[发明专利]一种低成本高强韧140ksi钢级无缝钢管及其制备方法

说明书

一种低成本高强韧140ksi钢级无缝钢管的制备方法，质量百分比为：C：0.15‑0.25％，Si：0.15‑0.30％，Mn：1.2‑1.6％，Cr：0.3‑0.4％，Nb：0.01‑0.03％，B：0.0012‑0.002％，余为Fe和杂质。采用两步淬火加电磁感应回火的调质热处理工艺：首先，轧制好的无缝钢管在900‑950℃奥氏体化30‑90分钟后水冷至室温，然后再在860‑880℃奥氏体化30‑90分钟后水冷至室温，最后采用电磁感应加热至500‑550℃后空冷至室温。本发明制造的钢管具有高强度高韧性：室温屈服强度大于965MPa，抗拉强度大于1034MPa，延伸率大于16％；0℃夏比冲击功大于120J。本发明高强韧V140钢级无缝钢管较常规Cr‑Mo系钢成本低廉，且强韧性匹配超过API标准，达到英国能源部指导性技术文件规定韧性要求，即冲击功值达到屈服强度值的1/10，可应用于对低温韧性要求高的油气田开采。

技术领域

本发明属于金属材料及其制造领域，具体涉及一种低成本高强韧140ksi钢级无缝钢管及其制造方法。

技术背景

油井管在石油工业中占有重要的位置，是石油工业的基础。它在石油工业中的地位，不仅表现为用量大、花钱多，更主要的是其质量、性能与石油工业的发展关系重大。我国每年仅钻柱断裂掉井事故即达1000起左右，据钻井承包商协会(IADC)统计，每起钻柱断裂事故平均直接损失10.6万美元。钻柱或套管柱损坏有时会导致油井报废。我国西部油田1口油井的成本约几千万元甚至上亿元人民币。套管的寿命直接决定油井的寿命,油井的寿命又决定了油田寿命。因此，油井管的安全可靠性、使用寿命和经济性与石油工业关系极其重大，石油工业呼唤高性能油井管。为了确保超深井的运行安全，对高性能深井用套管的综合力学性能、使用性能和寿命提出了极高的要求，特别是对强韧性匹配，在深井和其他苛刻工况条件下，不但要有较高的强度，还必须有匹配的韧性。一些国际标准对高强套管的韧性指标提出了要求，如美国石油学会标准“套管和油管规范”(API Spec 5CT)对P110钢级12.24mm-25.66mm壁厚的套管全尺寸最低韧性指标要求为20-32J，Q125钢级6.13mm-25.80mm壁厚的套管全尺寸最低韧性指标要求为20-44J，可见这种包容性的标准对高强套管的韧性要求还是较低的；而更为苛刻的英国能源部指导性技术文件规定，压力钢管最低冲击功(CVN，J)应为屈服强度的十分之一。

国外对高钢级油井管的发展起步较早，上世纪80年代初开发研究超低碳贝氏体钢，基于C、Mn、Mo、B、Ti、Nb的合金化，通过适当的调控合金元素和控制轧制工艺获得有良好强韧性的完全贝氏体组织。90年代后，高钢级油井管大部分是以C、Mn、Mo、Cr、Ni、Ti及其少量微合金元素的合理匹配，水淬后获得足够量的马氏体组织，回火后依然可得到高强度的强韧性组织。随着生产装备和工艺技术的不断发展，国外超高强度油井管取得了很大进展，例如VallourecMannesmann公司开发了中碳Cr-Mo-V系VM140-155超高强度套管，其冲击韧性实现了横向-20℃大于40J的良好水平；新日铁住友开发了SM140G-155G钢级-46℃横向冲击功大于20J的超高强韧套管；此外，JFE也开发了韧性与强度匹配良好的Cr-Mo-Nb系140-170ksi钢套管。尽管如此，这些添加了大量合金元素的高成本超高强度级别的套管在严格意义上也无法完全满足英国能源部指导性技术文件规定韧性要求。

相比国外而言，国内超高强度级别油井管生产起步晚且发展相对缓慢，长期处于跟踪国际的被动状态，超高强度钢级套管一直以来未能改变以来进口的局面。可喜的是，近年来我国油、套管的主要制造企业宝山钢管有限公司、鞍钢无缝钢管厂、无锡西姆莱斯石油专用管有限公司、天津钢管公司、衡阳华菱钢管有限公司在高强度/超高强度级别钢管研发方面做了大量工作，并取得了一定的成果。然而，兼具低成本和高强韧性的V140钢级无缝钢管仍然有待进一步开发。本发明研究一种低成本高强韧V140无缝钢管及其制作方法，采用C、Mn、B及添加少量Cr的低成本合金设计及两步淬火加电磁感应回火工艺，利用晶粒细化和纳米碳化物析出强化，在保证其强度达到Cr-Mo-V系钢管的水平，同时，韧性符合英国能源部指导性技术文件规定高韧性要求。