[发明专利]高韧性石油套管用钢及石油套管制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及低合金钢领域，用于制造石油套管的低合金高强度钢。

背景技术

随着石油工业的发展和石油套管产能的提高，我国对石油工业专用钢的需求量逐步增加，油套管要求钢的强度较高；钢质均匀稳定；耐侵蚀性强；耐磨性好；同时还要承受使用条件下的拉、压、扭、弯等各种载荷的综合作用。

API 5CT 《套管及油管规范》中对J55和K55的具体化学成分没有明确规定，仅对P、S含量进行了限制，并对性能指标要求相对较严。这也是国际上有关钢种标准制定的通行做法，目的是更好地发挥企业的技术开发实力和引导不断的技术进步，由企业自行决定化学成分和生产工艺。但是，事实上在实际生产中，企业自己执行的内部标准和钢管实物对P、S等夹杂物控制要更加严格。我国的相关标准基本等同于API 5CT标准。具体如下

API 5CT标准中对J55、K55化学成分的规定

国际上，通常对J55级石油套管的生产，主要用37Mn5钢种组织生产，采用热轧生产工艺，无需进一步的热处理工艺。主要用于生产平式油管J55级石油套管，由于对钢材质量要求越来越高，其中对残余元素含量、高低倍组织、夹杂物、晶粒度和表面质量等均有严格要求。在套管使用过程中出于套管安全性方面的考虑，追求低屈强比和高强韧性的套管一直是石油开采用户向往的目标之一。按照API5CT标准要求，与J55屈服强度级别相同的K55级石油套管用钢要求屈服强度在379-552MPa，抗拉强度大于655MPa，比J55的抗拉强度高出138MPa，并且K55级套管屈强比小于0.84。通常用于生产J55级别的37Mn5钢的屈服强度在450MPa左右，抗拉强度在700MPa左右，可以满足K55级的技术指标要求，但是K55级别由于其塑韧性较高，主要用于表层套管、技术套管、油层套管等重要场合对其成分、气体含量、夹杂物、有害元素和性能指标控制相对严格，国内仅有少数企业能够组织生产。虽然37Mn5钢生产J55级别石油套管的性能远高出J55级标准，可达到K55级，但是由于37Mn5的成分是中碳锰钢，生产中还存在一些质量问题，需要进一步改进合金体系和生产工艺，以达到高质量的稳定的批量生产目的。37Mn5的化学成分见表1。

表1   37Mn5的化学成分要求   wt%

目前37Mn5钢生产J55级套管的主要问题：

（1）铸坯表面纵向裂纹和连铸坯具有柱状晶粗大。在方圆坯连铸生产中，中高碳锰钢的柱状晶粗大导致连铸坯的裂纹发生率一直是比较高的，其中37Mn5钢最严重。国内生产油井管用方圆连铸坯的钢厂，在生产34Mn6、37Mn5等钢坯时都遇到过这种问题。

（2）油井管用管坯钢带状组织，油井管用管坯热轧、砂冷后，带状组织较严重。由于带状组织会使钢材纵横向性能产生显著差异，纵向塑性、韧性较横向好，影响油井管的使用性能。

从合金体系设计角度，由于37Mn5的C、Mn含量较高，铸坯的淬透性高，在连铸生产中不易控制柱状晶粗大化，加之C、Mn偏析在随后的冷却和矫直过程中导致裂纹产生。其中由于Mn的偏析会强烈导致轧钢过程中的带状组织出现。由于目前的生产J55的钢种是37Mn5，其力学性能相对较高，但是中碳锰钢铸坯容易出现粗大柱状晶引起纵裂和轧材带状组织，影响了最终管材的冲击性能和塑性性能以及成材率。因此，需要发明新的钢种材料和无缝钢管制造技术，有针对性解决生产技术由于合金体系的不合理引起的铸坯柱状晶组织粗大和成分过度偏析引起的带状组织。

文献1，公布号 CN101886218 B《一种J55级37Mn5石油套管的炼钢方法》提供了37Mn5的冶炼工艺方法，其核心是通过钢中的酸溶铝的含量控制起到细化晶粒的作用，但是仅对37Mn5钢的冶炼方法进行研究发明，以便生产晶粒相对较细小的钢材，然而通过酸溶铝达到铸态组织细化的方法是一个较为传统的方法，其晶粒细化的作用有限。但是该发明没有给出有关铸坯的柱状晶发达和带状微观组织等缺陷控制及解决方法和技术工艺解决方案。

文献2，公布号 CN 102409241 A《石油套管用钢、石油套管及其制造方法》是一种通过热处理调质处理方法生产1000MPa（160ksi）级石油套管方法，J55的强度级别是55ksi。该发明不是本发明55ksi级别的无缝石油套管的专利范围。