直缝电阻焊石油套管用钢及套管制造方法

摘要

直缝电阻焊石油套管用钢及套管制造方法，应用于石油天然气工业油气井用直缝电阻焊石油套管。直缝电阻焊石油套管用钢的质量百分比如下：C：0.15～0.28％；Mn：1.0～1.6％；Si：0.2～0.4％；Al：0.02～0.06％；P≤0.01％；S≤0.005％，N≤0.008％，Ca0.001～0.005％，余量为Fe。制备过程：制备热轧板卷；用热轧板卷生产直缝电阻焊接钢管；对焊后焊接钢管进行焊缝正火或整体正火；正火或回火后的焊接钢管校直并截成长度10～12m的管段；加工API标准螺纹。效果是：具有优良的强度和韧性，焊缝无缺陷且与母材性能均匀一致：屈服强度≥380～760MPa，抗拉强度≥520～865MPa，延伸率≥20％，室温横向全尺寸V型缺口冲击能≥40J。

说明书

技术领域

本发明涉及一种石油天然气工业油气井用直缝电阻焊石油套管用钢及其制造方法。用所提供的材料和工艺制造的直缝电阻焊石油套管具有良好的综合性能，满足油气井钻井和完井的需要。

背景技术

采用直缝电阻焊方法生产石油套管具有生产效率高的特点；由于电阻焊接所用的热轧板卷依靠控制轧制方法生产，具有高的壁厚精度，如果制管工艺得当，钢管的几何尺寸精度也很好；加之焊接技术发展及无损检测技术进步，使直缝电阻焊管的质量有了很大提高，其高成材率也显示出其良好的经济性。但是，直缝电阻焊石油套管在使用中的质量事故时有发生，主要表现为螺纹粘扣、焊缝存在粗大组织缺陷、焊缝存在氧化物夹杂、甚至存在裂纹，严重时会导致爆裂。

二十世纪八十年代以来，为了降低钻完井成本，我国石油行业开展了用进口直缝电阻焊套管部分替代无缝套管的研究和推广应用工作，取得了良好的成效。随着国内直缝电阻焊接生产线的引进，国产直缝电阻焊石油套管开始生产和应用，降低了油田勘探开发成本。但是，国产石油套管生产厂家繁多，产品质量参差不齐，时而发生质量事故，其技术完整性还有待提高。

为了满足油气田勘探开发对石油套管可靠、经济的要求，本发明专利通过钢材化学成分和套管制造工艺的优化设计，提供了一种螺纹抗粘扣、母材和焊缝强度韧性优良、抗挤性能好等综合性能优良的直缝电阻焊石油套管用钢及其制造方法。

发明内容

本发明的目的是：提供一种直缝电阻焊石油套管用钢及套管制造方法，针对电阻焊套管螺纹连接部位易于粘扣、焊缝易产生缺陷、焊缝韧性低等问题，通过钢材化学成分和套管制造工艺的优化设计，提供了一种螺纹抗粘扣、母材和焊缝强度韧性优良、抗挤性能好等综合性能优良的直缝电阻焊石油套管用钢及其制造方法，以满足油气田勘探开发对直缝电阻焊石油套管可靠性和经济性的要求。

本发明采用的技术方案是：直缝电阻焊石油套管用钢及套管制造方法，其特征在于：

本发明的直缝电阻焊石油套管合金材料的(各组分)质量百分比如下：

C：0.15～0.28％；Mn：1.0～1.6％；Si：0.2～0.4％；Al：0.02～0.06％；P≤0.01％；S≤0.005％，N≤0.008％，Ca0.001～0.005％，余量为Fe；在此基础上还可添加质量百分比Nb：0.03～0.10％；Ti：0.02～0.06％；V：0.03～0.10％中的一种或两种以上的合金元素；还可添加微量的Cu：0.15～0.25％，Ni：0.15～0.25％，Mo：0.16～0.3％，Cr：0.1～0.2％，B：0.001～0.005％合金元素。同时，控制Mn/Si：4～10。适当的碳含量主要是为了兼顾材料的强韧性和螺纹的抗粘扣性能；Mn是固溶强化和提高淬透性的元素，加入Nb、V、Ti等微合金化元素以细化晶粒，加入Cu元素以提高材料强度和耐腐蚀性能，加入Ni元素来改善添加Cu热加工性能的不利影响，加入Mo、Cr来提高材料的淬透性；加入微量B元素进一步提高材料淬透性，也可减少其它合金元素添加量以降低成本；采用Al、Si完全脱氧，脱S、P及有害气体，Ca处理控制夹杂物形态，以提高材料的韧性和综合性能；控制Mn与Si比主要是要降低电阻焊接过程中焊缝不可避免的氧化物的熔点使其易于排出，以改善焊缝性能。

直缝电阻焊石油套管的制造方法：

首先，制备热轧板卷：将直缝电阻焊石油套管用钢各组分经过氧吹转炉熔炼，炉外精炼，真空脱气；经过连铸成250mm厚的板坯；然后再加热至约1200℃；温度降至1000～1100℃进行粗轧，温度在750～950℃进行精轧，精轧后喷水冷却，冷却速度为15～30℃/s；然后卷取，卷取温度520～620℃，制成综合性能优良的厚度为6～19.1mm的热轧板卷。

其次，用热轧板卷生产直缝电阻焊接钢管：热轧板卷拆卷、矫平，铣边，精确控制带钢宽度和板边垂直度，采用排辊成型控制板边波形；调整焊接电流、电压参数。以产生60～80°的焊缝金属流动上升角为目标控制焊缝的挤压量。开口角控制在3～6°，焊接速度为15～25m/min。焊接成厚度为6～19.1mm的直缝钢管。(焊缝金属流动上升角：电阻焊接过程中，焊缝两边金属加热并挤压后形成的金属流线与原金属流线的夹角)

然后，对焊后焊接钢管进行焊缝正火或整体正火，正火温度900～1000℃，正火后的焊接钢管在线450～550℃热定径及校直；或采用热张力减径方法，通过高温扩散和形变热处理，使钢管的成分均匀，甚至于达到“无缝化”，材料晶粒细化；还可以进行一次880～950℃的整体加热淬火并进行550～650℃回火，淬火回火后的焊接钢管也可以采用450～550℃的离线热校直。

焊接钢管截成长度10～12m的管段。

最后，在每根焊接钢管的两端，用数控机床加工API标准螺纹或特殊螺纹。

本发明的有益效果：本发明方法制备的直缝电阻焊石油套管，具备以下性能特点：

具有优良的强度和韧性，焊缝无缺陷且与母材性能均匀一致：屈服强度≥380～760MPa(屈服强度达到API J55～P110钢级要求)，抗拉强度≥520～865Mpa，延伸率≥20％，室温横向全尺寸V型缺口Charpy冲击能≥40J。

套管外径偏差≤0.5％D，壁厚偏差≤7.5％t，圆度≤0.3％；残余应力小于屈服强度的10％；抗挤强度比相同规格的API标准套管提高15％～50％。

用该材料加工的螺纹接头具有良好的抗粘扣性能。

具体实施方式

实施例1：以一批次直缝电阻焊石油套管用钢及套管制造方法为例，对本发明作进一步详细说明。

直缝电阻焊石油套管用钢合金成分(各组分)质量百分比是，C：0.18％，Mn：1.36％，Si：0.21％，P：0.008％，S：0.003％，N：0.007％，Ca：0.003％，Al：0.03％，Nb：0.04％；Ti：0.03％；其余Fe。其中Mn比Si约为6.5∶1。

制造直缝电阻焊石油套管的方法：

首先，制备热轧板卷：将直缝电阻焊石油套管用钢各组分经过氧吹转炉熔炼，炉外精炼，真空脱气；经过连铸制成250mm厚的板坯；然后再加热至约1200℃；温度降至1080～1100℃进行粗轧，温度在850～950℃进行精轧，精轧后厚度为10.03mm。精轧后喷水冷却，冷却速度为15～20℃/s；然后卷取，卷取温度580～620℃，制成厚度为10.03mm热轧板卷。

其次，用热轧板卷生产外径244.5mm、壁厚10.03mm直缝电阻焊接钢管。拆卷、矫平、铣边，精确控制带钢宽度在769.6～771.6mm，板边铣加工平行，采用排辊成型控制板边波形；调整焊接电流、电压工艺参数。调整焊缝的挤压量使材料产生70°～75°的焊缝金属流动上升角。开口角控制在5°。焊接速度20m/min。焊接成厚度为外径244.5mm、壁厚10.03mm的直缝钢管。

然后，对焊后焊缝进行950℃±15℃在线正火。焊后在线450-500℃热定径及校直。焊接钢管截成长度约为11m的管段。

最后，在每根焊接钢管的两端，用数控机床加工API标准螺纹或特殊螺纹。

性能特点：屈服强度605MPa，抗拉强度721Mpa，强度达到API 80ksi钢级要求，延伸率28％，室温焊缝横向V型缺口Charpy冲击能63J；套管外径偏差0.45％D，壁厚不均度3.1％，圆度0.3％；抗外挤强度(压力)为31.1Mpa，抗挤强度比相同规格的API标准套管提高46％。用该材料加工的螺纹接头采用API标准方法上卸扣3次不发生粘扣。

实施例2：

直缝电阻焊石油套管用钢合金成分(各组分)质量百分比是，C：0.23％，Mn：1.54％，Si：0.27％，P：0.007％，S：0.004％，N：0.007％，Nb：0.07％，Ti：0.03％，Ca：0.002％，Al：0.04％，Mo：0.23％，Cr：0.18％，B：0.003％，其余Fe。其中Mn比Si约为5.7∶1。

制造直缝电阻焊石油套管的方法：

首先，制备热轧板卷：将直缝电阻焊石油套管用钢各组分经过氧吹转炉熔炼，炉外精炼，真空脱气；经过连铸制成250mm厚的板坯；然后再加热至约1200℃；温度降至1000～1100℃进行粗轧，温度在850～900℃进行精轧，精轧厚度为9.19mm，精轧后喷水冷却，冷却速度为15～20℃/s；然后卷取，卷取温度500～600℃，制成综合性能优良的壁厚为9.19mm热轧板卷。

其次，用热轧板卷生产外径177.8mm、壁厚9.19mm直缝电阻焊接钢管：热轧板经过拆卷、矫平、铣边，精确控制带钢宽度在560.1～562.1mm之间，两板边铣加工成平行，采用排辊成型控制板边波形；调整焊接电流、电压等工艺参数。控制焊缝的挤压量，使其产生60°～80°的焊缝金属流动上升角。开口角控制在4.5°。焊接速度19～21m/min。焊接成厚度为外径177.8mm、壁厚9.19mm的直缝钢管。

然后，对焊后焊接钢管进行热张力减径，加热温度1150～1200℃，通过高温扩散和形变热处理，使钢管的成分均匀，甚至于达到“无缝化”，材料晶粒细化；随后进行890～920℃整体加热淬火，600℃±15℃回火两个小时。

采用450～510℃的热校直工艺调整钢管的几何尺寸。焊接钢管截成长度约11m的管段。

最后，在每根焊接钢管的两端，用数控机床加工API标准螺纹或特殊螺纹。

直缝电阻焊石油套管性能特点：屈服强度788MPa，抗拉强度891Mpa，强度达到API 110ksi钢级要求，延伸率24％，室温横向全尺寸V型缺口Charpy冲击能87J；套管外径偏差0.41％D，壁厚不均度2.9％，圆度0.26％；抗外挤强度(压力)为60.6Mpa，抗挤强度比相同规格的API标准套管提高41％。用该材料加工的螺纹接头采用API标准方法上卸扣3次不发生粘扣。

实施例3：

直缝电阻焊石油套管用钢合金成分(各组分)质量百分比是，C：0.27％，Mn：1.59％，Si：0.21％，P：0.009％，S：0.006％，N：0.006％，Nb：0.06％，V：0.05％，Ti：0.04％，Ca：0.003％，Al：0.05％，Mo：0.28％，Cr：0.19％，Cu：0.18％，Ni 0.25％，其余Fe。其中Mn比Si约为7.6∶1。

制造直缝电阻焊石油套管的方法：

首先，制备热轧板卷：将直缝电阻焊石油套管用钢各组分经过氧吹转炉熔炼，炉外精炼，真空脱气；经过连铸成250mm厚的板坯；然后再加热至约1200℃；温度降至1080～1100℃进行粗轧，温度在870～950℃进行精轧，精轧后喷水冷却，冷却速度为18～23℃/s；然后卷取，卷取温度500～550℃，制成综合性能优良的壁厚约为13.84mm热轧板卷。

其次，用热轧板卷生产外径244.5mm、壁厚13.84mm直缝电阻焊接钢管：热轧板卷车卷、矫平、铣边，精确控制带钢宽度为769.6～771.5mm，两板边铣加工成平行，采用排辊成型控制板边波形；调整焊接电流、电压等工艺参数。控制焊缝的挤压量，使其产生60°～80°的焊缝金属流动上升角。开口角控制在6°。焊接速度18～20m/min。焊接成厚度为外径244.5mm、壁厚13.84mm的直缝钢管。

然后，对焊后焊缝进行960±15℃在线正火。焊后在线480-520℃热定径及校直。焊接钢管截成长度约为11m的管段。

之后进行一次930±15℃的整体加热淬火并进行575±15℃回火。回火后水冷。

淬火回火后的焊接钢管采用500℃～530℃的离线热校直。焊接钢管截成长度约为10m的管段。

最后，在每根焊接钢管的两端，用数控机床加工API标准螺纹或特殊螺纹。

直缝电阻焊石油套管性能特点：屈服强度893MPa，抗拉强度982Mpa，强度达到API 125ksi钢级要求，延伸率27％，室温横向全尺寸V型缺口Charpy冲击能68J；套管外径偏差0.46％D，壁厚不均度3.1％，圆度0.21％；抗外挤强度(压力)为75.7Mpa，抗挤强度比相同规格的API标准套管提高30％。用该材料加工的螺纹接头采用API标准方法上卸扣3次不发生粘扣。