阅读说明：本技术 用微钛处理合金钢提高j k55钢级油井管冲击功的方法 (Method for improving impact power of J K55 steel-grade oil well pipe by treating alloy steel with micro-titanium ) 是由 文玉成 朱海涛 郑贵英 刘金海 李玉柱 丛国元 赵晓林 李凯 武志强 殷占峰 邵 于 2019-11-05 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种用微钛处理合金钢提高J K55钢级油井管冲击功的方法,合金管通过0.010％～0.040％的Ti进行处理,包括电炉冶炼、LF炉精炼、管坯连铸、1240℃～1290℃管坯加热、1150℃～1210℃两辊斜轧穿孔、1050℃～1160℃PQF连轧机轧制成荒管、定减径轧制、冷床风机吹风冷却、成型。本发明的有益效果是：油管抗拉强度≥700Mpa、屈服强度≥430Mpa、延伸率≥33％、室温横向冲击功≥50J,组织为铁素体加珠光体；成分设计合理,操作、控制简便,成本低；冲击韧性较好,产品性能满足J55和K55钢级要求,用于石油套管和油管。(The invention provides a method for improving the impact energy of a J K55 steel-grade oil well pipe by alloy steel treated by micro-titanium, wherein the alloy pipe is treated by 0.010-0.040% of Ti, and the method comprises electric furnace smelting, LF furnace refining, pipe blank continuous casting, heating of the pipe blank at 1240-1290 ℃, two-roller inclined rolling and punching at 1150-1210 ℃, rolling of a PQF continuous rolling mill at 1050-1160 ℃ into a pierced billet, fixed reducing rolling, blowing cooling by a cooling bed fan and forming.)

用微钛处理合金钢提高J K55钢级油井管冲击功的方法

技术领域

本发明属于冶金行业的无缝钢管制造技术领域，特别是涉及一种用微钛处理合金钢提高J K55钢级油井管冲击功的方法。

背景技术

J55和K55钢级油井管是油田最常用的石油专用管材之一，用量较大。API 5CT规定：J55和K55级别钢管要求成品中P、S≤0.030％，屈服强度≥379Mpa，J55钢级抗拉强度≥517Mpa，K55钢级抗拉强度≥655Mpa，伸长率率≥24％，对冲击性能没有强制要求。随着石油工业的发展，钻井工况日趋复杂，对石油工业用套管的要求更加苛刻，部分油田对J55和K55钢级套管的冲击性能提出强制要求。

钢铁材料的生产中钢材的强度和韧性是一对矛盾，通常提高强度，就降低韧性，或者反过来，韧性改善，强度就下降。广泛用于生产J55和K55钢级无缝钢管的37Mn5钢种，含碳约为0.37％，锰约为1.5％，采用炼钢-连铸-管坯加热-穿孔-连轧-定径-空冷的工艺生产的钢管，成品屈服强度在420Mpa左右，抗拉强度在690Mpa左右，满足J55和K55钢级无缝钢管强度要求，但冲击功值多处于15J～20J之间,冲击功偏低,且波动范围大。

现有技术中名为“一种K55级高频电阻焊石油套管钢及其制造方法”的中国专利CN102828121A添加V元素添加Nb、Cr、V元素，冶炼难度加大，且合金成本较高。现有技术中名为“一种厚壁石油套管接箍料用无缝钢管及其生产方法”CN 102330018A添加0.02％～0.04％的V，且定径后需进行喷雾快速冷却，生产成本较高。

目前通过采用材料中添加适量V、Nb合金化元素或采用离线热处理工艺等手段，生产出力学性能满足J55和K55要求的无缝钢管，此种工艺是可行的，但无缝钢管的制造成本大幅度增加。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术中存在的不足，提供一种能够提高J/K55钢级油井管的冲击韧性的制造方法，采用碳锰钢基础上添加微量钛元素的成分设计，实现产品的高强度和高冲击韧性，同时具有较低的生产成本。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种用微钛处理合金钢提高J K55钢级油井管冲击功的方法，该油井管的成分重量百分比为，C：0.30％～0.40％、Si：0.15％～0.40％、Mn：1.20％～1.50％、P：≤0.015％、S：≤0.008％、Ni：≤0.20％、Cr：≤0.15％、Mo：≤0.10％、Cu：≤0.20％、Al：0.020％～0.050％、V：≤0.03％、Nb：≤0.15％、Ti：0.010％～0.040％、N：≤0.012％，其余为Fe及不可避免的杂质元素，该方法包括：电炉冶炼、管坯连铸、热轧成型、定减径轧制、冷却成型，所述电炉冶炼后进行LF炉精炼，所述LF炉精炼工序添加钛丝、调整合金元素含量；所述热轧成型包括钢坯在环形炉预热段、加热段、均热段，所述预热段包括温度为900℃～1150℃的预热Ⅰ区、温度为1150℃～1240℃的预热Ⅱ区，所述加热段包括温度为1240℃～1290℃的加热Ⅰ区、温度为1250℃～1300℃的加热Ⅱ区，所述均热段包括温度为1240℃～1290℃的均热Ⅰ区、温度为1240℃～1290℃的均热Ⅱ区段。

所述定减径轧制时的热定径定径出口温度为830℃～900℃。

所述管坯连铸是钢坯在环形炉中加热到1240℃～1290℃，1150℃～1210℃通过两辊斜轧穿孔机穿成毛管，再经过5机架限动芯棒连轧机轧制成荒管，连轧温度1050℃～1160℃。

所述冷却为冷床风机吹风冷却方式。

C:碳是碳化物形成元素，通过固溶强化和析出强化的作用提高钢的强度，随钢中含碳量增加，屈服强度和抗拉强度升高，但塑性和冲击性降低。根据API 5CT标准要求和K55钢级油井管试验结果,本发明确定钢的化学成分中碳含量为0.30％～0.40％。

Si：硅是常用的脱氧剂，在合金钢中能提高钢的固溶体的强度，并显著地提高钢的弹性极限、屈服极限和屈强比，但是加入大量的硅会降低钢的韧性，为此，控制硅元素的成分范围为0.15％～0.40％。

Mn：锰具有脱氧作用,对铁素体及奥氏体具有较强的固溶强化作用，可弥补因碳含量降低而损失的屈服强度。但锰含量过高时，会造成钢的韧性降低，也增加管坯的中心偏析倾向，影响钢的性能均匀性，一般油井管锰的含量为1.20％～1.50％。

Ti：钛是强碳、氮化物形成元素，钛能和N、C结合形成稳定的氮化物、碳化物，阻止奥氏体晶粒的长大，从而细化晶粒，提高钢的强度和韧性。含钛量过低不能发挥其应起到的作用，过多的钛含量易形成粗大的Ti(C，N)夹杂物，对钢的韧性起到破坏作用，合适的范围是0.010％～0.040％。

Al：铝是常用脱氧剂，具有细化晶粒和提高钢的抗氧化性能作用，含量较高会降低钢的强塑性，应严格控制在：0.020％～0.050％。

N:氮在钢中是以氮化物的形式存在，氮含量过高将恶化钢的塑性和冲击韧性，而少量的氮化物能起到细化晶粒的作用，控制其含量≤0.012％。

本发明的有益效果是：合金冶炼操作简便，生产成本较低；采用合理的管坯加热、热轧生产工艺，钢管室温组织为铁素体和珠光体组织，晶粒细小均匀，晶粒度达到7.5级以上，TN第二相析出物分布均匀、细小，产品性能完全满足API 5CT标准J55和K55钢级的要求，且冲击韧性在室温横向Akv时达到50J以上。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步的描述。

本发明的一种用微钛处理合金钢提高J K55钢级油井管冲击功的方法，该油井管的成分重量百分比为，C：0.30％～0.40％、Si：0.15％～0.40％、Mn：1.20％～1.50％、P：≤0.015％、S：≤0.008％、Ni：≤0.20％、Cr：≤0.15％、Mo：≤0.10％、Cu：≤0.20％、Al：0.020％～0.050％、V：≤0.03％、Nb：≤0.15％、Ti：0.010％～0.040％、N：≤0.012％，其余为Fe及不可避免的杂质元素，该方法包括：电炉冶炼、管坯连铸、热轧成型、定减径轧制、冷却成型，所述电炉冶炼后进行LF炉精炼，所述LF炉精炼工序添加钛丝、调整合金元素含量；所述热轧成型包括钢坯在环形炉预热段、加热段、均热段，所述预热段包括温度为900℃～1150℃的预热Ⅰ区、温度为1150℃～1240℃的预热Ⅱ区，所述加热段包括温度为1240℃～1290℃的加热Ⅰ区、温度为1250℃～1300℃的加热Ⅱ区，所述均热段包括温度为1240℃～1290℃的均热Ⅰ区、温度为1240℃～1290℃的均热Ⅱ区段。

所述定减径轧制时的热定径定径出口温度为830℃～900℃。

所述管坯连铸是钢坯在环形炉中加热到1240℃～1290℃，1150℃～1210℃通过两辊斜轧穿孔机穿成毛管，再经过5机架限动芯棒连轧机轧制成荒管，连轧温度1050℃～1160℃。

所述冷却为冷床风机吹风冷却方式。

C:碳是碳化物形成元素，通过固溶强化和析出强化的作用提高钢的强度，随钢中含碳量增加，屈服强度和抗拉强度升高，但塑性和冲击性降低。根据API 5CT标准要求和K55钢级油井管试验结果,本发明确定钢的化学成分中碳含量为0.30％～0.40％。

Si：硅是常用的脱氧剂，在合金钢中能提高钢的固溶体的强度，并显著地提高钢的弹性极限、屈服极限和屈强比，但是加入大量的硅会降低钢的韧性，为此，控制硅元素的成分范围为0.15％～0.40％。

Mn：锰具有脱氧作用,对铁素体及奥氏体具有较强的固溶强化作用，可弥补因碳含量降低而损失的屈服强度。但锰含量过高时，会造成钢的韧性降低，也增加管坯的中心偏析倾向，影响钢的性能均匀性，一般油井管锰的含量为1.20％～1.50％。

Ti：钛是强碳、氮化物形成元素，钛能和N、C结合形成稳定的氮化物、碳化物，阻止奥氏体晶粒的长大，从而细化晶粒，提高钢的强度和韧性。含钛量过低不能发挥其应起到的作用，过多的钛含量易形成粗大的Ti(C，N)夹杂物，对钢的韧性起到破坏作用，合适的范围是0.010％～0.040％。

Al：铝是常用脱氧剂，具有细化晶粒和提高钢的抗氧化性能作用，含量较高会降低钢的强塑性，应严格控制在：0.020％～0.050％。

N:氮在钢中是以氮化物的形式存在，氮含量过高将恶化钢的塑性和冲击韧性，而少量的氮化物能起到细化晶粒的作用，控制其含量≤0.012％。

实施例：

热轧成型：钢坯在环形炉预热段、加热段、均热段等各段的温度控制，见表1。

表1环形炉加热圆坯各段温度

钢坯在环形炉中加热到1240℃～1290℃，1150℃～1210℃通过两辊斜轧穿孔机穿成毛管，再经过5机架限动芯棒连轧机轧制成荒管，连轧温度1050℃～1160℃，然后采用14机架定减径机热定径，定径出口温度830℃～900℃，上大冷床进行风机吹风空冷，锯切，矫直，探伤。

管的加工：钢管分切，管端螺纹加工，钢管进行水压试验，接箍拧接，通径，测长称重，喷标，涂漆、入库

本发明实施例钢的化学成分见表2，加热、轧制工艺见表3，力学性能见4。

表2本发明实施例钢的化学成分(wt，％)

实施例	C	Si	Mn	P	S	Ni	Cr	Mo	Cu	Al	V	Ti	N
														1	0.38	0.26	1.45	0.015	0.005	0.03	0.03	0.03	0.07	0.024	0.01	0.024	0.0091
2	0.35	0.25	1.40	0.014	0.007	0.03	0.06	0.04	0.06	0.034	0.01	0.017	0.0078
														3	0.33	0.25	1.34	0.017	0.005	0.03	0.06	0.04	0.06	0.022	0.01	0.013	0.0085

表3本发明实施例钢的加热、轧制工艺

实施例	环形炉加热温度，℃	穿孔开轧温度，℃	连轧开轧温度，℃	定径终轧温度，℃
					1	1290	1208	1113	873
2	1270	1194	1105	851
					3	1250	1181	1087	837

表4本发明实施例钢的力学性能

由表5可见，本发明的成分设计和轧制工艺生产出的石油套管，能满足API 5CT标准SR16的补充要求。