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新日铁住金的油井用电焊钢管制造方法

来源:山东无缝钢管厂 发布时间: 2015/12/14 8:41:08 【返回上一步】
本页关键词:冷拔无缝钢管,异型管规格
 近年来,油井或天然气井(以下统称为油井)的挖掘深度有越来越变深的倾向,为了提高套管等的压坏压力,要求油井用钢管的高强度化。以往,作为油井用钢管,一直使用无缝钢管或电焊钢管。对于要求高强度的钢管的情况来说,造管后通过对钢管整体实施淬火回火来确保强度,同时提高韧性。另一方面,最近,以减少挖掘成本为目的,对于具有高强度并且不必在造管后实施热处理的电焊钢管的需要不断增强。
  油井用钢管之中,对于地表附近的套管等比较低强度的情况来说,是使用廉价的电焊钢管。另外,API标准Spec5CT K55油井用电焊钢管是以造管成形的状态(省略了淬火回火)来制成,与API标准Spec5CTN80相当的油井用电焊钢管有时也以造管成形的状态来制成。但是,当要求上述以上的强度、例如要求与API标准5CT P110相当的强度时,造管后不进行热处理就无法进行制造。
  但是,对于电焊钢管的情况来说,如果对钢管整体实施回火,则制造成本提高。另外,如果进行淬火,则会因为热应变而使尺寸精度变差,需要再次矫正等工序。针对上述问题,提出了可以省略钢管整体的热处理的高强度钢管的制造技术。
  API标准5CT P110所要求的强度是屈服应力YS为758~965MPa、抗拉强度Ts为862MPa以上,因此为了获得与API标准5CT P110相当的强度,抗拉强度为862MPa以上是必要的。为了省略淬火回火而确保上述的高强度,有必要通过利用造管工序的加工硬化来提高强度,并且屈服应力的限制变得重要。例如,在屈服应力相同的情况下,屈服比为0.9时,抗拉强度为862MPa以上,屈服比为0.85时,抗拉强度变为892MPa以上。抗拉强度如果过高,则成形变得困难,韧性下降,所以为了确保与API标准5CT P110相当的强度,希望有高的屈服比,屈服比(Y/T)是指屈服应力与抗拉强度之比。
  因此,新日铁的技术是一种不对钢管整体实施热处理就具有与API标准5CT P110相当的强度、并且韧性也优良的油井用电焊钢管以及油井用电焊钢管的制造方法。为了利用造管工序的加工硬化来确保与API标准5CT P110相当的强度,考虑到二相组织那样的屈服比低的钢是不利的,所以着眼于利用贝氏体的均匀组织。另外,为了提高屈服比,C含量的减少是极其有效的。而且,为了这样减少C含量并实现贝氏体的均匀组织,重要的是要确保淬透性。
  本技术中,使用V(参照下述式(1))作为淬透性的指标,上述V是得到由C含量推测出的90%马氏体的硬度(相当于90%马氏体组织的硬度)的冷却速度。作为淬透性的指标的V越小,则淬透性就变得越高,而V如果过大,则淬透性下降,强度变得不充分。另一方面,本技术者们认识到如果V过小,则强度就会变得过大。
  logV=2.94-0.75(2.7+0.4++0.45+0.45+0.8+2) (1)
  其中,[C]为C含量(%),[Si]为Si含量(%),[Mn]为Mn含量(%),[Ni]为Ni含量(%),[Cu]为Cu含量(%),[Cr]为Cr含量(%),[Mo]为Mo含量(%)。
  一般来说,将钢坯热轧并以各种冷却速度冷却时,冷却速度越大,则得到的钢板的强度越上升。这里,本技术者们分别使用了C含量为相同、具有V较小的组成的钢坯和具有V较大的组成的钢坯,研究了冷却速度对热轧后的钢板的强度所产生的影响。结果可知,V较小的组成即淬透性较高时,强度的上升量变大,同时因冷却速度的变化而引起的强度的变化量也变大。
  图1是用于说明使用使C含量为相同、而V不同的2种钢坯时,冷却速度对强度变化所产生的影响的概略曲线图。图1的曲线(a)是表示使用V较小的钢坯的情况,图1的曲线(b)是表示使用V较大的钢坯的情况。如两个曲线所示,冷却速度变得越大,则强度越上升,V较小的曲线(a)的强度上升更明显。但是,曲线(a)的情况下,在冷却速度较小的区域、特别是在低于20/s的区域,曲线的斜率较大,强度的变化显著。这样,V越小,则淬透性变得越高,随着冷却速度的变化,强度的上升变得显著。因此,降低V时,随着冷却速度的变化,强度的变化增大,强度的调整变得困难。通过调整钢成分使得V的值的范围为15~40的范围内,可以提高强度,通过冷却速度进行的强度控制变得容易。
下面,对本油井用电焊钢管以及油井用电焊钢管的制造方法进行详细说明:
  本技术的油井用电焊钢管具有下述组成:以质量%计分别含有:C:0.05~0.12%、Si:0.03~0.5%、Mn:0.80~2.2%、P:0.03%以下、S:0.003%以下、Al:0.08%以下、Nb:0.01%~0.10%、Ti:0.005~0.03%、B:0.0005~0.0030%、N:0.008%以下,满足Ti>3.4N,剩余部分由Fe和不可避免的杂质构成,当将C含量(%)设定为[C],将Si含量(%)设定为[Si],将Mn含量(%)设定为[Mn],将Ni含量(%)设定为[Ni],将Cu含量(%)设定为[Cu],将Cr含量(%)设定为[Cr],将Mo含量(%)设定为[Mo]时,由下述式(1)规定的V为15~40。本实施方式的油井用电焊钢管由于具有上述的组成,所以根据C量,具有与API标准5CTP110相当的强度,即具有屈服应力YS为758~965MPa、抗拉强度Ts为862MPa以上的强度。
  本技术的油井用电焊钢管的制造方法是,将钢坯进行热轧,在300℃以下卷取而制成热轧钢板之后,将该热轧钢板成形为管状,同时将对接面进行电焊,由此制成电焊钢管,其中所述钢坯具有下述组成:以质量%计分别含有:C:0.05~0.12%、Si:0.03~0.5%、Mn:0.80~2.2%、P:0.03%以下、S:0.003%以下、Al:0.08%以下、Nb:0.01%~0.10%、Ti:0.005~0.03%、B:0.0005~0.0030%、N:0.008%以下,满足Ti>3.4N,剩余部分由Fe和不可避免的杂质构成,当将C含量(%)设定为[C],将Si含量(%)设定为[Si],将Mn含量(%)设定为[Mn],将Ni含量(%)设定为[Ni],将Cu含量(%)设定为[Cu],将Cr含量(%)设定为[Cr],将Mo含量(%)设定为[Mo]时,由下述式(1)规定的V为15~40。logV=2.94-0.75(2.7+0.4++0.45+0.45+0.8+2) (1)其中,关于上述元素,没有规定下限的元素表示以不可避免的杂质的水平含有。
  另外,上述组成是油井用电焊钢管中未被电焊的部分(母材部)的板厚中心附近的值。下面,对本技术的钢材成分的限定理由进行说明。此外,%的符号只要没有特别说明,则表示质量%。
  (C:0.05~0.12%)在本技术中,C是用于提高抗拉强度、利用冷加工中的造管工序中的加工硬化来提高强度、确保韧性的重要元素。一般来说,我们已经知道,C量增加时,屈服比会下降。尽管其理由还未必清楚,但对于单相钢的情况来说,据推测是由于碳化物量增多,所以加工硬化增强,结果抗拉强度提高,但析出强化所引起的屈服强度上升得到抑制。另外,对于二相钢的情况来说,据推测是马氏体等硬质相变硬,使抗拉强度相对地提高,结果屈服比下降。
  本技术中,为了提高淬透性和屈服比,确保强度,将C含量的下限设定为0.05%。
  另一方面,C的含量如果过多,则韧性有可能劣化,同时屈服比也有可能下降,结果,难以确保与API标准5CT P110相当的强度,所以将上限设定为0.12%。
  此外,从韧性与强度的平衡的观点出发。优选将C含量设定为0.06~0.11%,更优选设定为0.07~0.12%。
  下面,对上述制造条件的限定理由等进行详细说明。
  首先,使用具有上述成分组成以及V的钢坯,优选将加热温度设定为1000~1280℃、更优选设定为1050~1250℃,将轧制结束温度设定为750~900℃的范围内,进行热轧。然后,优选以10℃/s以上的冷却速度进行加速冷却。其中,冷却速度是钢坯板厚中心的平均速度,各温度均设定为钢坯的平均温度。如以下所详述的那样,在本技术中,在650~300℃的范围会发生贝氏体相变,750~650℃的范围内的冷却速度不会影响贝氏体相变,所以可以使用通常的操作工艺。此外,为了使碳化物充分固溶,并且防止晶粒的粗大化,加热温度优选设定为上述范围内。由此,可以充分确保强度,能够得到所需的屈服比。另外,轧制结束温度如果过高,则有可能发生因晶粒的粗大化而引起的低温韧性下降,所以优选将上限设定为900℃。另一方面,轧制结束温度如果过低,则轧制结束温度变为Ar相变点以下,机械性质有可能因被加工了的铁素体而发生劣化,所以优选将轧制结束温度的下限设定为750℃以上。另外,为了获得均匀的贝氏体组织,在贝氏体相变开始的650℃以下的加速冷却的冷却速度更优选设定为15℃/s以上。由此,可以充分确保强度。另一方面,冷却速度如果过快,则强度变得过高,有可能损害韧性,所以优选将上限设定为50℃/s。更优选的上限为30℃/s,进一步优选的上限为20℃/s。此外,在本技术中,热轧后的钢板的板厚不受限制,但5~20mm是特别有效的。
  接着,进行了上述加速冷却之后,将卷取温度设定为300℃以下来进行卷取,制成热轧钢板。这是为了加速冷却至贝氏体相变温度以下,使组织成为均匀的贝氏体。但是,如果使卷取温度超过300℃来进行卷取,则相变不充分,生成颗粒状贝氏体,从而有可能无法充分地获得强度。因此,在本技术中,将卷取温度设定为300℃以下,卷取温度也可以为常温。此外,在本技术中,优选将卷取温度设定为250℃以下。接着,将上述热轧钢板成形加工为管状,同时将其对接面进行电焊,制成电焊钢管。
  在本技术中,将热轧钢板成形加工为管状时,将热轧钢板连续地成形为开口管即可,公知的成形方法均可以使用,没有特别限定。另外,本技术中,在进行电焊时,用焊接装置对开口管的圆周方向端部进行加热,使该被加热的端部彼此对接并压粘接合。另外,作为焊接方法,公知的利用了高频电流的电阻焊接法以及感应加热焊接法均可以使用,没有特别限定。此外,在本技术中,开口管的圆周方向端部彼此焊接而成的电焊钢管优选接下来通过焊道切除(bead cutting)而将焊接部上形成的焊道切掉,然后,优选通过高频热处理将接缝部(焊缝部)加热至奥氏体区域。这样,通过高频热处理对焊缝部进行加热,可以控制焊接部的硬度,能够防止焊接部的韧性劣化。对焊缝部进行加热并加速冷却后,也可以在冷加工中对电焊钢管进行定径。此外,定径是指使用多段的定径辊使电焊钢管最终具有固定直径和好的圆度的工序。将制成的电焊钢管用切断机切断成规定的长度。在本技术中,通过在冷加工中进行由上述成形加工等所构成的造管工序,可以使钢加工硬化,能够有效地确保与API标准5CT P110相当的强度。其结果是,能够使电焊钢管的压坏强度上升。如以上所说明的那样,在本技术中,减少C量并通过调整合金的添加量而降低V,由此可以提高屈服比并实现贝氏体的均匀组织,可以实现具有85%~95%的高屈服比和良好的韧性并且显示出与API标准5CTP110相当的强度的油井用电焊钢管。此外,组织在焊缝部附近或表层1mm的范围,有时不一定是贝氏体单相,但对钢管特性的影响较小。其中,在本技术中,贝氏体是指铁素体、珠光体以及马氏体以外的组织,并且是在板条状组织中存在有渗碳体的组织。此时,渗碳体可以存在于晶界,也可以存在于板条状组织中。另外,本技术中的贝氏体是指具有板条状组织的组织,并且也可以说是除去了多边形铁素体、针状铁素体以及颗粒状贝氏体后的组织。
    另外,本技术的油井用电焊钢管由于在电焊后不进行淬火回火这样的热处理,所以根据拉伸试验结果制作应力-应变曲线(stress-straincurve)时,该应力-应变曲线上不存在屈服点伸长。据认为,这是因为不电焊后进行热处理,所以电焊钢管中的组织中所含的游离的N和C不会向位错扩散而固定位错,不会发生屈服点伸长。此外,为了实现高屈服比,也可以考虑在400℃左右的低温下进行回火,但进行这样的热处理时,位错会析出碳化物(渗碳体),在应力-应变曲线上可观测到屈服点,会发生屈服点伸长。根据以上说明的本技术的油井用电焊钢管以及油井用电焊钢管的制造方法,通过调整钢成分使得V的值的范围在上述范围内,可以在不使淬透性劣化的情况下提高强度。另外,通过将V的下限值设定为上述范围内,可以防止加速冷却时强度随冷却速度的增加而过度上升,结果是,能够通过冷却速度来精确地进行强度的控制,能够提高生产率。根据本技术的油井用电焊钢管以及油井用电焊钢管的制造方法,通过将C量设定为上述范围内,可以抑制强度的劣化,同时可以确保良好的韧性和高屈服比。另外,通过将B量设定为上述范围内,则即使减少合金元素的添加量,也能够确保充分的淬透性。另外,根据本技术的油井用电焊钢管以及油井用电焊钢管的制造方法,通过将V控制为上述范围内,并在卷取热轧钢板时将卷取温度设定为低温,可以抑制多边形铁素体的生成,使组织均匀化。其结果是,可以抑制电焊钢管的机械特性的偏差。即,通过同时控制V和卷取温度,可以制成强度与韧性的平衡优良的电焊钢管。
  另外,根据本技术的油井用电焊钢管以及油井用电焊钢管的制造方法,由于是在冷加工中进行造管工序,所以可以利用加工硬化并更有效地确保与API标准5CT P110相当的强度。其结果是,能够提高电焊钢管的压坏强度

 

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