一种表面渗铝改性P110级油套管用钢及其管材制造方法

摘要

本发明提供了一种表面渗铝改性P110级油套管用钢及其管材制造方法，以重量百分比计，其组成包括：C：0.07～0.09％，Mn：2.10～2.35％，Cr：1.0～1.2％，Si：0.60～0.80％，S：≤0.03％，P：≤0.03％，Ti：≤0.020％，其余为铁和不可避免杂质；通过将管坯加热、穿孔、轧制后定径，空冷后缓冷制得。本发明制造的管材完全满足API？SPEC？5CT对P110油套管用钢性能的要求，并可降低生产制造成本和增加了生产可制造性。另外，化学成分碳含量低、微合金化，冲击韧性高，焊接性能好，耐腐蚀性能好，使油套管钢具有良好的止裂能力。

说明书

技术领域

本发明涉及石油管制造技术领域，具体涉及一种表面渗铝改性P110级油套管用钢及其 管材制造方法。

背景技术

随着石油工业的发展，对油套管表面防腐技术的性能要求不断提高，油套管表面渗铝改 性技术作为一种重要的防腐手段其研究受到广泛重视。

目前表面渗铝改性普遍使用的P110级油套管用钢多采用调质处理，工艺复杂，成本较高， 供货周期长。此外，经表面渗铝改性处理后，管材需重新调质处理，导致管材表面防腐性能 下降。采用非调质钢生产油井管，可简化生产工艺、大幅度降低生产成本供货周期。所以如 何制造经表面渗铝改性处理后，不需要进行重新调制处理的管材，即生产非调制钢生产油井 管，提高了油套管材的耐腐蚀性能，具有重要意义。

发明内容

本发明的目的是提供的一种表面渗铝改性P110级油套管用钢及其管材制造方法，具有 生产工艺简单、成本较低、韧性低、耐腐蚀性能好的优点。

为实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：

一种表面渗铝改性P110级油套管用钢，以重量百分比计，其组成包括：C：0.07～0.09％， Mn：2.10～2.35％，Cr：1.0～1.2％，Si：0.60～0.80％，S：≤0.03％，P：≤0.03％，Ti：≤0.020％， 其余为铁和不可避免杂质。

以重量百分比计，其组成包括：C：0.07～0.08％，Mn：2.10～2.35％，Cr：1.0～1.1％， Si：0.60～0.70％，S：≤0.03％，P：≤0.03％，Ti：≤0.020％，其余为铁和不可避免杂质。

以重量百分比计，其组成包括：C：0.08～0.09％，Mn：2.10～2.35％，Cr：1.1～1.2％， Si：0.70～0.80％，S：≤0.03％，P：≤0.03％，Ti：≤0.020％，其余为铁和不可避免杂质。

一种表面渗铝改性P110级油套管用钢管材制造方法，包括如下步骤：

1)按重量百分比计，将C：0.07～0.09％，Mn：2.10～2.35％，Cr：1.0～1.2％，Si：0.60～ 0.80％，S：≤0.03％，P：≤0.03％，Ti：≤0.020％，其余为铁，进行冶炼、炉外精炼、铸造，制 得管坯；

2)将管坯在加热炉内加热，加热温度为1245～1275℃；

3)将加热后的管坯经穿孔机穿孔，管坯穿孔后温度为1200～1220℃；

4)再通过连轧机组轧制，连轧机组轧制的开始温度为1150～1180℃；

5)然后通过定径机组定径，定径机组的开始温度：850～900℃；

6)最后空冷后缓冷。

所述步骤7)缓冷的开始温度为350～400℃；缓冷保温时间为48h。

进行步骤6)前，通过矫直机矫直。

所述步骤1)中冶炼是在转炉或电炉中进行的。

所述步骤2)中加热炉为环形加热炉。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果：

本发明提供的一种表面渗铝改性P110级油套管用钢成分是以低C、适量Mn，通过加入 Cr、微量Ti等微合金元素，结合缓冷工艺，获得超细粒状贝氏体+板条马氏体为主的组织， 以保证油套管钢具有优良的力学性能。其主要组成成分的作用如下：

碳：在充分奥氏体化情况下，随着奥氏体碳含量增加，C曲线逐渐右移，过冷奥氏体的 稳定性增加。一般而言，随碳含量升高，钢的强度升高，但焊接性能和塑韧性下降。对于本 发明的表面渗铝改性P110级油套管用钢采用0.07～0.09％的碳重量百分含量设计。

锰：是油套管用钢中补偿因C含量降低而引起强度损失的最主要且最经济的强化元 素。Mn是扩大γ相区的元素，可降低钢的γ→α相变温度，有助于获得细小的相变产物，可 提高钢的韧性、降低韧脆转变温度。对本发明的表面渗铝改性P110级油套管用钢的Mn重量 百分含量设计在2.10～2.35％范围。

钛：是强的N化物形成元素，在奥氏体化温度均热时，细小的TiN析出相可有效地抑制 奥氏体晶粒长大，细化原奥氏体晶粒，此外TiN析出相对改善焊接热影响区的冲击韧性有明 显作用。微量Ti即可实现上述作用，因此本发明选取的Ti重量百分含量≤0.020％。

铬：Cr是中强碳化物形成元素，一般而言，Cr可明显提高亚稳奥氏体的稳定性和淬透 性，增大奥氏体的过冷能力，推迟铁素体和珠光体转变，并推迟贝氏体转变，有利于铁素体 转变区和贝氏体转变区之间的亚稳奥氏体区的出现。本发明选取Cr含量为重量百分1.0～ 1.2％。

本发明提供的一种表面渗铝改性P110级油套管用钢，采用粒状贝氏体+板条马氏体组 织，完全满足APISPEC5CT对P110油套管用钢性能的要求，并可降低生产制造成本和增加 了生产可制造性。化学成分碳含量低、微合金化，冲击韧性高，焊接性能好，耐腐蚀性能 好，使油套管钢具有良好的止裂能力。

本发明提供的一种表面渗铝改性P110级油套管用钢管材的制造方法，通过在终冷后对管 材进行缓冷，可以起到以下效果：

1、消除残余应力。

2、使M-A岛产生自回火，从而提高钢的屈服强度和冲击韧性。

3、通过缓冷工艺代替了回火热处理工艺，节省能源与成本。

本发明的制造方法无需调质热处理工艺，提高了油套管材的耐腐蚀性能。热轧工艺采用 了缓冷工艺，通过合理的成分和工艺进行最终产品的组织和质量控制。更为重要的是，本发 明中表面渗铝改性处理后，管材无需进行调质处理，提高了油套管材的耐腐蚀性能，克服了 现有技术中经表面渗铝改性处理后需重新调质处理，导致管材表面防腐性能下降的问题。

本发明在合金配方上具有较低的C含量(0.07～0.09％)、一定的Cr含量(1.0～1.2％) 一定的Si含量(0.6～0.8％)和微量的Ti(≤0.020)、不加入Mo、Ni、Cu、V、Nb等元素， 成分设计简单、成本较低；适当的Mn(2.10～2.35％)含量，充分利用了Mn元素的相变强 化和固溶强化作用；以上成分配合热轧后缓冷工艺，不仅提高了产品的综合性能，而且能够 采取灵活的热轧生产工艺，提高生产率。此外，拥有较低C含量所生产的产品在具有较高的 强度的同时、保持了良好的低温韧性和焊接性能，并有一定的耐腐蚀性能，使油套管钢具有 良好的止裂能力。

本发明的制造方法生产出的表面渗铝改性P110级油套管用钢管材的性能达到以下要求：

(1)、拉伸性能，目标：Rt0.5＝758～965MPa，Rm≧724MPa；

(2)、V型缺口夏比冲击性能，目标：试验温度-20℃，10mm×10mm×55mm试样的冲击 功单个值≥70J，平均值≥100J；

(3)、金相组织，组织以粒状贝氏体+板条马氏体组织为主。

附图说明

图1为本发明实施例1的热轧缓冷后钢管的金相组织图。

图2为本发明实施例2的热轧缓冷后钢管的金相组织图。

图3为本发明实施例3的热轧缓冷后钢管的金相组织图。

具体实施方式

下面结合附图结合实施例对本发明进行详细说明。

实施例1

一种表面渗铝改性P110级油套管用钢，其化学成分(重量百分比)为：0.079％的C，2.3％ 的Mn，0.7％的Si，0.0078％的P，0.0017％的S，1.1％的Cr，0.019％的Ti，其余成分为Fe。

上述表面渗铝改性P110级油套管用钢管材的制造方法，按重量百分比，将上述成分进行 转炉或电炉冶炼、炼外精炼、铸造制得管坯，管坯经环形加热炉加热至1250℃；将加热后的 管坯经穿孔机穿孔，管坯穿孔后温度为1220℃；然后通过连轧机组进行轧制，控制连轧机组 轧制的开始温度为1180℃；再通过定径机组定径，控制定径机组的开始温度为870℃；经矫 直机矫直，最后空冷至380℃后堆垛保温缓冷48h。

经上述方法制造的钢管材的力学性能为屈服强度778MPa、抗拉强度835MPa、延伸率 18.0％、-20℃冲击功(A_kv)121J。其性能指标完全满足API标准对P110级油套管用钢的要 求。该实例金相组织为粒状贝氏体+板条马氏体，参照图1。

实施例2

一种表面渗铝改性P110级油套管用钢，其化学成分(重量百分比)为：0.083％的C，2.31％ 的Mn，0.61％的Si，0.0088％的P，0.0024％的S，1.1％的Cr，0.020％的Ti，其余成分为Fe。

上述表面渗铝改性P110级油套管用钢管材的制造方法，按重量百分比，将上述成本进行 转炉或电炉冶炼、炼外精炼、铸造制得管坯，管坯经环形加热炉加热至1250℃；将加热后的 管坯经穿孔机穿孔，管坯穿孔后温度为1200℃；然后通过连轧机组进行轧制，控制连轧机组 轧制的开始温度为1150℃；再通过定径机组定径，控制定径机组后的开始温度为850℃；经 矫直机矫直，最后空冷至350℃后堆垛保温缓冷48h。

经上述方法制造的钢管材的力学性能为屈服强度785MPa、抗拉强度840MPa、延伸率 22.0％、-20℃冲击功(A_kv)107J。其性能指标完全满足API标准对P110级油套管用钢的要 求。该实例金相组织为细粒状贝氏体+板条马氏体，参照图2。

实施例3

一种表面渗铝改性P110级油套管用钢，其化学成分(重量百分比)为：0.089％的C，2.31％ 的Mn，0.71％的Si，0.0078％的P，0.0028％的S，1.2％的Cr，0.020％的Ti，其余成分为Fe。

上述表面渗铝改性P110级油套管用钢管材的制造方法，按重量百分比，将上述成分进行 转炉或电炉冶炼、炼外精炼、铸造制得管坯，管坯经环形加热炉加热至1250℃；将加热后的 管坯经穿孔机穿孔，管坯穿孔后温度为1220℃；然后通过连轧机组进行轧制，控制连轧机组 轧制的开始温度为1150℃；再通过定径机组定径，控制定径机组后的开始温度为860℃；经 矫直机矫直，最后空冷至400℃后堆垛保温缓冷48h。

经上述方法制作的钢管材的力学性能为屈服强度785MPa、抗拉强度881MPa、延伸率 21.0％、-20℃冲击功(A_kv)117J。其性能指标完全满足API标准对P110级油套管用钢的要 求。该实例金相组织为细粒状贝氏体+板条马氏体，参照图3。

实施例4

一种表面渗铝改性P110级油套管用钢，其化学成分(重量百分比)为：0.07％的C，2.1％ 的Mn，0.8％的Si，0.03％的P，0.0017％的S，1.0％的Cr，0.019％的Ti，其余成分为Fe。

上述表面渗铝改性P110级油套管用钢管材的制造方法，按重量百分比，将上述成分进行 转炉冶炼、炼外精炼、铸造制得管坯，管坯经环形加热炉加热至1245℃；将加热后的管坯经 穿孔机穿孔，管坯穿孔后温度为1210℃；然后通过连轧机组进行轧制，控制连轧机组轧制的 开始温度为1160℃；再通过定径机组定径，控制定径机组的开始温度为900℃；经矫直机矫 直，最后空冷至350℃后堆垛保温缓冷48h。

实施例5

一种表面渗铝改性P110级油套管用钢，其化学成分(重量百分比)为：0.09％的C，2.35％ 的Mn，0.6％的Si，0.0088％的P，0.03％的S，1.2％的Cr，0.02％的Ti，其余成分为Fe。

上述表面渗铝改性P110级油套管用钢管材的制造方法，按重量百分比，将上述成分进行 转炉冶炼、炼外精炼、铸造制得管坯，管坯经环形加热炉加热至1275℃；将加热后的管坯经 穿孔机穿孔，管坯穿孔后温度为1200℃；然后通过连轧机组进行轧制，控制连轧机组轧制的 开始温度为1170℃；再通过定径机组定径，控制定径机组的开始温度为890℃；经矫直机矫 直，最后空冷至370℃后堆垛保温缓冷48h。

本发明提供的一种表面渗铝改性P110级油套管用钢成分设计思想是以低C、适量Mn， 通过加入Cr、微量Ti等微合金元素，结合缓冷工艺，获得超细粒状贝氏体+板条马氏体为主 的组织，以保证油套管钢具有优良的力学性能。

与以往的油套管钢成分相比，本发明在合金配方上具有较低的C含量(0.07～0.09％)、 一定的Cr含量(1.0～1.2％)一定的Si含量(0.6～0.8％)和微量的Ti(≤0.020)、不加入Mo、 Ni、Cu、V、Nb等元素，成分设计简单、成本较低；适当的Mn(2.10～2.35％)含量，充分 利用了Mn元素的相变强化和固溶强化作用；以上成分配合热轧后缓冷工艺，不仅提高了产 品的综合性能，而且能够采取灵活的热轧生产工艺，提高生产率。此外，拥有较低C含量所 生产的产品在具有较高的强度的同时、保持了良好的低温韧性和焊接性能，并有一定的耐腐 蚀性能，使油套管钢具有良好的止裂能力。

特别的，本发明提供的一种表面渗铝改性P110级油套管用钢更为重要的是，表面渗铝 改性处理后，管材无需进行调质处理，提高了油套管材的耐腐蚀性能。

本发明生产出的钢具有粒状贝氏体+板条马氏体组织，完全满足APISPEC5CT对P110 油套管用钢性能的要求，并可降低生产制造成本和增加了生产可制造性。

按照上述制造方法生产出的油套管用钢的性能达到以下要求：

(1)、拉伸性能，目标：Rt0.5＝758～965MPa，Rm≧724MPa；

(2)、V型缺口夏比冲击性能，目标：试验温度-20℃，10mm×10mm×55mm试样的冲击 功单个值≥70J，平均值≥100J；

(3)、金相组织，组织以粒状贝氏体+板条马氏体组织为主。

参见表1，表1显示了本发明钢与现有专利文献中述及的钢在化学成分上的不同。

表1本发明钢与现有技术化学成分的比较

与专利文献1相比，本发明的成分中提高了C含量，加入Cr元素，目的是提高亚稳奥氏 体的稳定性和淬透性，增大奥氏体的过冷能力，推迟铁素体和珠光体转变，促进C曲线逐渐 右移，推迟贝氏体转变，避免了在渗铝工艺过程中发生高温组织转变，进一步的在渗铝冷却 过程中获得更多的超细粒状贝氏体+板条马氏体为主的组织，从而保证了合金在渗铝后具有优 良的力学性能和耐蚀性能。

与专利文献2、3及4相比，本发明的成分中C含量显著降低，采用以C、Mn、Cr、Si 元素为主，加入少量的Ti等合金元素，不加入NiCu、V等合金元素，简化了炼钢工序，降 低了成本。

最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参 照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方 案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的 权利要求范围当中。