[发明专利]超高强度超高韧性石油套管用钢、石油套管及其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种钢材料及其制造方法，尤其涉及一种石油套管及其制造方法。

背景技术

深井、超深井是近年来石油勘探开发领域开发越来越多的井况，为了保证高温高压开采开发的安全性，需要对管柱材料的强度提出更高的要求。然而，一般来说，随着钢材强度的提升，韧性会下降，而钢管减薄后韧性不足极易引发早期裂纹及断裂，因此，高强度套管钢必须匹配高韧性，才能保证管柱的安全。

根据英国能源部指导标准，压力容器的冲击韧性应该达到其屈服强度数值的10％，也就是说155钢级套管材料要求的韧性要达到107J以上。然而，现实情况是，兼具高韧性和高强度的钢管开发难度极大，目前能够进行工业应用的套管强度能够达到155ksi以上，但是冲击韧性只有50-80J。

文献号为JP11131189A的日本专利文献公开了一种钢管产品，其在750-400℃范围内加热，然后在20％或60％变形量以上的范围内进行轧制，从而生产出屈服强度950Mpa以上、具有良好韧性的钢管产品。然而，本案发明人认为这种工艺的加热温度较低，易产生马氏体组织，另外轧制温度低，轧制难度也较大。

文献号为JP04059941A的日本专利文献也公开了一种钢管产品，其通过热处理工艺来控制钢基体中残余奥氏体和上贝氏体的比例，从而使得抗拉强度达到120-160ksi。该技术方案的特点是高碳和高硅，此两种成分可以显著提高强度但会显著降低韧性。此外，本案发明人认为残余奥氏体会在石油管使用过程中发生组织发生转变(深井油井管使用温度120℃以上)，这会导致钢管在提高强度的同时降低韧性。

公开号为CN101250671，公开日为2008年8月27日，名称为“具有高强度和高韧性的石油套管及其制造方法”的中国专利文献也公开了一种高强度高韧性钢，其化学元素配比为：C：0.22～0.4％、Si：0.17～0.35％、Mn：0.45～0.60％、Cr：0.95～1.10％、Mo：0.70～0.80％、Al：0.015～0.040％、Ni＜0.20％、Cu＜0.20％、V：0.070～0.100％、Ca＞0.0015％、P＜0.010％、S＜0.003％，其余为铁，其制造工艺包括步骤：①配料冶炼；②连铸连轧；③管加工。然而该套管的横向冲击韧性只有80J。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种超高强度超高韧性石油套管用钢，其强度可以到达155ksi以上，其冲击韧性远大于其屈服强度数值的10％，因此能够实现超高强度与超高韧性的匹配。

为了实现上述目的，本发明提出了一种超高强度超高韧性石油套管用钢，其微观组织为回火索氏体，其化学元素质量百分比含量为：C：0.1-0.22％，Si：0.1-0.4％，Mn：0.5-1.5％，Cr：1-1.5％，Mo：1-1.5％，Nb：0.01-0.04％，V：0.2-0.3％，Al：0.01-0.05％，Ca：0.0005-0.005％，余量为Fe和不可避免的杂质。

本发明所述的超高强度超高韧性石油套管用钢的成分设计原理为：

C：C为析出物形成元素，可以提高钢的强度。在本技术方案中，当C含量低于0.10％时，会使淬透性降低，从而降低强度，材料强度难以达到155ksi以上，若C含量高于0.22％，则会与Cr、Mo形成大量粗化的析出物，并显著加重钢的偏析，造成韧性显著降低，难以达到高强度高韧性的要求。

Si：Si固溶于铁素体可以提高钢的屈服强度。然而，Si元素不宜过高，含量太高会使加工和韧性恶化，Si元素含量低于0.1％会使钢容易氧化。

Mn：Mn为奥氏体形成元素，可以提高钢的淬透性。在本技术方案中，Mn元素含量小于5％时显著降低钢的淬透性，降低马氏体比例从而降低韧性；当其含量大于1.5％时，又会显著增加钢中的组织偏析，影响热轧组织的均匀性和冲击性能。

Cr：Cr是强烈提高淬透性的元素，是一种强析出物形成元素，回火时其析出析出物以提高钢的强度，在本技术方案中，其含量高于1.5％时容易在晶界析出粗大M23C6析出物，降低韧性，但是若其含量低于1％，又会导致淬透性不足。

Mo：Mo主要是通过析出物及固溶强化形式来提高钢的强度及回火稳定性，在本技术方案中，由于碳含量较低，因此添加的Mo若超过1.5％也难以对强度提高有显著影响，反而会造成合金浪费，另外，如果Mo元素含量低于1％，则无法保证强度达到155ksi以上。