阅读说明：本技术 一种无缝钢管及其制备方法 (Seamless steel pipe and preparation method thereof ) 是由 彭俊 唐科 姚火能 朱萍 向鑫 万五霞 潘先明 黎福华 饶金元 于 2020-06-15 设计创作，主要内容包括：本发明属于材料领域,特别涉及一种无缝钢管及其制备方法。本发明提供的无缝钢管的制备方法包括将管坯进行热轧和调质处理的操作；其中,所述热轧包括将所述管坯进行均匀加热处理、穿孔处理、轧管处理、减径处理,得到热轧后的钢管；所述调质处理依次包括淬火处理和回火处理。本发明提供的无缝钢管的制备方法大大缩短了钻杆接头的生产周期并有效降低生产成本,材料同时具有高强度和高韧性,适用于钻杆接头加工,性能优于现有产品,可以有效提高产品使用寿命。(The invention belongs to the field of materials, and particularly relates to a seamless steel tube and a preparation method thereof. The preparation method of the seamless steel pipe comprises the steps of carrying out hot rolling and quenching and tempering on a pipe blank; wherein the hot rolling comprises the steps of uniformly heating the tube blank, perforating, rolling a tube and reducing to obtain a hot-rolled steel tube; the quenching and tempering sequentially comprises quenching treatment and tempering treatment. The preparation method of the seamless steel pipe provided by the invention greatly shortens the production period of the drill rod joint and effectively reduces the production cost, and the material has high strength and high toughness, is suitable for machining the drill rod joint, has better performance than the existing product and can effectively prolong the service life of the product.)

一种无缝钢管及其制备方法

技术领域

本发明属于材料领域，特别涉及一种无缝钢管及其制备方法，该无缝钢管具有高强度和高韧性，同时具有较大的厚径比，非常适用于生产普通钻杆接头。

背景技术

无缝钢管是一种具有中空截面、周边没有接缝的圆形、方形或矩形钢材。无缝钢管是用钢锭或实心管坯经穿孔制成毛管，然后经热轧、冷轧或冷拨制成。无缝钢管具有中空截面，大量用作输送流体的管道，钢管与圆钢等实心钢材相比，在抗弯抗扭强度相同时，重量较轻，是一种经济截面钢材，广泛用于制造结构件和机械零件。

钻杆是石油钻采的重要部件之一，是由管体及接头两部分组成，其中接头是一段约400mm长的中空圆形钢材，目前，传统的钻杆接头制造工艺为：

热轧棒材→切断→模锻→单件调质→车削加工→成品。

这种加工工艺的缺点在于：

1、工序多，生产周期长、成本高、长度固定。

2、同时受生产工艺影响，通常单台模锻机一天仅能生产100个左右接头，很难满足钻杆厂的需求。

3、同一规格的钻杆接头，根据用户要求，将会有不同的长度，由于模锻的接头毛坯长度固定，接头毛坯的通用性较差。

4、模锻的接头毛坯，单件进行热处理，整批次的性能一致性较差，且检测频次高。

注1：单件热处理，通常是将数个(一般为十几个)模锻后的接头毛坯放在托盘上，然后毛坯连同托盘放入淬火炉进行加热，加热后的接头毛坯连同托盘一起放入淬火液或油池中进行淬火处理，淬火处理后，再将接头毛坯连同托盘放入回火炉中进行回火，完成回火后取出，即为整个热处理过程。

注2：模锻的接头毛坯通常长度为400-800mm，根据用户要求，长度不等。

由此可见，传统的钻杆接头生产工艺效率低、生产周期长、性能均匀性差，因此，目前需要一种新的生产工艺来进行替代。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种无缝钢管及其制备方法，该无缝钢管具有高强度和高韧性，同时具有较大的厚径比，可以直接下断后车削加工钻杆接头，非常适用于生产普通钻杆接头。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种无缝钢管的制备方法，所述方法包括将管坯进行热轧和调质处理的操作；其中，

所述热轧包括将所述管坯进行均匀加热处理、穿孔处理、轧管处理、减径处理，得到热轧后的钢管；

所述调质处理依次包括淬火处理和回火处理。

上述一种无缝钢管的制备方法，作为一种优选的实施方案，所述管坯是通过将生产原料依次进行熔炼处理、精炼处理、真空处理、浇注处理制备得到；

优选地，所述生产原料为优质废钢、热装铁水中的一种或两种混合；

优选地，所述熔炼处理优选采用电炉或转炉，得到熔炼钢水；

优选地，所述精炼处理中，采用钢包炉将所述熔炼钢水进行精炼，全程吹Ar搅拌，得到精炼钢水；

进一步优选地，在所述吹Ar的过程中向钢水中加入Ca线或Ca-Si线进行钙化处理，以使钢水中的Ca的质量百分含量为0.0001-0.005％，以提高钢水的均匀性，并进行夹杂物变性处理使夹杂物呈细小弥散的状态；

优选地，所述真空处理中，将所述精炼钢水置于真空炉中进行真空脱气处理，炉内真空度小于等于0.5乇，得到真空脱气后的钢水；

优选地，所述浇注处理中，将所述真空脱气后的钢水采用连铸全程保护浇注，浇注过程控制钢水过热度小于等于30℃，结晶器电磁搅拌，确保浇注过程无二次污染，得到所述管坯；

进一步优选地，所述管坯是实心连铸圆坯，直径为155mm-230mm，管坯长度2-4m；

进一步优选地，按重量百分比，所述管坯中的各化学元素包含：C：0.35～0.38％；Si：0.1～0.5％；Mn：0.6～1.5％；Cr：0.8～1.5％；Mo：0.20～0.50％；Nb：≤0.20％；P≤0.015％；S≤0.020％；其余为Fe和不可避免的杂质。优选地，还包括Ca，Ca元素的重量百分比为0.0001-0.005％。

上述一种无缝钢管的制备方法，作为一种优选的实施方案，所述均匀加热处理中，采用中径环形炉，对所述管坯进行加热处理；

优选地，加热温度为1150-1280℃，保温时间为2-10小时，确保管坯透烧，得到加热后的管坯。

上述一种无缝钢管的制备方法，作为一种优选的实施方案，

所述穿孔处理中，采用锥形穿孔机对所述加热后的管坯进行扩径穿孔，得到穿孔后的毛管；

优选地，所述穿孔处理的扩径率在0-5％；所述穿孔处理的辗轧角、喂入角均为10-15°；

优选地，所述穿孔后的毛管的外径为156-240mm，毛管截面壁厚差小于5mm。

上述一种无缝钢管的制备方法，作为一种优选的实施方案，

所述轧管处理中，采用阿塞尔轧管机对所述穿孔后的毛管进行轧制，得到轧制的钢管；

优选地，轧管机总的减径率控制为不超过30％，同时控制轧管处理的喂入角≤15°，辗轧角≤5°，轧管处理中使用的芯棒尺寸为40-120mm。

上述一种无缝钢管的制备方法，作为一种优选的实施方案，

所述减径处理中，采用十机架两辊微张力减径机对所述轧制的钢管减径，得到减径的钢管；

优选地，为保证钢管全长壁厚的一致性，控制电机叠加比≤50％，同时为提高内孔精度，减径机的减径率控制为不超过20％。

上述一种无缝钢管的制备方法，作为一种优选的实施方案，

所述淬火处理为：将所述减径的钢管再加热到800-950℃，保温1-3小时后，放在淬火机上，控制淬火时间≤5min，得到淬火后的钢管；

优选地，采用水作为淬火介质，在淬火过程中采用内外表面同时喷水的方式进行强制冷却，冷却过程中钢管不断旋转，保证淬火过程截面组织转变均匀、一致。

上述一种无缝钢管的制备方法，作为一种优选的实施方案，

所述回火处理为：待所述淬火处理冷却完毕后，将所述淬火后的钢管放入炉中加热至500-700℃，保温2-8小时，出炉空冷，即得到无缝钢管。

上述制备方法得到的无缝钢管具有高强度和高韧性，Rp0.2为890-1180Mpa，Rm≥1000Mpa，A≥14％，Z≥55％，KV8≥70J，晶粒度≥8级。

上述制备方法得到的无缝钢管，作为一种优选的实施方案，所述无缝钢管的厚径比≤0.35，外径为79-230mm，内径为30-133mm。

本发明提供的无缝钢管的制备方法大大缩短了生产周期并有效降低生产成本，获得的无缝钢管具有较大的最大厚径比，同时具有高强度和高韧性，尤其适用于普通钻杆接头的加工，性能优于现有产品，可以有效提高产品使用寿命。

本发明的其他特征和优点将在如下的

具体实施方式

部分详细描述。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明的实施方式作进一步地详细描述。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

本发明的第一个方面提供了一种无缝钢管的制备方法，所述方法包括将管坯进行热轧和调质处理的操作；其中，

所述热轧包括将所述管坯进行均匀加热处理、穿孔处理、轧管处理、减径处理，得到热轧后的钢管；

所述调质处理依次包括淬火处理和回火处理。

根据本发明的第一个方面，所述管坯可以为连铸圆坯。所述管坯可以通过将生产原料依次进行熔炼处理、精炼处理、真空处理、浇注处理制备得到。

所述生产原料可以为优质废钢、热装铁水中的一种或两种混合。

所述熔炼处理优选采用电炉或转炉，得到熔炼钢水。

所述精炼处理中，采用钢包炉将所述熔炼钢水进行精炼，全程吹Ar搅拌，得到精炼钢水。

优选地，在上述吹Ar的过程中向钢水中加入Ca线或Ca-Si线进行钙化处理，以使钢水中的Ca的质量百分含量为0.0001-0.005％，以提高钢水的均匀性，并进行夹杂物变性处理使夹杂物呈细小弥散的状态。

所述真空处理中，将所述精炼钢水置于真空炉中进行真空脱气处理，炉内真空度小于等于0.5乇(1乇＝133.322帕)，得到真空脱气后的钢水。

所述浇注处理中，将所述真空脱气后的钢水采用连铸全程保护浇注，浇注过程控制钢水过热度小于等于30℃，结晶器电磁搅拌，确保浇注过程无二次污染，得到的连铸圆坯(即管坯)疏松级别较低；该管坯是实心坯料，直径为155mm-230mm，管坯长度2-4m。

通过上述工艺生产的管坯(连铸圆坯)，按重量百分比，所述管坯成分包括：C：0.35～0.38％；Si：0.1～0.5％；Mn：0.6～1.5％；Cr：0.8～1.5％；Mo：0.20～0.50％；Nb：≤0.20％；P≤0.015％；S≤0.020％；其余为Fe和不可避免的杂质；优选地，还包括Ca，重量百分比为0.0001-0.005％。

根据本发明的第一个方面，所述热轧可以包括将所述管坯进行均匀加热处理、穿孔处理、轧管处理、减径处理，得到热轧后的钢管。

所述均匀加热处理中，优选采用中径环形炉，对所述管坯进行加热处理。加热温度为1150-1280℃，保温时间为2-10小时，确保管坯透烧，得到加热后的管坯。

进一步地，加热处理的温度可以为1150、1170、1190、1200、1220、1240、1250、1270和1280℃中的任意一个或两个之间的范围，例如可以为1150-1220℃、1200-1280℃、1190-1270℃或1170-1250℃；保温时间可以为2、3、4、5、6、7、8、9和10小时中的任意一个或两个之间的范围，例如可以为2-5小时、7-10小时、3-8小时或5-8小时。

所述穿孔处理中，优选采用锥形穿孔机对所述加热后的管坯进行扩径穿孔，得到穿孔后的毛管。所述穿孔处理的扩径率在0-5％，这样在保证尺寸均匀性的同时，还可以增加坯料可生产钢管的尺寸范围。其中，所述穿孔处理的辗轧角、喂入角均为10-15°。采用该辗轧角、喂入角的角度轧制可以消除轧制过程中的切向变形和扭转变形，可以提高钢管内表面的质量，减少轧制不稳定性和产生的缺陷。本发明通过控制上述扩径率和辗轧角、喂入角的角度实现了所述毛管的界面厚壁差小于5mm。

所述穿孔后的毛管的外径为156-240mm，毛管截面壁厚差小于5mm。

进一步地，所述穿孔后的毛管的外径为156、160、170、180、190、200、210、220、230和240mm中的任意一个或两个之间的范围，例如可以为156-190mm、200-240mm、160-210mm、180-220mm或170-230mm。

本步骤的穿孔处理时的扩径率为0-5％，故采用的是等径或扩径穿孔，这种工艺对于调整的要求较高，如果调整不当，容易产生变形不均而导致表面缺陷；但是这种工艺可以使用直径较小的坯料生产外径变大的钢管；相对使用直径较大的坯料生产外径变小的钢管的方式，更节省管坯均匀加热时间，同时也使管坯规格比较灵活。

所述轧管处理中，优选采用阿塞尔轧管机对所述穿孔后的毛管进行轧制，得到轧制的钢管。为提高钢管尺寸精度及表面质量，避免产生裂纹，增加轧制稳定性，轧管机总的减径率控制为不超过30％，同时控制轧管处理的喂入角≤15°，辗轧角≤5°，轧管处理中使用的芯棒尺寸为40-120mm(可以为40、50、60、70、80、90、100、110和120mm中的任意一个或两个之间的范围，例如可以为40-80mm、90-120mm、50-100mm、70-110mm或60-100mm)。

所述减径处理中，优选采用十机架两辊微张力减径机对轧制的钢管减径，得到减径的钢管。

为保证钢管全长壁厚的一致性，应根据尺寸选择不同的电机叠加比，控制电机叠加比≤50％，同时为提高内孔精度，避免产生椭圆或内六方内孔，减径机的减径率控制为不超过20％。

采用此工艺轧制的钢管，最大厚径比(壁厚/外径)可达0.35。

根据本发明的第一个方面，所述调质处理依次包括淬火处理和回火处理。

所述淬火处理可以为：将减径的钢管再加热到800-950℃，保温1-3小时后，放在淬火机上，控制淬火时间≤5min，得到淬火后的钢管。可以采用水作为淬火介质，优选在淬火过程中采用内外表面同时喷水的方式进行强制冷却，冷却过程中钢管不断旋转，保证淬火过程截面组织转变均匀、一致。淬火温度低于800℃时无法淬透，无法获得本发明性能的钢材，高于950℃时，钢材易开裂，晶粒粗大。

进一步地，所述淬火处理的温度可以为800、820、840、860、880、900、920、940和950℃中的任意一个或两个之间的范围，例如可以为800-880℃、860-950℃、820-920℃或840-940℃；保温时间可以为1、1.5、2、2.5和3小时中的任意一个或两个之间的范围，例如可以为1-2小时、1.5-3小时、1.5-2.5小时或2-3小时。

传统工艺中，此类材料通常采用外表面喷水淬火或放入油/淬火液池中淬火的方式进行淬火；相较于传统工艺，本发明中采用的淬火处理方式具有淬火强度大、组织均匀的特点。

所述回火处理可以为：待淬火处理冷却完毕后，将所述淬火后的钢管放入炉中加热至500-700℃，保温2-8小时，出炉空冷，即得到无缝钢管。回火温度低于500℃时会导致钢材强度过高、冲击值低；高于700℃时会大大降低钢材强度。

进一步地，所述回火处理的温度可以为500、520、540、560、600、620、640、660、680和700℃中的任意一个或两个之间的范围，例如可以为500-560℃、600-700℃、520-620℃、540-640℃或560-680℃；保温时间可以为2、3、4、5、6、7和8小时中的任意一个或两个之间的范围，例如可以为2-5小时、6-8小时、3-6小时、4-7小时或4-6小时。

本发明的第一个方面提供的无缝钢管的制备方法还可以包括对钢管进行探伤的操作。

所述探伤可以为超声波探伤。所述超声波探伤可以采用自动超声探伤线对钢管进行检测，按照GB/T5777中L2级，对钢管纵向、横向、斜向缺陷进行检测，要求一般疏松≤1级、偏析≤1级，检测合格即为成品钢管。采用上述本发明的第一个方面的方法制备得到的无缝钢管的合格率为100％。

经过所述调质处理完毕(即完成回火处理)的钢管，按照ASTM A370方法进行检测，热处理后性能可达到Rp0.2(即：非比例延伸率为0.2时的延伸强度)为890-1180Mpa，Rm(即：抗拉强度)≥1000Mpa，A(即：断后伸长率)≥14％，Z(即：断面收缩率)≥55％，KV8(即：V型缺口试样在8mm摆锤刀刃的冲击下吸收的能量)≥70J，晶粒度≥8级。

采用上述方法制备得到的钢管的屈服强度波动范围、最低强度、冲击韧性等各项性能远高于行业标准要求，API 5DP中对于接头的要求为：Rp0.2≥827-1138Mpa、Rm≥965Mpa，A≥13％，KV8≥54J)。

使用本发明的方法制备得到的无缝钢管尤其适用于普通钻杆接头。

本发明的第二个方面提供了一种无缝钢管，所述无缝钢管为采用根据本发明的第一个方面的无缝钢管的制备方法制备得到。

根据本发明的第二个方面，所述无缝钢管具有高强度和高韧性，Rp0.2为890-1180Mpa，Rm≥1000Mpa，A≥14％，Z≥55％，KV8≥70J，晶粒度≥8级。上述性能参数按照ASTMA370方法进行检测获得。

所述无缝钢管的厚径比≤0.35(即，最大等于0.35)，优选为0.28-032。

所述的无缝钢管的外径为79-230mm，内径为30-133mm。

进一步地，所述无缝钢管的外径可以为79、100、120、140、160、180、200、220和230mm中的任意一个或两个之间的范围，例如可以为79-160mm、180-230mm、120-200mm、140-180mm或100-220mm；内径为30、40、50、60、70、80、90、100、110、120和133mm中的任意一个或两个之间的范围，例如可以为30-80mm、70-133mm、60-100mm、70-120mm或50-90mm。

上述厚径比、规格的无缝钢管在现有技术中无法通过普通钢管工艺达到，只能通过棒材掏孔或棒料模锻等工艺才能达到，但可以通过本发明的钢管工艺即可直接达到。

相比现有技术，本发明具有如下有益效果：

1、采用本发明的产品生产钻杆接头，接头的生产工艺将优化为：钢管→切断→车削加工→成品，相较传统工艺，减少了模锻等工序。同时，钢管长度通常在8m以上，可以根据订单要求，切断后用于制造不同长度的接头，材料的通用性明显优于传统工艺。

2、本发明采用连铸圆坯→热轧(包括穿孔、轧管、减径)钢管→调质处理的方法生产，成管后质量好、尺寸精度高、成本低、生产效率高、合格率高、产品性能优良；另外，本发明方法得到的无缝钢管的厚径比最大可达0.35，钢管的长度最大可达10m。

3、产品的规格覆盖范围广，可生产范围：外径79-230mm，内径30-133mm涵盖所有接头要求。

4、钢管整体热处理，性能均匀性可满足同批次材料，屈服强度波动≤150Mpa，无缝钢管的性能如下：Rp0.2＝890-1180MPa，Rm≥1000Mpa，A≥14％，Z≥55％，KV8≥70J，晶粒度≥8级，远优于传统工艺及产品行业标准要求。

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于本发明而不用于限制本发明的范围。对外应理解，在阅读了本发明的内容之后，本领域技术人员对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

本发明各实施例管坯中各化学元素的重量百分含量及钢水中的Ca的质量百分含量如表1所示：

表1

管坯中各元素含量	实施例1	实施例2	实施例3
				C	0.35％	0.36％	0.38％
Si	0.1％	0.3％	0.5％
				Mn	0.6％	1.0％	1.5％
Cr	0.8％	1.1％	1.5％
				Mo	0.2％	0.3％	0.5％
Nb	0.2％	0.1％	0.08％
				P	0.015％	0.013％	0.01％
S	0.010％	0.015％	0.018％
				Ca	0.003％	0.0008％	0.004％

本发明各实施例制备管坯的工艺参数如表2所示：

表2

工序	实施例1	实施例2	实施例3
				真空处理的真空度乇	0.4	0.2	0.3
钢水过热度℃	25	30	20
				管坯直径	155mm	195mm	230mm
管坯长度	2.9m	3.2m	3.6m

本发明各实施例制备无缝钢管的穿孔工艺参数如表3所示：

表3

本发明各实施例制备无缝钢管的轧管和减径工艺参数如表4所示：

表4

本发明各实施例制备无缝钢管的淬火、回火工艺参数如表5所示：

表5

本发明各实施例制备所得无缝钢管的性能研究，结果如表6所示：

表6

性能	实施例1	实施例2	实施例3
				Rp0.2MPa	985	913	925
RmMPa	1078	1014	1025
				A％	17.5	21.5	21
Z％	55	66	64
				KV8J	95	110	108
晶粒度	8	8	8

实施例4-5和对比例1-2

实施例4-5和对比例1-2中，除了淬火温度不同于实施例3以外，其他工艺与实施例3相同，其中淬火温度和得到的钢材性能参见表7。

表7

工序和性能	实施例4	实施例5	对比例1	对比例2
					淬火温度℃	800	950	780	970
Rp0.2MPa	905	921	853	1001
					RmMPa	1010	1023	969	1053
A％	18.5	17	22	16.5
					Z％	62	57	68	52
KV8J	90	93	115	76
					晶粒度	8	8	7	6

实施例6-7和对比例3-4

实施例6-7和对比例3-4中，除了回火温度不同于实施例3以外，其他工艺与实施例3相同，其中回火温度和得到的钢材性能参见表8。

表8

对比例5

除了减径工序中的叠加比和减径率不同于实施例3以外，其他工艺与实施例3相同，其中叠加比为55％，减径率为25％，由此得到的钢材壁厚均匀性变差，钢管的内孔不圆，偏椭圆。

由技术常识可知，本发明可以通过其它的不脱离其精神实质或必要特征的实施方案来实现。因此，上述公开的实施方案，就各方面而言，都只是举例说明，并不是仅有的。所有在本发明范围内或在等同于本发明的范围内的改变均被本发明包含。