[发明专利]一种高韧性超高强油井用无缝钢管及其制造方法

说明书

技术领域

本发明属于低合金钢制造领域，特别涉及一种具有高韧性的超高强度无缝钢管，可供油、气田钻采石油和天然气使用。

背景技术

随着全球原油、天然气的逐年大量开采，浅表油层的开采已不能满足日益增加的庞大需求，油、气田的钻井深度在不断加深，有些地方的钻井深度已达六、七千米，甚至更深。随着井深的增加，地质条件变得复杂而苛刻，加之高温、高压的井下环境，对油井管的强、韧性能提出了更高的要求，API最高钢级Q125油井管已不能满足这些深井、超深井的使用要求。目前，急需屈服强度在125ksi以上，而冲击韧性与之相匹配的具有低缺口敏感性的超高强度油井管。

一般而言，钢的强度越高则韧性就越低，二者互为消长，根据断裂力学强度理论，油井管中允许存在的微小缺陷的临界尺寸与K_IC与σ_y之比的平方有关，即油井管强度越高，需要匹配的韧性也越高，英国能源部的指导性技术文件表明，当油井管的横向缺口CVN(单位J)与屈服强度(单位MPa)之比大于等于0.1时，钢管的缺口敏感性才能保证使用的安全，即屈服强度大于140ksi(980MPa)的油井管，其需匹配98J以上的横向CVN，而目前市场上已有的超高强油井管，都难以达到该要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有优异韧性的超高强度油井管及其制造方法，发明的油井管管材满足英国能源部的指导性技术文件要求，即油井管的横向缺口CVN与屈服强度之比大于等于0.1，保证油、气田深井及超深井安全开采对油井管材的需要。

本发明的高韧性超高强度油井管成分按重量百分比规定如下：C：0.15％～0.27％、Si：≤0.30％、Mn：0.20％～0.50％、Cr：0.85％～1.45％、Mo：0.40％～1.2％、V：0.08％～0.20％、Als：0.01％～0.05％，P≤0.012％，S≤0.005％，H：≤0.00015％、N：≤0.0050％、O：≤0.0040％，As+Sn+Pb+Sb+Bi≤0.0080％，其余为Fe。

各合金元素范围选择的说明：

C：碳的主要作用是提高淬透性，与钢中其它合计元素形成的碳化物可以提高强度，碳含量低于0.15％，钢的淬透性和强度难以保证，但碳元素会对钢的韧性起到破坏作用，碳高于0.27％韧性难以保证。为达到本发明的目的，C更优选的范围为0.19％～0.25％。

Si：硅在这里主要是起脱氧作用，但对韧性损害较大，故将其限定在0.3％以下。

Mn：锰可提高淬透性，与钢中的S元素结合成MnS，可以避免钢的热脆性的产生，同时Mn可以扩大钢的奥氏体区，可以细化晶粒，起到改善钢的强韧性的作用，含量低于0.2％时作用不明显，含量超过0.5％时，促使有害元素在晶界偏聚的作用开始明显，降低超高强油井管钢的韧性，同时使钢易产生硫化氢应力腐蚀。

Cr：铬提高淬透性，改善钢的强韧性，并具有耐蚀作用，低于0.85％时韧性不足，高于1.45％时，作用已不明显，而且更高含量的铬将增加钢的回火脆性。为达到本发明的目的，Cr更优选的范围为1.00％～1.25％。

Mo：钼提高淬透性，提高钢的回火抗力，抑制回火脆性，其细化晶粒作用明显，对改善钢的强韧性作用较大，含量低于0.40％，强韧性难以满足要求，高于1.20％则作用饱和，成本增加。为达到本发明的目的，Mo更优选的范围为0.65％～0.9％。

V：钒形成C、N化物，具有细化晶粒、提高强度的作用，可以改善钢的强韧性，含量低于0.08％时达不到要求，高于0.20％时作用已不明显，含量再升高时对韧性起到破坏作用。为达到本发明的目的，V更优选的范围为0.10％～0.12％。

Als：铝一方面作为强脱氧剂加入，另一方面可细化晶粒，改善钢的韧性，钢中酸溶铝含量低于0.01％时作用不足，高于0.05％作用已饱和，并开始损害钢的高温强韧性。为达到本发明的目的，Al更优选的范围为0.01％～0.035％。

本发明产品的制造方法是，按上述成分冶炼、浇铸、制造圆管坯、热轧制管，钢管冷却，进行900～950℃的正火处理，而后进行870～920℃的水淬，再经620～660℃的回火处理，回火时间60～150分钟。热处理后的钢管采用不低于300℃的带温矫直，矫直后钢管经580～630℃的去应力处理。

热处理后的钢管还需经过探伤检验。

经过上述工艺制造的无缝钢管具有如下性能：

屈服强度：980-1150MPa抗拉强度：1040-1230MPa