一种超高强度超高韧性石油套管及其制造方法技术

本发明专利技术公开了一种超高强度超高韧性石油套管，其化学元素质量百分配比为：C：0.12-0.18％；Si：0.1-0.4％；Mn：1.1-1.6％；Cr：0.1-0.4％；Mo：0.2-0.5％；Nb：0.02-0.04％；Ti：0.02-0.05％；B：0.0015-0.005％；Al：0.01-0.05％；Ca：0.0005-0.005％；N≤0.008％；且满足0<(Ti-3.4N)≤0.02％，Ti/B≥10；余量为Fe和其他不可避免的杂质。相应地，本发明专利技术还公开了上述超高强度超高韧性石油套管的制造方法。本发明专利技术所述的超高强度超高韧性石油套管兼具超高强度和超高韧性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种冶金产品及其制造方法，尤其涉及一种石油套管及其制造方法。
技术介绍
目前，世界上深井、超深井油气资源的开采得到越来越多的重视。我国西部油田资源埋藏极深，地质结构复杂，最深的油气井已经超过了8000米，随之而来的是对于开采油气井的套管强度要求的显著提高。众所周知，随着钢级的增高以及材料屈服强度的增大，材料的硬度会相应地增大，材料的韧性则会逐渐下降，并且材料对表面缺陷的敏感程度会进一步地增大。开采深井、超深井用的套管对强度和韧性要求很高，在满足高强度的同时要尽可能提高其韧性指标，以保证生产使用的安全性。但是，钢的强度和韧性、塑性通常表现为互为消长的关系，强度高的钢通常其塑性和韧性较低，同样地，如果要使得钢具有较高的塑性和韧性，就必须降低钢的强度。为此，兼具较高韧性和较高强度的钢材料的开发难度极大。当前能够实现工业应用的套管强度能够达到170ksi，但是，该套管的冲击韧性仅为50-80J。相关指导文件指出，用于压力容器的高强度钢的冲击韧性需要达到其屈服强度的10％。由此，国内各大油田，例如塔里木油田，也对深井、超深井用套管的性能提出了相同的标准，然而，现有的强度150ksi(屈服强度1034MPa)以上的高强钢的冲击韧性性能远低于这一标准。公开号为CN101586450A，公开日为2008年8月27日，名称为“具有高强度和高韧性的石油套管及其制造方法”的中国专利文献涉及一种用于石油套<br>管的钢种，其化学元素成分(wt.％)为：C:0.22～0.4％，Si:0.17～0.35％，Mn:0.45～0.60％，Cr:0.95～1.10％，Mo:0.70～0.80％，Al:0.015～0.040％，Ni<0.20％，Cu<0.20％，V:0.070～0.100％，Ca>0.0015％，P<0.010％，S<0.003％，余量为铁。该中国专利文献还提供制造该石油套管的方法，其步骤包括有:1)配料冶炼；2)连铸连轧以及3)管加工。上述中国文献所公开的钢种的强度达到1100Mpa，但是其横向冲击韧性仅为90J，韧性指标较低。公开号为CN101250671A，公开日为2009年11月25日，名称为“具有高强度和高韧性石油套管及其制造方法”的中国专利文献涉及了一种石油套管及其制造方法，该石油套管的化学元素质量百分含量为(wt.％)：C：0.16～0.28，Si：≤0.5，Mn：0.3～1.10，Cr：0.3～1.10，Mo：0.60～0.95，Al：0.015～0.060，其中酸溶Als/Al≥0.8，Ni：＜0.60，Cu：0.05～0.25，V：0.06～0.20，Ca>0.0015，Nb：≤0.05，Ti：≤0.05，P＜0.010，S＜0.002，O：＜0.0024，H：＜0.0002，N：＜0.008，B：0.0～0.005，余量为Fe。该中国专利文献公开的石油套管的横向冲击韧性只有80J，其韧性指标也较低。公开日为JPH11-131189A，公开日为1999年5月18日，名称为“一种钢管的制造方法”的日本专利文献，其公开了一种钢管的制造方法。该制造方法提出在750-400℃温度范围内加热，然后在20％或60％变形量以上的范围内进行轧制，生产获得屈服强度950Mpa以上、具有良好韧性的钢管产品。不过，由于此工艺技术的加热温度较低，轧制难度较大；此外，轧制温度较低容易产生马氏体组织，而这一微观组织是石油套管产品所不允许出现的微观组织。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种超高强度超高韧性石油套管，该石油套管兼具有超高强度和超高韧性，其强度能够达到150ksi钢级以上，同时其0度横向夏比冲击功不小于150ksi钢级屈服强度的10％，可以满足深井、超深井油气田对油井管提出的强度和韧性的要求。为了实现上述目的，本专利技术提出了一种超高强度超高韧性石油套管，其化学元素质量百分配比为：C：0.12-0.18％；Si：0.1-0.4％；Mn：1.1-1.6％；Cr：0.1-0.4％；Mo：0.2-0.5％；Nb：0.02-0.04％；Ti：0.02-0.05％；B：0.0015-0.005％；Al：0.01-0.05％；Ca：0.0005-0.005％；N≤0.008％；且满足0<(Ti-3.4N)≤0.02％，Ti/B≥10；余量为Fe和其他不可避免的杂质。本技术方案中不可避免的杂质主要是P和S元素，其中P控制为≤0.015％，S控制为≤0.003％。本专利技术所述的超高强度超高韧性石油套管中的各化学元素的设计原理为：C：C为碳化物形成元素，其可以提高钢的强度。当C含量低于0.12wt.％时，会使得钢的淬透性降低，从而降低钢的韧性，然而，当C含量高于0.18wt.％时，则会显著地恶化钢的偏析，从而也会造成钢的韧性的降低。为了达到石油套管的高强度高韧性的要求，在本专利技术的技术方案中需要将C元素的含量控制为0.12～0.18wt.％。Si：Si固溶于铁素体，其可以提高钢的屈服强度，但是Si元素的添加量不宜过高，太高的Si元素会恶化钢的加工性和韧性，低于0.1wt.％的Si元素会使得石油套管容易氧化，因此，应该将Si含量控制为0.10～0.40wt.％。Mn：Mn为奥氏体的形成元素，其可以提高钢的淬透性。在本专利技术所述的超高强度超高韧性石油套管的钢种体系中，当Mn含量小于1.1wt.％时，钢的淬透性会显著降低，从而降低钢中马氏体的比例，进而降低钢的韧性；当Mn含量大于1.6wt.％时，钢中的组织偏析又会显著增加，由此，会影响热轧组织的均匀性和冲击性能。基于这一原因，在本专利技术的技术方案中将Mn含量控制在1.10～1.60wt.％之间。Cr：Cr是强烈的提高钢的淬透性的元素，其是强碳化物的形成元素。回火时析出的其强碳化物能够提高钢的强度。不过，当Cr含量高于0.4wt.％时，容易在晶界析出粗大的M23C6碳化物，从而降低钢的韧性，当Cr含量低于0.1wt.％时，则难以提高钢的淬透性，其添加效果不明显。在本专利技术所述的超高强度超高韧性石油套管中将Cr的含量设计为0.1-0.4wt.％。Mo：Mo主要是通过碳化物及固溶强化形式来提高钢的强度及回火稳定性。在本专利技术的技术方案中，由于碳含量较低，因此，当添加Mo的含量超过0.5wt.％以上时，Mo难以与C形成更多的碳化物析出相，这样会本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种超高强度超高韧性石油套管，其特征在于，其化学元素质量百分配比为：C：0.12‑0.18％；Si：0.1‑0.4％；Mn：1.1‑1.6％；Cr：0.1‑0.4％；Mo：0.2‑0.5％；Nb：0.02‑0.04％；Ti：0.02‑0.05％；B：0.0015‑0.005％；Al：0.01‑0.05％；Ca：0.0005‑0.005％；N≤0.008％；且满足0<(Ti‑3.4N)≤0.02％，Ti/B≥10；余量为Fe和其他不可避免的杂质。

【技术特征摘要】
1.一种超高强度超高韧性石油套管，其特征在于，其化学元素质量百分配比
为：
C：0.12-0.18％；Si：0.1-0.4％；Mn：1.1-1.6％；Cr：0.1-0.4％；Mo：
0.2-0.5％；Nb：0.02-0.04％；Ti：0.02-0.05％；B：0.0015-0.005％；Al：
0.01-0.05％；Ca：0.0005-0.005％；N≤0.008％；且满足0<(Ti-3.4N)≤
0.02％，Ti/B≥10；余量为Fe和其他不可避免的杂质。
2.如权利要求1所述的超高强度超高韧性石油套管，其特征在于，还含有0
＜V≤0.1wt％的V元素。
3.如权利要求1所述的超高强度超高韧性石油套管，其特征在于，其微观组
织为回火索氏体。
4.如权利要求1所述的超高强度超高韧性石油套管，其特征在于，其屈服强
度为1034-1241MPa，抗拉强度≥1103MPa，延伸率为20％-30％，0度横
向夏比冲击功不小于屈服强度的10％，韧脆转变温度≤-70℃。
5.如权利要求1所述的超高强度超高韧性石油套管，其特征在于，其屈服强
度为1069-1276MPa，抗拉强度≥1138MPa，延伸率为20％-25％，0度横<...

【专利技术属性】
技术研发人员：董晓明，张忠铧，柏林，
申请(专利权)人：宝山钢铁股份有限公司，
类型：发明
国别省市：上海;31