[发明专利]一种高强高韧N80Q石油套管及其制造方法

说明书

技术领域：

本发明涉及一种石油套管，具体涉及一种高强高韧N80Q石油套管及其制造方法。

背景技术：

目前，油气资源的开采对套管强度的要求显著提高，但材料的韧性也逐步下降，并且材料对表面缺陷的敏感程度会进一步地增大。大量失效分析发现：组织韧性较差和冲击韧性过低等是造成石油套管断裂的主要因素之一。同时，研究也表明：钢的强度和韧性、塑性通常表现为互为消长的关系，而细化晶粒是唯一可提高强度和韧性的手段。

石油套管生产工艺主要有无缝轧制钢管和直缝电阻焊钢管两种。无缝套管因采用穿孔成型，管坯的轧制变形量较小，而直缝焊管采用热轧卷板作原料，该原料的原始厚铸坯经过控扎控冷工艺(TMCP)，在大的轧制变形量和控制冷却下，微观组织得到有效控制，晶粒细化效果远优于无缝管坯，因此管材强韧性也优于无缝管。同时，无缝管为了提高强度，一般加入较高的碳，但是带来的问题是韧性损失。N80钢级以上高强度直缝电阻焊套管在生产中，为了提高强度，一般需要采用离线调质处理，主要带来两方面问题：一是高温和较长时间保温容易使管坯组织粗化，使得原始卷板晶粒细小优势不能得到发挥；二是管坯在电阻炉或燃气炉进行900℃以上长时间高温加热，造成能源大量浪费，环境污染，制造成本增加等。

2013年6月12日公布的公布号为CN 103147009 A的中国发明专利，该专利公开了一种N80Q钢级石油套管及其制造方法，涉及一种经济型高强韧N80Q钢级套管及其制造方法，其钢成分设计中降低了Cr、Ti等元素含量，但未使用Mo、Nb等元素，热处理工艺仍然采用淬火+回火这种传统的热处理方式，其成本降低有限，限制了套管性能提升，因而该套管的强度偏API标准要求的下限，同时其韧性的增幅也有限。

2015年2月18日公布的公布号为CN 104357756 A的中国发明专利，该专利公开了一种抗硫化氢应力腐蚀直缝焊接石油套管及其制造方法，涉及一种在硫化氢环境下使用的高频电阻石油套管用钢，化学成分采用了Nb、V、Mo等微合金化，该专利在制造方法中虽采用热张力减径余热后在线管材控制冷却，但是管材晶粒度≥9，焊缝横向冲击功≥108J，说明在高温热轧过程中未充分发挥出热张减工艺下微合金元素细化作用，而且还有提升管材性能和降低成本的空间。

发明内容：

为了克服上述缺点，本发明目的在于提供一种高强高韧N80Q石油套管及其制造方法，本发明的石油套管的屈服强度为650～758MPa，抗拉强度为≥740MPa，延伸率≥25％，横向冲击功≥150J，纵向冲击功≥180J，组织晶粒尺寸≤5μm，产品强韧性匹配高、晶粒细小，简化了生产工序，提高了生产效率，降低了能耗和成本。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种高强高韧N80Q石油套管，其化学成分的重量百分配比为C：0.08～0.22％；Si：0.15～0.30％；Mn：0.8～1.5％；P：≤0.010％；S：≤0.005％；Cr：0.5～1.0％；Mo：0.10～0.30％；Al：0.005～0.01％；Nb：0.03～0.15％；Ti：0.02～0.1％；Ca：0.001～0.003％；B：0.001～0.005％；RE：0.0002～0.001％；余量为Fe和不可避免的杂质。

上述石油套管的屈服强度为650～758MPa，抗拉强度为≥740MPa，延伸率≥25％，横向冲击功≥150J，纵向冲击功≥180J。

上述石油套管的组织晶粒尺寸≤5μm。

本发明合金成分的选取说明：

C：碳是主要固溶强化元素，可与多种合金形成强化相，可提高钢的强度；但当含量提高时恶化卷板的焊接性能，应严格限制碳含量。因本发明采用热轧卷板要充分考虑焊接性能和焊缝质量，同时也要有利于后续热处理工艺。为实现本发明的目的将C含量控制在0.08％～0.22％。

Si：硅主要起脱氧作用，含量多时对韧性和抗腐蚀性能不利，故含量越低越好，将其限定在0.15～0.30％。

Mn：锰可显著提高钢的淬透性，提高钢的强度。但当含量多时容易形成带状组织，降低钢的韧性性能。为达到发明的目的，设计范围为0.8～1.5％。

P、S：硫、磷含量越低对钢的焊接性能、腐蚀和韧性越有利，因此，限定P：≤0.010，S：≤0.005，以保证钢的焊缝质量和韧性性能指标。

Cr：铬提高淬透性，改善钢的强韧性。但含量多时容易在未加保护气体HFW焊接中产生夹杂物、灰斑等缺陷，显著降低焊缝性能。因此控制铬含量在0.5％～1.0％之间。