莱钢j55石油套管钢的生产实践

第31卷第1期2009年2月山东冶金ShandongMetallurgyVol.31，No.1February2009莱钢J55石油套管钢的生产实践陈爱娇，周平，霍孝新，亓伟伟（莱芜钢铁集团有限公司技术研发中心，山东莱芜271104）􀥘􀥘􀥘􀥘􀥘􀥘􀥘􀥘􀥘􀧘􀥘􀧘􀥘􀥘􀥘􀥘􀥘􀥘􀥘􀥘􀥘􀧘􀥘􀧘生产技术生产技术摘要：介绍了莱钢开发J55石油套管用钢的过程。通过铌、钛复合微合金化的成分设计与合理的生产工艺制定，开发了具有高强度、高韧性和良好焊接性能的石油套管用钢产品，产品具有成分均匀、氧含量低、晶粒细小的特点，较好地满足了用户的使用要求。关键词：J55；石油套管用钢；复合微合金化；强度；冲击韧性中中图分类号号：TG335.5+5文献标识码：A文章编号：1004-4620（2009）01-0025-0321前言石油专用管材（简称油井管）主要有套管、油管以及各种钻探工具等。套管按作用分为导管、表层套管、技术套管和油层套管。国际常用美国APISPEC5CT标准对套管生产和使用都有严格的要求。长期以来国内套管采用无缝钢管，国外在20世纪60年代开始用热轧板卷制造直缝电阻（ERW）套管替代无缝管，我国从1986年开始从国外进口ERW套管。ERW套管具有尺寸精度高、抗挤压性能强、韧性高、射孔不开裂的优点，而且价格便宜。宝钢与宝鸡石油钢管厂于1991年开始联合开发J55ERW套管。目前J55石油套管的生产国内仍存在无缝管和焊管两种成型方式，各大钢厂多数具备生产石油套管用钢的能力，但焊管用户反映，除宝钢外其他钢厂产品质量波动大，还存在一些问题。莱钢自2006年8月到2007年1月共生产J55石油套管用钢产品近6000t，包含了（5.0～8.0）mm×（1055～1310）mm多种规格。产品经用户加工成ERW套管，出口美国。2主要技术指标为满足J55石油套管性能要求，依据美国石油协会APISPEC5CT标准，结合莱钢以往的生产经验，进行了J55石油套管用钢的研制与开发。力学性能要求如下：试样方向为纵向；屈服强度450～550MPa；抗拉强度≥530MPa；断后伸长率（L0=50mm，b=25.4mm）≥21%；－10℃V型冲击试验试样尺寸10mm×10mm×55mm，冲击功≥30J。与生产普通钢种相比，J55石油套管用钢由于焊接成品管要经静水压实验、压扁实验、沟腐蚀实验，在油田使用过程中还要经射孔、高强度挤压的考验。因此，J55石油套管用钢要求：钢质纯净，夹杂物少；有良好的冲击韧性；力学工艺性能稳定，强度要求高，硬度要达到一定要求；有良好的成型性能和焊接性能。同时该钢种生产对磷、硫含量，碳当量要求十分严格，以满足焊接性能和抗腐蚀性能的要求。3生产试制工艺莱钢J55石油套管用钢的生产工艺流程为：铁水预处理—120t顶底复吹转炉—LF精炼—板坯连铸—合格连铸坯准备—加热—高压水除鳞—（E1、四辊R1）可逆粗轧3～5道次—热卷箱—开卷—飞剪切头尾—E2前高压水除鳞—（E2、F1～F6）1500mm精轧机组—层流冷却—卷取—卸卷、打捆。3.1炼钢工艺1）硫含量的控制。J55石油套管用钢焊接后要求焊管性能可与无缝管相媲美，因此，J55热轧板卷对焊接性能的要求严格，从而对硫含量的要求非常苛刻，而且J55石油套管工作环境恶劣，在油田使用过程中要具备优良的耐腐蚀性能，用户要求钢中硫含量不大于0.010%。实际生产中铁水预脱硫采用喷吹钝化镁粒方式，通过增大喷枪插入深度、控制镁粒喷吹速度等方法提高脱硫率。脱硫完毕扒净铁水表面的渣。冶炼J55石油套管用钢入炉铁水硫含量≤0.010%，出钢前在钢包底加入合成渣，LF精炼造黄白渣进一步脱硫，以确保终点硫含量合格。2）转炉控制。转炉冶炼终点提高一次拉碳命中率，减少补吹次数，控制钢水氧化性，避免终点钢水氧活度过高，并严格控制出钢下渣量，钢包中渣厚控制≤80mm。采用高碳锰铁、硅锰、铌铁进行合金化，铝锰钛脱氧剂脱氧。控制终点炉渣碱度在3.5以上，当钢水出至1/5时，加入铝锰钛合金、高碳锰收稿日期：2008-06-03作者简介：陈爱娇，女，1980年生，2005年毕业于东北大学冶金工程专业。现为莱钢技术研发中心助理工程师，从事板带钢新产品研发工作。25山东冶金2009年2月第31卷铁、硅锰、铌铁。控制出钢时间3～5min，避免温度降低太大。出钢过程充分脱氧，从而为精炼造黄白渣、去除夹杂创造良好的条件。3）精炼控制。根据钢水成分喂入一定量钛线保证钢水中Ti含量达标。控制渣厚在60mm左右，出站温度不高于1610℃。为了保证钢水有良好的浇铸性能，出站前向钢水中喂入Si-Ca线进行钙化处理，以改变铝氧化物夹杂的形态。喂硅钙线后，进行一段时间的搅拌和镇静，促进夹杂物的上浮，均匀钢水成分和温度，保证钢水质量。4）连铸控制。连铸过程大包至中间包采用长水口及吹氩保护浇铸。为避免混浇，需要异钢种热换中间包。中间包加炭化稻壳、加盖保护，隔绝钢水与空气，避免二次氧化。中间包至结晶器采用浸入式水口并吹氩保护浇铸。在浇铸过程中控制稳定拉速在1.15m/min左右，避免拉速大波动，减少铸坯中的夹杂。采用较低过热度浇注，促使钢液尽快凝固，适当提高二冷段的冷却速度，以减轻中心偏析及带状组织的形成。试制过程中，连续浇注炉次要求过热度不高于30℃。3.2轧制工艺1）加热制度。由于本钢种易产生铸坯中心偏析，导致成品带状组织严重，为消除这种影响，要求在加热时能够完全或部分消除中心偏析，应尽可能提高加热温度，延长铸坯在炉时间，特别是高温区停留时间；但加热温度高、在炉时间长时，晶粒容易长大，导致成品晶粒粗大，性能不合。因此，需要确定合理的加热制度。试制过程中，确定加热时间在130～180min，加热温度在1220～1250℃。2）轧制制度。在奥氏体再结晶温度区间进行粗轧，根据成品厚度变化，适当改变粗轧道次，加大道次压缩量，消除或减轻带状组织。同时适当增加中间坯厚度（30～32mm），增加精轧段压缩比来达到细化晶粒的目的；使用热卷箱对中间坯进行保温和均热，以减少中间坯头尾的温度差，使成品长度方向的力学性能保持在较小的波动范围内。考虑到后续提高冷却速度能够减轻甚至消除带状组织，可以适当提高终轧温度。通过开闭机架间水、交叉水和调节轧制速度等方法，控制精轧末机架出口温度在890℃左右。3）冷却制度。由于本钢种要求强度较高，同时为消除带状组织，适宜采用较低的卷取温度。有资料显示，在轧后的相转变过程中，快速冷却抑制碳氮化物在奥氏体中析出，促使其在轧后卷取时析出，有助于细小沉淀相在铁素体中析出，从而起到细晶强化及沉淀强化作用，使铁素体晶粒最终细化，也可避免出现带状珠光体组织［1］。但卷取温度也不能过低，避免产生贝氏体。考虑各方面影响，卷取温度设定为600～640℃，为了方便卷取，可适当提高头部温度，但头部不冷长度应严格控制在5m以内。4工业试验与结果分析4.1化学成分统计了试制过程中所有炉次的钢水化学成分，见表1。试制过程中J55石油套管钢化学成分合格率为100%，P、S含量控制较低，确保了钢水的纯净度。所有炉次碳当量均满足用户要求（Ceq≤0.40）。项目实际值平均值标准C0.15～0.200.16≤0.20Si0.20～0.290.23≤0.30Mn1.10～1.251.168≤1.45P0.011～0.0210.0155≤0.025S0.002～0.0100.0053≤0.010Nb0.021～0.0290.0248≥0.005V≥0.005Ti0.015～0.0330.026≥0.005Alt0.021～0.0660.0369Ceq0.337～0.3940.363≤0.40表1J55石油套管用钢化学成分注：标准为美国石油协会APISPEC5CT标准，在Nb、V、Ti3种元素中，添加其中1种或添加它们的任一组合；Ceq按下式计算：Ceq=C+Mn/6+（Cr+Mo+V）/5+（Ni+Cu）/15。4.2力学与工艺性能统计了试制过程中J55石油套管钢的力学性能，结果见表2。由表2可以看出，屈服强度、抗拉强度和伸长率的波动均较小。不同规格在-10℃的V型冲击功均满足用户要求。4.3显微组织J55钢基体组织为F+P，晶粒度控制在10级以上，带状组织在2.5级以下（见图1）。金相组织中出现了少量下贝氏体，主要是冷却速度过快造成的。4.4成品气体含量检测钢中氧含量过高，氧化物夹杂增多，不仅影响钢的韧性，而且硬性的氧化物在外应力作用下，特别是在周期性外应力作用下易出现疲劳裂纹，表层下的夹杂物周围产生的疲劳裂纹，降低钢的使用寿命。钢中N含量过高也影响钢的疲劳寿命、强度、韧性和塑性。J55石油套管用钢对气体含量要求较高，莱钢生产石油套管用热轧卷板气体控制情况较好，氮、氧含量较低，抽检情况见表3。表2J55石油套管用钢力学与工艺性能项目最大最小平均屈服强度/MPa485420460抗拉强度/MPa620535580伸长率/%41.529.535.6冲击功/J823853903454923656冷弯合格26表3J55石油套管用钢抽检气体含量×10－6炉号H063-5423H062-5598H061-7233H063-7002H062-7224O15.3213.3812.9018.3516.44N44.9345.2944.8545.6743.214.5拉伸断口利用SEM扫描电镜观察冲击断口形貌见图2。冲击断口为韧性断裂，表明钢材韧性比较好。5用户使用情况莱钢生产的J55热轧卷板在ERW机组进行制管，制管工艺流程为：带卷→开卷→对焊→充活套→成型→焊接→清内外毛刺→中频正火→空冷→水冷→定径→切断→目视检验→平头→水压→涡流探伤→剩磁检验→超声波探伤→通径检验→涂黑漆→喷标→上塑料套→包装→计量→入库。据用户反映，产品力学性能、表面质量较好，顺利地通过了水压、超声波探伤等管体检验，能够较好地满足使用要求。6结论莱钢J55石油套管用钢成分设计及生产工艺合理可行，产品强度高，冲击韧性好，焊接性能优良，板形好，满足用户使用要求，具备了批量生产的能力。J55石油套管钢的开发成功，扩大了莱钢1500mm宽带生产线的品种，增强了企业市场竞争力。参考文献：［1］万兰凤，冷祥贵.铌钛微合金化汽车大梁钢BM510L的开发[J].梅山科技，2005（1）：27-32.图1厚度6.8mm钢带金相组织图2J55冲击断口形貌ProductionPracticeofJ55OilCasingSteelinLaiwuSteelCHENAi-jiao,ZHOUPing,HUOXiao-xin,QIWei-wei（TheTechnologyResearchandDevelopmentCenterofLaiwuIronandSteelGroupCorporation,Laiwu271104,China）Abstract:Abstract:ThispaperintroducedtheprocessesofdevelopingJ55oilcasingsteelinLaiwuSteel.Throughtheniobiumandtitaniummicro-alloyedcomponentdesignandreasonableproductionprocess,theproductsforoilcasingsteelweredevelopedthathavehighstrengthandtoughness,goodweldingperformance.Testsshowedthattheproductshadthecharacteristicsofuniformcomposition,lowoxygencontentandtinygrainsize,andsatisfieduseneedsofconsumers.Keywords:Keywords:J55;steelforoilcasing;compositemicro-alloying;strength;impacttoughness100μm5结