[发明专利]提高无缝钢管横向冲击韧性的方法

说明书

技术领域

本发明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。

背景技术

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，P110～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，是本发明要解决的技术问题。

发明内容

本发明是鉴于上述技术中存在的问题，本发明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，本发明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：≤0.50％、Mn：0.60～1.90％、Cr：≤1.50％、Mo：≤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O、H、N含量降至O≤0.004％，N≤0.013％，H≤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℃，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：