超高強度超高韌性石油套管用鋼、石油套管及其制造方法

　　【技術領域】

　　[0001] 本發明涉及一種鋼材料及其制造方法，尤其涉及一種石油套管及其制造方法。

　　【背景技術】

　　[0002] 深井、超深井是近年來石油勘探開發領域開發越來越多的井況，為了保證高溫高 壓開采開發的安全性，需要對管柱材料的強度提出更高的要求。然而，一般來說，隨著鋼材 強度的提升，韌性會下降，而鋼管減薄后韌性不足極易引發早期裂紋及斷裂，因此，高強度 套管鋼必須匹配高韌性，才能保證管柱的安全。

　　[0003] 根據英國能源部指導標準，壓力容器的沖擊韌性應該達到其屈服強度數值的 10%，也就是說155鋼級套管材料要求的韌性要達到107J以上。然而，現實情況是，兼具 高韌性和高強度的鋼管開發難度極大，目前能夠進行工業應用的套管強度能夠達到155ksi 以上，但是沖擊韌性只有50-80J。

　　[0004] 文獻號為JP11131189A的日本專利文獻公開了一種鋼管產品，其在750-400°C范 圍內加熱，然后在20%或60%變形量以上的范圍內進行乳制，從而生產出屈服強度950Mpa 以上、具有良好韌性的鋼管產品。然而，本案發明人認為這種工藝的加熱溫度較低，易產生 馬氏體組織，另外乳制溫度低，乳制難度也較大。

　　[0005] 文獻號為JP04059941A的日本專利文獻也公開了一種鋼管產品，其通過熱處理工 藝來控制鋼基體中殘余奧氏體和上貝氏體的比例，從而使得抗拉強度達到120-160ksi。該 技術方案的特點是高碳和高硅，此兩種成分可以顯著提高強度但會顯著降低韌性。此外，本 案發明人認為殘余奧氏體會在石油管使用過程中發生組織發生轉變（深井油井管使用溫 度120°C以上），這會導致鋼管在提高強度的同時降低韌性。

　　[0006]

　　【發明內容】

　　[0007] 本發明的目的之一在于提供一種超高強度超高韌性石油套管用鋼，其強度可以到 達155ksi以上，其沖擊韌性遠大于其屈服強度數值的10%，因此能夠實現超高強度與超高 韌性的匹配。

　　[0008] 為了實現上述目的，本發明提出了一種超高強度超高韌性石油套管用鋼，其微觀 組織為回火索氏體，其化學元素質量百分比含量為：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%，余量為Fe和不可避免的雜質。

　　[0009] 本發明所述的超高強度超高韌性石油套管用鋼的成分設計原理為：

　　[0010] C:C為析出物形成元素，可以提高鋼的強度。在本技術方案中，當C含量低于 0. 10%時，會使淬透性降低，從而降低強度，材料強度難以達到155ksi以上，若C含量高于 0. 22%，則會與Cr、Mo形成大量粗化的析出物，并顯著加重鋼的偏析，造成韌性顯著降低， 難以達到高強度高韌性的要求。

　　[0011] Si:Si固溶于鐵素體可以提高鋼的屈服強度。然而，Si元素不宜過高，含量太高會 使加工和韌性惡化，Si元素含量低于0. 1 %會使鋼容易氧化。

　　[0012] Mn:Mn為奧氏體形成元素，可以提高鋼的淬透性。在本技術方案中，Mn元素含量小 于5%時顯著降低鋼的淬透性，降低馬氏體比例從而降低韌性；當其含量大于1. 5%時，又 會顯著增加鋼中的組織偏析，影響熱乳組織的均勻性和沖擊性能。

　　[0013] Cr:Cr是強烈提高淬透性的元素，是一種強析出物形成元素，回火時其析出析出 物以提高鋼的強度，在本技術方案中，其含量高于1. 5%時容易在晶界析出粗大M23C6析出 物，降低韌性，但是若其含量低于1 %，又會導致淬透性不足。

　　[0014] Mo:Mo主要是通過析出物及固溶強化形式來提高鋼的強度及回火穩定性，在本技 術方案中，由于碳含量較低，因此添加的Mo若超過1. 5%也難以對強度提高有顯著影響，反 而會造成合金浪費，另外，如果Mo元素含量低于1%，則無法保證強度達到155ksi以上。

　　[0015]Nb:Nb是細晶和析出強化元素，其可彌補因碳降低而引起的強度的下降。在本技 術方案中，Nb含量小于0. 01 %時無法發揮其作用，若Nb高于0. 04%，則容易形成粗大的 Nb(CN)，從而導致韌性的降低。

　　[0016]V:V是典型的析出強化元素，可彌補因碳降低而引起的強度的下降。在本技術方案 中，若V含量小于0. 2 %，則強化效果難以使材料達到155ksi以上，若V含量高于0. 3 %，則 容易形成粗大的V(CN)，從而降低韌性。

　　[0017] Al:A1在鋼中起到了脫氧作用和細化晶粒的作用，另外還提高了表面膜層的穩定 性和耐蝕性。當加入量低于0. 01 %時，效果不明顯，加入量超過0. 05%，力學性能變差。

　　[0018] Ca:Ca可以凈化鋼液，促使MnS球化，從而提高沖擊韌性，但Ca含量過高時，易形成 粗大的非金屬夾雜物，這對本技術方案是不利的。

　　[0019] 進一步地，在本發明所述的超高強度超高韌性石油套管用鋼中，所述回火索氏體 上的析出物包括Nb的碳氮化物和V的碳氮化物的至少其中之一。

　　[0020] 更進一步地，所述Nb的碳氮化物的尺寸在IOOnm以下，所述V的碳氮化物的尺寸 在IOOnm以下。

　　[0021] 更為優選地，本發明所述的超高強度超高韌性石油套管用鋼還滿足I< (V+Nb)/ C彡2. 3,以使回火索氏體上有害的Cr的析出物和/或Mo的析出物極少。

　　[0022] 優選地，本發明所述的超高強度超高韌性石油套管用鋼還具有0

　　[0023] Ti元素是強碳氮化物形成元素，其可以顯著細化奧氏體晶粒，從而彌補因碳降低 而引起的強度的下降。但是若其含量高于〇. 04%太高，則易形成粗大的TiN，從而降低材料 韌性。

　　[0024] 基于上述技術方案，更進一步地，所述回火索氏體上的析出物包括Nb的碳氮化 物、V的碳氮化物和Ti的碳氮化物的至少其中之一。

　　[0025]現有技術中常規的155ksi強度以上高強度鋼一般都采用低合金鋼，即在碳錳鋼 的基礎上加入Cr、Mo、V、Nb等合金元素，依靠碳和合金元素之間形成的析出物所產生的析 出強化效果來提高鋼的強度，C含量一般在0. 3%左右，但是合金元素的析出物是脆性相， 合金含量過高時，析出物易于聚集析出并粗大，這會急劇降低材料的韌性。

　　[0026] 本發明的思路是突破目前主要依靠Cr、Mo合金元素提高強度的方法，采用Mn、Cr、 Mo的固溶強化為主，V、Nb(在某些實施方式下還有Ti)的析出強化為輔的方法來提高材料 的強度。在技術方案上，本發明采用了低碳的成分設計，利用V、Nb(在某些實施方式下還有 Ti)的析出物穩定的特性優先形成V、Nb(在某些實施方式下還有Ti)的細小均勻分布的析 出物，使得鋼種在提高強度的同時不降低韌性，從而使Cr、Mo等合金元素主要以固溶形態 存在于基體中，在獲得良好固溶強化效果的同時消除粗大的Cr、Mo析出物對韌性的惡化， 進而獲得良好的強韌性搭配。

　　[0027] 更進一步地，在本發明所述的超高強度超高韌性石油套管用鋼中，所述Nb的碳氮 化物的尺寸在IOOnm以下，所述V的碳氮化物的尺寸在IOOnm以下，所述Ti的碳氮化物的 尺寸在IOOnm以下。

　　[0028] 更為優選地，本發明所述的超高強度超高韌性石油套管用鋼的化學元素還滿足 1彡（V+Nb)/C彡2. 3,以使回火索氏體上有害的Cr的析出物和/或Mo的析出物極少。

　　[0029] 根據對不同析出物透射電鏡分析結果來看，鋼中主要起強化作用的Cr、Mo、V、Nb 等的析出物在尺寸和形態上不同，Cr元素主要存在形態為Cr23C6，此種析出物易于在晶界聚 集，尺寸較大，一般在150_250nm左右；Mo元素的主要存在形態為Mo2C，此種析出物也易于 在晶界聚集，當然其在晶內也有析出，尺寸中等，一般在100-150nm左右；V、Nb和Ti元素主 要存在形態為（V，Nb,Ti) (C，N)，此種析出物在晶內均勻析出，尺寸細小。按史密斯解理裂 紋成核模型，晶界上析出物厚度或直徑增加，解理裂紋既易于形成又易于擴展，故使脆性增 加。分布于基體中的Cr和Mo粗大析出物，可因本身開裂或其與基體界面上脫離形成微孔， 微孔連接長大形成裂紋，最后導致斷裂。因此要獲得較高的韌性指標，析出的Nb的碳氮化 物和/或V的碳氮化物的尺寸要控制在IOOnm以下，同時最好盡量減少出現150-250nm的 Cr和Mo的析出物。

　　[0030] 進一步地，在本發明所述的超高強度超高韌性石油套管用鋼中，所述不可避免的 雜質中的P彡 〇? 015%，S彡 0? 003%，N彡 0? 008%。

　　[0031] 在本技術方案中，不可避免的雜質主要是P、S和N，因此應保證這些雜質元素的含 量越低越好。

　　[0032] 本發明的另一目的在于提供一種石油套管，其能夠達到155ksi以上的強度級別， 同時還具有與超高強度匹配的超高韌性。

　　[0033] 基于上述發明目的，本發明提供了一種石油套管，其采用上述超高強度超高韌性 石油套管用鋼制得。

　　[0034] 在某些實施方式下，上述石油套管為155ksi級石油套管，其屈服強度為 1069-1276MPa，抗拉強度彡1138MPa，延伸率為20% _25%，0度橫向夏比沖擊功彡130J，韌 脆轉變溫度< _60°C。

　　[0035] 在另外一些實施方式中，上述石油套管為170ksi級石油套管，其屈服強度為 1172-1379MPa，抗拉強度彡1241MP

　　a，延伸率為18% _25%，0度橫向夏比沖擊功彡120J，韌 脆轉變溫度< -50°C。

　　[0036] 本發明的又一目的在于提供一種上述石油套管的制造方法，采用該方法制得的石 油套管能夠達到155ksi以上的強度，且其具有與超高強度匹配的超高韌性。

　　[0037] 基于上述發明目的，本發明提供了上述石油套管的制造方法，其包括步驟：

　　[0038] (1)冶煉和鑄造；

　　[0039] (2)穿孔和連乳；

　　[0040] (3)熱處理。

　　[0041] 進一步地，在所述步驟（3)中，奧氏體化溫度為920-950°C，保溫30-60min后淬火， 然后在600-650°C回火，保溫時間50-80min，然后在500-550°C熱定徑。

　　[0042] 進一步地，在所述步驟（2)中，將經過步驟（1)得到的連鑄坯加熱并均熱，均熱溫 度為1200-1240°C，控制穿孔溫度為1180-1240°C，控制終乳溫度為900°C_950°C。

　　[0043] 與現有技術相比，本發明具有以下有益效果：

　　[0044] (1)本發明所述的石油套管用鋼，其能夠用于制造155ksi以上鋼級的具有優良強 韌性配合和低溫沖擊韌性的石油套管；

　　[0045] (2)本發明所述的石油套管能實現下述性能指標：

　　[0046] 對于155ksi鋼級的石油套管：屈服強度1069-1276MPa，抗拉強度彡1138MPa，延伸 率20% _25%，0度橫向夏比沖擊功不小于彡130J(155ksi鋼級屈服強度的10%為107J)， 韌脆轉變溫度< _60°C。

　　[0047] 對于170ksi鋼級的石油套管：屈服強度1172_1379MPa，抗拉強度彡1241MPa，延伸 率18% _25%，0度橫向夏比沖擊功不小于彡120J(170ksi鋼級屈服強度的10%為120J)， 韌脆轉變溫度< -50°C。

　　[0048] (3)本發明所述的石油套管制造方法中的熱處理工藝簡單，易于生產實施。

　　【附圖說明】

　　[0049] 圖1顯示了本發明實施例5的微觀組織。

　　[0050] 圖2顯示了本發明實施例5中的析出相形貌。

　　[0051] 圖3顯示了對比例2中的析出相形貌。

　　[0052] 圖4顯示了對比例3中的析出相形貌。

　　【具體實施方式】

　　[0053] 下面將結合【附圖說明】和具體的實施例對本發明所述超高強度超高韌性石油套管 用鋼、石油套管及其制造方法做進一步的解釋和說明，然而該解釋和說明并不對本發明的 技術方案構成不當限定。

　　[0054] 實施例1-5和對比例1-3

　　[0055] 按照下列步驟制造本發明實施例1-5中的石油套管以及對比例1-3中的石油套管 (各實施例和對比例中的元素配比如表1所示，各實施例和對比例中的具體工藝參數如表2 所示）：

　　[0056] (1)冶煉：鋼水經電爐冶煉，通過爐外精煉、真空脫氣和氬氣攪拌后，經過Ca處理 進行夾雜物變性，降低〇、H含量；

　　[0057] (2)鑄造管坯：澆鑄過程中控制鋼水過熱度低于30°C;

　　[0058] (3)鋼管的穿孔和連乳：將連鑄坯冷卻后在環形加熱爐內加熱，并在1200-1240°C 均熱，穿孔溫度1180-1240°C，終乳溫度900°C_950°C;

　　[0059] (4)熱處理：控制奧氏體化溫度為920-950°C，保溫30-60min后淬火，然后于 600-650°C高溫回火，保溫時間50-80min，然后在500-550°C熱定徑。

　　[0060] 表1列出了本案實施例1-5以及對比例1-3中的各石油套管的化學元素質量百分 配比。

　　[0061] 表1.(余量為Fe和除了S、P、N以外的其他雜質，wt. % )

　　[0062]

　　[0063] 表2列出了本案實施例1-5和對比例1-3的具體工藝參數。

　　[0064] 表 2

　　[0065]

　　[0069]結合表1、表2和表3可以看出，對比例1的成分不滿足本案的要求，其中C和V含 量低，因此淬透性低，熱處理之后套管強度不足。對比例2中的C含量較高，導致形成了大 量的粗大析出物（如圖3所示），從而使得沖擊功顯著降低。對比例3的（V+Nb)/C比值不 滿足本發明的要求，熱處理后形成較多的Cr、Mo的析出物（如圖4所示），因此沖擊功也有 明顯降低，不能達到屈服強度值的10%的要求。

　　[0070] 另外，從表1、表2和表3還可以看出，本發明所述的石油套管強度級別達到了 155ksi鋼級以上，橫向0度沖擊韌性超過了 120J，延伸率彡19%，韌脆轉變溫度< -55°C。

　　[0071] 從圖1可以看出，實施例5的金相組織上未發現因成分偏析導致的帶狀組織。高 倍掃描電鏡觀測到的實施例5的析出物形貌顯示于圖2,從圖2可以看出，其析出物細小且 分布均勻。

　　[0072]需要注意的是，以上列舉的僅為本發明的具體實施例，顯然本發明不限于以上實 施例，隨之有著許多的類似變化。本領域的技術人員如果從本發明公開的內容直接導出或 聯想到的所有變形，均應屬于本發明的保護范圍。

　　【主權項】

　　1. 一種超高強度超高韌性石油套管用鋼，其特征在于，其微觀組織為回火索氏體，其化 學元素質量百分比含量為：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%，A1 :0? 01-0. 05%，Ca :0? 0005-0. 005%，余量為 Fe 和不可避免的雜質。2. 如權利要求1所述的超高強度超高韌性石油套管用鋼，其特征在于，所述回火索氏 體上的析出物包括Nb的碳氮化物和V的碳氮化物的至少其中之一。3. 如權利要求2所述的超高強度超高韌性石油套管用鋼，其特征在于，所述Nb的碳氮 化物的尺寸在IOOnm以下，所述V的碳氮化物的尺寸在IOOnm以下。4. 如權利要求3所述的超高強度超高韌性石油套管用鋼，其特征在于，還滿足 1彡（V+Nb)/C彡2. 3,以使回火索氏體上有害的Cr的析出物和/或Mo的析出物極少。5. 如權利要求1所述的超高強度超高韌性石油套管用鋼，其特征在于，還具有0 < Ti 彡 0. 04%。6. 如權利要求5所述的超高強度超高韌性石油套管用鋼，其特征在于，所述回火索氏 體上的析出物包括Nb的碳氮化物、V的碳氮化物和Ti的碳氮化物的至少其中之一。7. 如權利要求6所述的超高強度超高韌性石油套管用鋼，其特征在于，所述Nb的碳氮 化物的尺寸在IOOnm以下，所述V的碳氮化物的尺寸在IOOnm以下，所述Ti的碳氮化物的 尺寸在IOOnm以下。8. 如權利要求7所述的超高強度超高韌性石油套管用鋼，其特征在于，還滿足 1彡（V+Nb)/C彡2. 3,以使回火索氏體上有害的Cr的析出物和/或Mo的析出物極少。9. 如權利要求1所述的超高強度超高韌性石油套管用鋼，其特征在于，所述不可避免 的雜質中的P彡0.015%，S彡0.003%，N彡0.008%。10. -種石油套管，其特征在于，其采用如權利要求1-9中任意一項所述的超高強度超 高韌性石油套管用鋼制得。11. 如權利要求10所述的石油套管，其特征在于，其為155ksi級石油套管，其屈服強度 為1069-1276MPa，抗拉強度彡1138MPa，延伸率為20% _25%，0度橫向夏比沖擊功彡130J， 韌脆轉變溫度< _60°C。12. 如權利要求10所述的石油套管，其特征在于，其為170ksi級石油套管，其屈服強度 為1172-1379MPa，抗拉強度彡1241MPa，延伸率為18% _25%，0度橫向夏比沖擊功彡120J， 韌脆轉變溫度< -50°C。13. 如權利要求10-12所述的石油套管的制造方法，其包括步驟： (1) 冶煉和鑄造； (2) 穿孔和連乳； (3) 熱處理。14. 如權利要求13所述的制造方法，其特征在于，在所述步驟（3)中，奧氏體化溫度 為920-950°C，保溫30-60min后淬火，然后在600-650°C回火，保溫時間50-80min，然后在 500-550 °C 熱定徑。15. 如權利要求13所述的制造方法，其特征在于，在所述步驟（2)中，將經過步驟（1) 得到的連鑄坯加熱并均熱，均熱溫度為1200-1240 °C，控制穿孔溫度為1180-1240 °C，控制 終乳溫度為900°C _950°C。

　　【專利摘要】本發明公開了一種超高強度超高韌性石油套管用鋼，其微觀組織為回火索氏體，其化學元素質量百分比含量為：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％，余量為Fe和不可避免的雜質。相應地，本發明還公開了采用該超高強度超高韌性石油套管用鋼制得的石油套管。此外，本發明還公開了該石油套管的制造方法。本發明所述的超高強度超高韌性石油套管用鋼和石油套管的強度可以到達155ksi以上，且沖擊韌性大于其屈服強度數值的10％，因此能夠實現超高強度與超高韌性的匹配。

　　【IPC分類】C22C38/26, C21D8/10

　　【公開號】CN105002425

　　【申請號】CN201510340874

　　【發明人】董曉明, 張忠鏵, 金曉東

　　【申請人】寶山鋼鐵股份有限公司, 上海寶鋼商貿有限公司

　　【公開日】2015年10月28日

　　【申請日】2015年6月18日