受到限制，并且該專利未對疲勞性能進行說明。
[0005] 2013年6月5日公布的公布號為CN 103128108 A的中國發(fā)明專利，該專利公開了一 種提高HFW焊管熱社后強初性的在線控冷方法及裝置，該方法雖然可W實現(xiàn)在線連續(xù)的控 制冷卻，但對連續(xù)生產(chǎn)的高溫管巧進行在線連續(xù)分步式控制冷卻具有局限性，不利于控制 管巧在一定溫度范圍內(nèi)停留。

【發(fā)明內(nèi)容】
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[0006] 為了克服上述缺點，本發(fā)明的目的在于提供一種鉆井用石油套管及其制造方法， 本發(fā)明的石油套管顯微組織為馬氏體、貝氏體和殘余奧氏體的混合組織，其屈服強度為660 ~758MPa，抗拉強度為含750MPa，延伸率含25% ;在相似服役條件下，石油套管的拉-壓疲勞 強度0-1 > 400Mpa，比常規(guī)套管產(chǎn)品的拉-壓疲勞強度0-1提高IOOM化W上；可用于對套管的 初性和疲勞性能要求較高的套管鉆井技術(shù)領(lǐng)域。
[0007] 為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：
[000引一種鉆井用石油套管，該石油套管用熱社卷板化學(xué)成分的質(zhì)量百分比為C:0.08~ 0.15% ;Si :0.8~1.5% ;Mn: 1.5~3.0% ;P: <0.010% ;S: < 0.005% ;Cr :0.5~1.5% ;Mo: 0.2 ~0.4% ;Nb :0.05 ~0.2% ; Al :0.005-0.0 l % ; Ca: 0.0 Ol~0.002 % ;B: 0.0008 ~ 0.002% ;RE:0.OOOl~0.0005% ;余量為化和不可避免的雜質(zhì)。
[0009]上述鉆井用石油套管的壁厚不均度含0.8%，外徑不圓度含0.30%。
[0010]上述鉆井用石油套管的屈服強度為660~758MPa，抗拉強度為^50MPa，延伸率> 25%，橫向沖擊功含lOOJ。
[0011] 本發(fā)明中設(shè)計合金成分選取說明：
[0012] C:碳是主要固溶強化元素，可與多種合金形成強化相，可提高鋼的強度。因該產(chǎn)品 采用熱社卷板要充分考慮焊接性能和焊縫質(zhì)量，同時也要考慮控制冷卻中貝氏體轉(zhuǎn)變溫度 及后續(xù)熱處理工藝。為實現(xiàn)本發(fā)明的目的將C含量控制既可發(fā)揮強化作用，又不降低焊接性 能、熱處理操作等，因而C設(shè)計范圍為0.08%~0.15%。
[0013] Si:娃主要起脫氧作用，適量的娃可顯著改善中碳、中低碳貝氏體鋼的強初性，抑 制較高溫度下的貝氏體轉(zhuǎn)變，還可阻礙碳化物的析出，提高鋼的回火溫度;但含量過高顯著 降低焊接性能，為達到發(fā)明的目的將其限定在0.8~1.5%。
[0014] Mn:儘可顯著提高鋼的澤透性，提高鋼的強度，同時增加奧氏體冷卻時的過冷度， 縮短貝氏體的轉(zhuǎn)變孕育期，增加貝氏體的最大轉(zhuǎn)變量，為達到發(fā)明的目的，設(shè)計范圍為1.5 ~3.0%。
[001引 P、S:硫、憐含量越低對鋼的焊縫、腐蝕及疲勞性能越有利，因此，限定P: <0.010， S: < 0.005, W保證提高鋼的高初性和高疲勞性能。
[0016] 化:銘提高澤透性，改善鋼的強初性。但含量多時容易在HFW焊接中產(chǎn)生夾雜物、灰 斑等缺陷，顯著降低焊縫抗性能，因此控制銘含量在0.3 %~0.8 %之間。
[0017] Mo:鋼提高鋼的澤透性和回火穩(wěn)定性，細化晶粒作用明顯，因此，本發(fā)明將其含量 控制在0.5~1.5%之間。
[0018] Nb:妮能夠形成C、N化物，細化晶粒，提高鋼的澤透性和貝氏體回火穩(wěn)定性;與B同 時加入降低冷卻時的相變溫度，有利于組織細化;因而本發(fā)明控制其含量在0.05~0.2%。
[0019] Ca:巧可與硫形成硫化物，改善硫化物夾雜的形態(tài)，對改善鋼的初性和疲勞性能非 常有利。當含量含0.003%時由于夾雜物增多，降低鋼的潔凈度，容易造成疲勞裂紋在夾雜 物處起裂，引起鋼的疲勞性能降低，為達到發(fā)明的目的，化含量設(shè)計范圍為0.OOl-0.002%。
[0020] Al:侶做為脫氧劑能提高鋼的初性和加工性；與Si作用相似，同時延緩滲碳體沉 淀;但含量過大，容易形成氧化物夾雜，降低初性和疲勞性能性能，因而將其含量控制在Al: 0.005 ~0.01%。
[0021] B:鋼中加入微量的棚可改善鋼的致密性和熱社性能，提高澤透性元素，強化晶界 強度，在一定程度上可代替Ni(化、Mo)，優(yōu)選的B含量為0.0008~0.002%。
[0022] 稀±36:加入稀±元素能改善非金屬夾雜物形態(tài)、強化晶界等作用，提高晶界強 度、沖擊初性和焊縫性能，為達到發(fā)明目的控制稀上RE含量為0.0 OOl~0.0005%。
[0023] 制造上述鉆井用石油套管的方法，其制造步驟包括：
[0024] 步驟1:將原料鐵水和廢鋼經(jīng)過冶煉、爐外精煉和真空脫氣后連鑄成板巧，然后社 審IJ、冷卻制成卷板；
[0025] 步驟2:采用高精度熱社卷板為原料，將鋼帶縱剪、銳邊，經(jīng)FFX彎曲成型和HFW焊 接，調(diào)整成型工藝、控制焊接參數(shù)焊成直縫焊管;焊后及時修整內(nèi)外焊縫毛刺，使焊道與管 體內(nèi)外表面齊平、光滑；
[0026] 步驟3:采用中頻感應(yīng)加熱，加熱速度為25 °C~45 °C/s，將HFW焊管管巧快速加熱至 管材的奧氏體化相變溫度Ac3W上約950°C~1050°C，然后進入熱張力減徑機社漉機組，減 徑至所需規(guī)格的管巧；
[0027] 步驟4:熱張力減徑后，利用兩部在線控冷水箱對管巧進行兩級分步外淋，控制管 巧進水箱前溫度^ 900°C，兩部在線控冷水箱前后布置，控冷水箱內(nèi)部采用多部環(huán)形噴淋； 利用前置控冷水箱對管巧外壁進行噴淋，將整體管巧溫度降低至50(TC左右，噴水速率為 500~1000立方米/小時;利用后置控冷水箱將整體管巧溫度降低至350°C左右，噴水速率為 200~500立方米/小時;將運行中的管巧整體冷卻至所需溫度范圍，最后在冷床上冷卻至室 溫；
[0028] 步驟5:控制冷卻后管巧進行回火和矯直處理，回火溫度含450°C，回火時間控制在 < 60min;回火后進行熱矯直，進矯直機的入口溫度含400°C，矯直溫度控制為300~400°C ;
[0029] 步驟6:全管體無損探傷合格后管端車絲、接髓梓接、靜水壓試驗、上保護環(huán)、噴標 和涂漆等制成成品套管。
[0030] 上述步驟3中管巧熱張力減徑時采用多道次熱社，熱社溫度為950~1000°C。
[0031] 本發(fā)明的有益效果：
[0032] 1、本發(fā)明添加 Cr、Mo、師等細化晶粒尺寸和凈化鋼質(zhì)的化、稀±RE等元素，管體的 潔凈度高和晶粒細小，晶粒度達到9級W上。
[0033] 2、本發(fā)明采用TMCP熱社卷板，HFW焊接成型后管巧尺寸精度高，最終產(chǎn)品尺寸精度 可達到:壁厚不均度^ 0.8%，外徑不圓度^ 0.30% ;通過熱張減工藝與在線分級控制冷卻 相結(jié)合的手段，形成馬氏體、貝氏體和殘余奧氏體的混合組織，從而提高套管的強初性和疲 勞性能。
[0034] 3、本發(fā)明通過兩部在線控冷水箱對管巧進行兩級分步外淋，兩部在線控冷水箱前 后布置，控冷水箱內(nèi)部采用多部環(huán)形噴淋;利用前置控冷水箱對管巧外壁進行噴淋，將整體 管巧溫度降低至50(TC左右;利用后置控冷水箱將整體管巧溫度降低至35(TC左右，運樣可 使管巧在一定溫度范圍內(nèi)停留。
[0035] 4、本發(fā)明石油套管符合SOksi鋼級油井管力學(xué)性能要求，屈服強度為660~ 758MPa，抗拉強度為含750MPa，延伸率含25%，橫向沖擊功含100J。
[0036] 5、本發(fā)明采用圓弧漏斗樣，載荷比R = -I,循環(huán)周次設(shè)定為IX IO7進行疲勞試驗， 石油套管管材的拉-壓疲勞強度0-1含400Mpa，可W用于對套管的疲勞壽命具有較高要求的 套管鉆井領(lǐng)域。
【具體實施方式】：
[0037] 結(jié)合實施實例對本發(fā)明進一步進行說明，其實施例見下表1、表2和表3。表1為試驗 鋼的烙煉化學(xué)成分，表2為不同化學(xué)成分下套管的力學(xué)性能，表3為不同化學(xué)成分下套管的 疲勞性能。
[0038] 由表1可W看出：本發(fā)明通過添加 RE、AlXa、Mn等元素合金，在煉鋼中降低卷板中 S、P、0、N、H等有害元素含量和MnS等夾雜物的存在，W提高鋼水的潔凈度。
[0039] 熱張力減徑過程中通過中頻感應(yīng)加熱和合理的選擇社制道次、社制溫度范圍將管 巧奧氏體晶粒尺寸保持原卷板尺寸，使晶粒度達9級W上，保證原料本質(zhì)上的晶粒細小。
[0040] 在熱張力減徑后利用高溫余熱進行快速分級控制冷卻，先將管體溫度控制在貝氏 體相變區(qū)，先析出一定量貝氏體鐵素體可分割原奧氏體晶粒，從而使后轉(zhuǎn)變馬氏體板條束 得W細化；同時合金成分設(shè)計使組織在原奧氏體晶界、貝氏體片條邊界及其內(nèi)部的亞片條 邊界、貝氏體片條與馬氏體板條束邊界W及馬氏體板條之間形成一定厚度的殘余奧氏體 膜。通過熱張減工藝與在線分級控制冷卻相結(jié)合的手段，控制管材組織的精細結(jié)構(gòu)構(gòu)成，形 成馬氏體、貝氏體和殘余奧氏體的混合組織，其中馬氏體+貝氏體的體積含量大于90%，馬 氏體的體積含量大于35%而小于50%，殘余奧氏體的體積含量小于10%，從而提高套管的 強初性和疲勞性能。
[0041] 在回火過程中，選擇合適的回火溫度和時間，一方面使細小的馬氏體鐵素體上彌 散分布球狀、細小的碳化物或合金碳化物，另一方面貝氏體/馬氏體復(fù)合組織結(jié)構(gòu)回火后遺 留下來。
[0042] 從表2和表3可W看出：采用本發(fā)明所述的化學(xué)成分和工藝，生產(chǎn)的試驗鉆井用石 油套管的強初性能優(yōu)異，本發(fā)明采用圓弧漏斗樣，載荷比R = -I,循環(huán)周次設(shè)定為IX 107,進 行疲勞試驗證明石油套管管材的拉-壓疲勞強度400Mpa，可W用于對套管的疲勞壽命 具有較高要求的套管鉆井領(lǐng)域，完全能滿足SOksi鋼級鉆井用石油套管的使用性能要求。
[0043] 表1試驗鋼的烙煉化學(xué)成分
[0044]
[0047」表3套菅的疲勞性能
[
[
[004引
[0049] W上內(nèi)容是結(jié)合具體的優(yōu)選實施方式對本發(fā)明所作的進一步詳細說明，不能認定 本發(fā)明的【具體實施方式】僅限于此，對于本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫 離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，做出的若干簡單推演、替換或變換等都應(yīng)當視為屬于本發(fā)明所提 交的權(quán)利要求書確定專利保護范圍。
【主權(quán)項】
1. 一種鉆井用石油套管，其特征在于:所述石油套管用熱乳卷板化學(xué)成分的質(zhì)量百分 KSC:0.08~0.15%;Si:0.8~1.5%;Mn :1.5~3.0%;P:<0.010%;S :<0.005%;Cr:0.5 ~1.5%;Mo:0.2~0.4% ;Nb:0.05~0.2%;Al:0.005~0.01% ;Ca:0.001~0.002%;B: 0.0008~0.002% ;RE:0.0001~0.0005% ;余量為Fe和不可避免的雜質(zhì)。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的鉆井用石油套管，其特征在于:所述石油套管的顯微組織為馬 氏體、貝氏體和殘余奧氏體的混合組織，其中馬氏體+貝氏體的體積含量大于90%，馬氏體 的體積含量大于35%而小于50%，殘余奧氏體的體積含量小于10%。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的鉆井用石油套管，其特征在于:所述石油套管的壁厚不均度< 0.8%，外徑不圓度<0.30%。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的鉆井用石油套管，其特征在于：所述石油套管的屈服強度為 660~758MPa，抗拉強度為2 750MPa，延伸率2 25%，橫向沖擊功2 100J;在載荷比R = -l，循 環(huán)周次為1 X 1〇7下，石油套管管材的拉-壓疲勞強度σ-Ρ 400Mpa。5. 制造權(quán)利要求1所述的鉆井用石油套管的制造方法，其特征在于:所述制造方法的步 驟包括： 步驟1:將原料鐵水和廢鋼經(jīng)過冶煉、爐外精煉和真空脫氣后連鑄成板坯，然后乳制、冷 卻制成卷板； 步驟2:采用高精度熱乳卷板為原料，將鋼帶縱剪、銑邊，經(jīng)FFX彎曲成型和HFW焊接，調(diào) 整成型工藝、控制焊接參數(shù)焊成直縫焊管;焊后及時修整內(nèi)外焊縫毛刺，使焊道與管體內(nèi)外 表面齊平、光滑； 步驟3:采用中頻感應(yīng)加熱，加熱速度為25~45 °C/s，將HFW焊管管坯快速加熱至管材的 奧氏體化相變溫度Ac3以上約980~1050Γ，然后進入熱張力減徑機乳輥機組，減徑至所需 規(guī)格的管坯； 步驟4:熱張力減徑后，利用兩部在線控冷水箱對管坯進行兩級分步外淋，控制管坯進 入水箱前溫度2 900°C，兩部在線控冷水箱前后布置，控冷水箱內(nèi)部采用多部環(huán)形噴淋;利 用前置控冷水箱對管坯外壁進行噴淋，將整體管坯溫度降低至500°C左右，噴水速率為500 ~1000立方米/小時;利用后置控冷水箱將整體管坯溫度降低至350°C左右，噴水速率為200 ~500立方米/小時;將運行中的管坯整體冷卻至所需溫度范圍，最后在冷床上冷卻至室溫； 步驟5:控制冷卻后管坯進行回火和矯直處理，回火溫度2 450°C，回火時間控制在< 60min;回火后進行熱矯直，進矯直機的入口溫度2 400°C，矯直溫度控制為300~400°C ; 步驟6:全管體無損探傷合格后管端車絲、接箍擰接、靜水壓試驗、上保護環(huán)、噴標和涂 漆等制成成品套管。6. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的鉆井用石油套管的制造方法，其特征在于:所述步驟3中管坯 熱張力減徑時采用多道次熱乳，熱乳溫度為950~1000°C。
【文檔編號】C22C38/12GK105861931SQ201610363786
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年5月27日
【發(fā)明人】畢宗岳, 何石磊, 李遠征, 張峰, 韋奉, 白鶴, 李周波, 王濤, 梁航, 周新義, 王亮, 徐凱, 楊曉龍
【申請人】寶雞石油鋼管有限責(zé)任公司