提高无缝钢管横向冲击韧性的方法技术

本发明专利技术提供一种提高无缝钢管横向冲击韧性的方法，该方法包括有以下步骤：管坯冶炼和连铸；钢管的穿孔和连轧；热处理；使石油套管的力学性能达到：屈服强度和抗拉强度：满足ＡＰＩ?ＳＰＥＣ?５ＣＴ的标准要求，冲击韧性：满足ＡＰＩ?ＳＰＥＣ?５ＣＴ的标准要求，同时横向全尺寸夏比冲击功与纵向全尺寸夏比冲击功的比值控制在０．７５～０．９０之间。本发明专利技术的效果是该方法当轧制比控制在１２．８％～２６％之间时，钢管的横向全尺寸夏比冲击功与纵向全尺寸夏比冲击功的比值也就控制在了０．７５～０．９０之间，钢管生产的轧制比降到１５．９％，其横纵冲击比提高到０．８９，这时横向冲击功提高到５５Ｊ。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于金属材料行业的石油天然气工业用无缝钢管制造技术，涉及一种提高 无缝钢管横向冲击韧性的方法。
技术介绍
由于全球石油供应的严峻形势，深层油气资源和海洋油田的开采使套管的使用环 境和载荷越来越严酷，这对套管的强度和韧性提出了更高的要求。但高强度套管普遍存在 着横向韧性偏低的问题，无法满足油田开发深层和复杂地质条件油田的需要。超深油气井 的勘探、建设已成为关系到石油天然气工业长期稳定持续发展的重大基础工程。超高强度 高韧性油井管作为石油钻采行业深井超深井建井的重要工业材料，成为近年来国内外材料 研究与开发的热点。超深井由于井下高温高压环境，对油井管的强度、韧性、密封性能、抗裂 纹扩展能力、抗弯曲能力等使用性能有特殊要求。钢铁材料要求高强度的同时，追求高韧性 是目前油井管领域的研究开发热点。一般来讲，钢的强度与塑性、韧性通常表现为互为消长 的关系，强度高的钢往往塑性和韧性就低，反之，为追求高的塑性和韧性，就必须牺牲钢的 强度。并且随着强度的提高，延迟断裂和缺口的敏感度也会急剧增加。目前，先进而流行的无缝钢管制造工艺一般采用连铸+MPM连轧(或PQF连轧)工 艺生产，对于高强度钢管，采用调质热处理的方法达到所需的强度级别。在API标准规范 中，PllO Q125级别的油井管横向冲击功只要达到40J就可以，但横向冲击功太低，在实 际应用中易发生突然失效等灾难事故。故石油天然气开发用无缝钢管往往要求比API标准 更高的冲击功。由于钢管的轧制变形主要发生在纵向，因此存在较为显著的横纵向的各向异性。 经过调质热处理的石油套管，其的纵向机械性能，尤其是冲击功，比横向高出很多，即纵向 冲击功比较容易达到较高的数值，但横向冲击功则很难达到高的冲击韧性。经统计发现，对 于石油套管，其横向冲击功与纵向冲击功的比值基本上处于0. 30 0. 55之间。随着石油价格的高升和勘探技术的发展，开采的油层深度不断由浅入深，油气井 内的压力和温度也不断提高，地质环境也变得越来越恶劣，使油气井下的石油套管所承受 的应力状态更为复杂和严酷。这样的钻采条件对石油套管的强度及韧性要求很苛刻，一旦 石油套管选择不当，就会出现挤毁和泄露等事故，导致整口井的减产，甚至报废。同时，在目 前生产技术水平下，钢材存在微小缺欠或损伤是难以避免的，关键是要在提高石油套管强 度的同时，改善其断裂韧性，使材料的缺欠或损伤在严苛载荷下失效时是“先漏后破”的模 式，避免因韧性不足造成在超负荷应力下因裂纹扩展导致破裂而造成灾难。而无缝钢管生产制造上的特点决定了石油套管的纵向冲击韧性要远远高于横向 冲击韧性。但是，石油套管由于是作为一种高压容器来使用，因此其横向冲击韧性比纵向冲 击韧性更重要。因此，如何提高横向冲击韧性，是本专利技术要解决的技术问题。
技术实现思路
本专利技术是鉴于上述技术中存在的问题，本专利技术的目的在于提供一种提高无缝钢管横向 冲击韧性的方法，使钢管的横向冲击功与纵向冲击功相差不大，达到提高横向冲击功的目的。为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是提供一种提高无缝钢管横向冲击韧 性的方法，该方法适用于对横向冲击功要求高、承受高压的石油套管、油管、钻杆、螺杆钻 具、气瓶管用的无缝钢管，所述无缝钢管组成元素的重量配比为C 0. 22 0. 50%、Si 彡 0. 50%、Mn 0. 60 1. 90%、Cr 彡 1. 50%、Mo 彡 1. 10%、Al 0. 015 0. 060%, Ni < 1.00%,V:< 0. 15%，其余为铁；该方法包括有以下步骤①管坯冶炼和连铸满足API SPEC 5CT标准的石油套管材料经过冶炼和精炼，然后连铸成横截面积 为S1的连铸圆坯。在精炼过程中，通过真空脱气将钢水中0、H、N含量降至0S 0. 004%, N彡0. 013%, H彡0. 0004% ；将P、S含量降低至0. 015%和0. 005%以下；真空脱气后再喂 入CaSi丝进行夹杂物变性处理，使硫化物夹杂球化；将钢中非金属夹杂物A类、B类、C类 和D类四类夹杂物级别总和控制在5级以下。②钢管的穿孔和连轧将上述的连铸圆坯冷却后在环形加热炉内加热，炉温为1250 1320°C，热定心温 度1250 1240°C，热穿孔温度1230 1220°C，连轧温度1100 1050°C，定径温度850 910°C，冷却到室温，锯切，对制得成品钢管探伤；根据成品石油套管的规格，计算该规格石油套管的横截面积S2，为提高横向冲击 韧性，减小材料各向异性，应按照以下计算公式进行轧制变形控制S2ZS1 ^ 12. 8%~ 26% (1)上述计算公式(1)的含义，即，使成品钢管横截面积与连铸坯横截面积的比控制 在12.8% 26%的范围来确定连铸圆坯的外径规格，使用中按以下计算公式(2)先计算成 品钢管的横截面积S2 S2 = π XtX (0D2-t) (2)式中0D2为钢管外径 t为钢管壁厚然后确定应当选择连铸圆坯的外径范围按以下计算公式(3)，连铸圆坯的横截面积S1计算方法如下S1 = π X (OD1/2)2 (3) 式中=OD1为连铸圆坯外径 由公式(3)计算出OD1的表达式0D:=2^(4)V π由公式(1) =S1 = S2/(12. 8%~ 26% )，即 S1 = (3. 8 7. 8) S2，代入公式(4) Di=2 再=2 产二.明2 =2 j(3.8~7.8MOD2-t)r=2 p 8 7 mOD2 _t) 即50D1=2^(3.8~7.8>(OZ)2 -t)(5)③热处理1)采用淬火后再回火的热处理工艺，淬火温度为AC3+30 50°C，淬火介质为水， 回火温度在580°C 680°C，采用空冷；石油套管热处理后，需经热矫直处理，以避免产生大 的残余应力，热矫直温度应控制在500°C 550°C之间，最后探伤；2)或采用亚温淬火，淬火温度为靠近两相区高温端，即温度范围AC3_15°C AC3-20°C，淬火介质为水，淬火后再进行回火热处理，回火温度在560°C 680°C，回火后再 空冷；石油套管热处理后，需经不低于40(TC的热矫直处理，最后探伤；经上述二种热处理工艺中的任意一种，使所述石油套管的力学性能达到的指标如 下屈服强度和抗拉强度满足API SPEC 5CT的标准要求；冲击韧性满足API SPEC 5CT的标准要求，同时横向全尺寸夏比冲击功与纵向全 尺寸夏比冲击功的比值控制在0. 75 0. 90之间。本专利技术的效果是该方法当轧制比控制在12. 8% 26%之间时，即对应延伸系数 3. 85 7. 8，钢管的横向全尺寸夏比冲击功与纵向全尺寸夏比冲击功的比值也就控制在了 0. 75 0. 90之间。在应用本专利技术所述的技术前，钢管生产的轧制比为8. 1%，其横纵冲击 比为0.41，这时横向冲击功只有28J;应用本专利技术的技术后，钢管生产的轧制比为15.9%， 其横纵冲击比提高到0. 89，这时横向冲击功提高到55J。附图说明图1为本专利技术的控制延伸系数(压缩比)提高横向冲击功与纵向冲击功的比值效 果图；图2为本专利技术应用于140KSI钢级油井管时的效果图；图3a、3b为本专利技术的涉及的延伸系数与横纵向冲击比值关系曲线图。具体实本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种提高无缝钢管横向冲击韧性的方法，该方法适用于对横向冲击功要求高、承受高压的石油套管、油管、钻杆、螺杆钻具、气瓶管用的无缝钢管，所述无缝钢管组成元素的重量配比为Ｃ：０．２２～０．５０％、Ｓｉ：≤０．５０％、Ｍｎ：０．６０～１．９０％、Ｃｒ：≤１．５０％、Ｍｏ：≤１．１０％、Ａｌ：０．０１５～０．０６０％、Ｎｉ＜１．００％、Ｖ：＜０．１５％，Ｐ≤０．０１５％，Ｓ≤０．００５％，Ｏ≤０．００４％，Ｎ≤０．０１３％，Ｈ≤０．０００４％，其余为铁；该方法包括有以下步骤：　　①管坯冶靠近两相区高温端，即温度范围ＡＣ３－１５℃～ＡＣ３－２０℃，淬火介质为水，淬火后再进行回火热处理，回火温度在５６０℃～６８０℃，回火后再空冷；石油套管热处理后，需经不低于４００℃的热矫直处理，最后探伤；　　经上述二种热处理工艺中的任意一种，使所述石油套管的力学性能达到的指标如下：　　屈服强度和抗拉强度：满足ＡＰＩ　ＳＰＥＣ　５ＣＴ的标准要求；　　冲击韧性：满足ＡＰＩ　ＳＰＥＣ　５ＣＴ的标准要求，同时横向全尺寸夏比冲击功与纵向全尺寸夏比冲击功的比值控制在０．７５～０．９０之间。炼和连铸：　　满足ＡＰＩ　ＳＰＥＣ　５ＣＴ标准的石油套管材料经过冶炼和精炼，然后连铸成横截面积为Ｓ↓［１］的连铸圆坯，在精炼过程中，通过真空脱气将钢水中残留的气体元素Ｏ、Ｈ、Ｎ含量降至Ｏ≤０．００４％，Ｎ≤０．０１３％，Ｈ≤０．０００４％；将易形成夹杂的Ｐ、Ｓ含量降低至０．０１５％和０．００５％以下；真空脱气后再喂入ＣａＳｉ丝进行夹杂物变性处理，使硫化物夹杂球化；将钢中非金属夹杂物Ａ类、Ｂ类、Ｃ类和Ｄ类四类夹杂物级别总和控制在５级以下。　　②钢管的穿孔和连轧　　将上述的连铸圆坯冷却后在环形加热炉内加热，炉温为１２５０～１３２０℃，热定心温度１２５０～１２４０℃，热穿孔温度１２３０～１２２０℃，连轧温度１１００～１０５０℃，定径温度８５０～９１０℃，冷却到室温，锯切，对制得成品钢管探伤；　　根据成品石油套管的规格，计算该规格石油套管的横截面积Ｓ↓［２］，为提高横向冲击韧性，减小材料各向异性，应按照以下计算公式进行轧制变形控制：　　Ｓ↓［２］／Ｓ↓［１］≈１２．８％～２６％（１）　　上述计算公式（１）的含义，即，使成品钢管横截面积与连铸坯横截面积的比控制在１２．８％～２６％的范围来确定连铸圆坯的外径规格，使用中按以下计算公式（２）先计算成品钢管的横截面积Ｓ↓［２］：　　Ｓ↓...

【技术特征摘要】
一种提高无缝钢管横向冲击韧性的方法，该方法适用于对横向冲击功要求高、承受高压的石油套管、油管、钻杆、螺杆钻具、气瓶管用的无缝钢管，所述无缝钢管组成元素的重量配比为C0.22～0.50％、Si≤0.50％、Mn0.60～1.90％、Cr≤1.50％、Mo≤1.10％、Al0.015～0.060％、Ni＜1.00％、V＜0.15％，P≤0.015％，S≤0.005％，O≤0.004％，N≤0.013％，H≤0.0004％，其余为铁；该方法包括有以下步骤①管坯冶炼和连铸满足API SPEC 5CT标准的石油套管材料经过冶炼和精炼，然后连铸成横截面积为S1的连铸圆坯，在精炼过程中，通过真空脱气将钢水中残留的气体元素O、H、N含量降至O≤0.004％，N≤0.013％，H≤0.0004％；将易形成夹杂的P、S含量降低至0.015％和0.005％以下；真空脱气后再喂入CaSi丝进行夹杂物变性处理，使硫化物夹杂球化；将钢中非金属夹杂物A类、B类、C类和D类四类夹杂物级别总和控制在5级以下。②钢管的穿孔和连轧将上述的连铸圆坯冷却后在环形加热炉内加热，炉温为1250～1320℃，热定心温度1250～1240℃，热穿孔温度1230～1220℃，连轧温度1100～1050℃，定径温度850～910℃，冷却到室温，锯切，对制得成品钢管探伤；根据成品石油套管的规格，计算该规格石油套管的横截面积S2，为提高横向冲击韧性，减小材料各向异性，应按照以下计算公式进行轧制变形控制S2/S1≈12.8％～26％(1)上述计算公式(1)的含义，即，使成品钢管横截面积与连铸坯横截面积的比控制在12.8％～26％的范围来确定连铸圆坯的外径规格，使用中按以下计算公式(2)先计算成品钢管的横截面积S2S2＝π×t×(OD2 t)(2)式中OD2为钢管外径t为钢管壁厚然后确定应当选择连铸圆坯的外径范围按以下计算公式(3)，连铸圆坯的横截面积S1计算方法如下S1＝π×(OD1/2)2(3)式中OD1为连铸圆坯外径由公式(3)计算出OD1的表达式 <mrow><msub> <mi>OD</mi> <mn>1</mn></msub><mo>=</mo><mn>2</mn><msqrt> <mfrac><msub> <mi>S</mi> <mn>1</mn></msub><mi>&pi;</mi> </mfrac></msqrt><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow> <mo>(</mo> <mn>4</mn> <mo>)</mo></mrow> </mrow>由公式(1)S1＝S2/(12.8％～26％)，即S1＝(3.8～7.8)S2，代入公式(4) <mrow><msub> <mi>OD</mi> <mn>1</mn></msub><mo>=</mo><mn>2</mn><msqrt> <mfrac><msub> <mi>S</mi> <mn>1</mn></msub><mi>&pi;</mi> </mfrac></msqrt><mo>=</mo><mn>2</mn><msqrt> <mfrac><mrow> <mrow><mo>(</mo><mn>3.8</mn><mo>~</mo><mn>7.8</mn><mo>)</mo> </mrow> <msub><mi>S</mi><mn>2</mn> </msub></mrow><mi>&pi;</mi> </mfrac></msqrt><...

【专利技术属性】
技术研发人员：张传友，江勇，周家祥，严泽生，孙开明，王明智，王青峰，刘江成，史庆志，李效华，周晓峰，甑晓川，
申请(专利权)人：天津钢管集团股份有限公司，燕山大学，
类型：发明
国别省市：12[中国|天津]