本发明涉及超高强度耐低温结构钢制造，具体涉及一种160ksi级高强韧耐低温非标油套管的生产方法。
背景技术：
1、石油、天然气是社会发展的能源支柱，我国正处于高速发展期，能源需求增加、价格上涨带来石油、天然气勘探开采活动的增加。油井管是石油、天然气开发工程中的必要器材之一，是一种专用材料。一般来说，一口油气井成本的20％-30％为油井管的费用。在石油工业用钢总量中，油井管占比可达40％，而油套管占油井管的90％以上。可见，油套管用量巨大，市场前景广阔。
2、当前，易采浅层油气资源逐渐枯竭，促使油气井深度逐渐增加且井深增速逐年加快，油气田开采向高海拔、极地、深地与深海地区延伸日益频繁。井深增加后，井内的压力不断提高，地质环境越发恶劣，油套管受应力状态更为复杂和严酷。油气田位置偏远化，特别是极寒环境作业的油井管，除需要承受几百甚至上千个大气压的高强负荷之外，还需避免在低温环境中发生脆性断裂，服役工况及其苛刻。大井深、极低温等服役条件对油井管提出苛刻的强韧性匹配问题。
3、现有api油套管最高级别q125钢级已经不能满足要求，深井、超深井的安全运行急需160ksi级别以上的高韧性油气开采用钢。随着强度的增加，现有的强度超过q125钢级的无缝管成分或制备工艺存在各种问题，虽然已经有产品实物的屈服强度可以达到160ksi要求，这些技术方案仍然存在添加合金元素含量高、生产工艺复杂、强韧性匹配不良等缺点，难以满足低温油井的开发需求。目前俄罗斯、法国开发的低温/超低温油井管使用环境已达-60℃以下，我国尚未开展过低温和超低温环境用各种油井管材料的研发。因此，亟待开发出极地等环境油气资源开发装备用关键耐低温材料。
4、申请号为cn200910070052.5的发明文件《耐-40～-80℃低温的高强高韧性石油套管》公开的钢管强度为1034-1172mpa，韧脆转变温度在-40～-80℃，此时横向冲击功50-80j、纵向冲击功80-120j。在成分设计上，添加0.01％-0.85％的w元素、0.001％-0.005％的b元素，与本方案不添加w、b元素有显著性差异。在生产工艺上，淬火炉加热温度860-920℃、保温时间45-70min，回火炉加热温度600-650℃、保温时间60-90min，与本发明淬火炉加热温度低于860℃、保温时间低于45min，回火保温时间低于50min具有显著性差异，本发明更具有工序成本优势。
5、申请号为cn201810234656.8的发明文件《一种耐低温高强韧油套管及其制造方法》公开的钢管强度屈服强度≥965mpa，韧脆转变温度在-60～-100℃，此时横向冲击功≥100j、纵向冲击功≥120j。在成分设计上，采用低碳策略，仅添加0.08％-0.14％的c元素，与本发明添加不低于0.15％的c元素具有显著性差异。在生产工艺上，热处理时奥氏体化温度控制在900-930℃、回火保温时间50-80min，与本发明淬火炉加热温度低于860℃，回火保温时间低于50min具有显著性差异，本发明更具有工序成本优势。
6、综上，现有技术中，有的成分体系为中碳体系，其韧脆转变温度较高且在此温度下韧性较低；有的含有较高的ni元素，成本较高；有点工艺温度高，生产工序成本高。本发明通过适当提高mn含量以及严格控制cu、ni元素含量范围，采用传统的实心圆坯生产160ksi级无缝管产品克服了现有技术方案的不足。通过合理的成分设计、制备工艺优化匹配，为超高强韧无缝管领域选材提供了全新技术方案。
技术实现思路
1、本发明的目的是提供出一种160ksi级高强韧耐低温非标油套管的生产方法，生产出屈服强度不低于160ksi且低温韧性优良的超高强无缝管，该油套管具有较好的低温韧性、较低的韧脆转变温度，并且具有较高的机械强度，满足低温开采油田过程中对油套管的耐低温高强高韧性能的要求。
2、为实现上述目的，本发明采用以下技术方案实现：
3、本发明一种屈服强度不低于160ksi级别无缝管及其制造方法，包括炼钢和精炼、铸造、轧制、冷却与热处理工艺，可以满足允许用调质态供货的高强无缝管领域的选材需求，适合生产用于寒冷环境的深井、超深井用油管、油套管、管箍等无缝管产品。
4、一种160ksi级高强韧耐低温非标油套管的生产方法，工艺路径包括：钢坯冶炼和连铸、钢管轧制、调质处理，具体包括如下内容：
5、1)钢坯冶炼和连铸：铁水先经电炉冶炼，送入lf炉精炼，并喂al线，进行vd炉真空处理后连铸成圆管坯。
6、2)钢管轧制：圆管坯加热到1100～1200℃(t1)，圆管坯在炉总时长不超过4h(t1)，穿孔前温度1080～1180℃(t2)，斜轧前温度980～1100℃(t3)，张力减径前温度850～920℃(t4)。
7、3)调质处理：张力减径后，采用两次淬火加一次回火热处理；淬火介质为水或油或其它任何一种冷却强度相当的冷却介质，第一次淬火温度可以高于、等于或低于第二次淬火温度；第一次淬火时，可以采用在线淬火或离线淬火，在线淬火在张力减径之后进行；第二次淬火采用离线淬火；第一次淬火时，在线淬火温度不低于825℃(t5)，离线淬火温度为825～855℃(t6)，第一次离线淬火奥氏体保温时间为t2-1；第二次淬火时，淬火温度为825～855℃(t7)，第二次离线淬火奥氏体保温时间为t2-2；推荐两次淬火采用相同的淬火温度和保温时间。
8、单次离线淬火奥氏体化保温时间按照t×(1～2)min/mm计算，其中t为钢管壁厚，单位mm，计算时间不足15min按照15min保温。
9、完成两次淬火后再回火；回火时，回火温度为540～640℃(t8)，回火保温时间(t3)按照t×(1～3)min/mm计算，其中t为钢管壁厚，单位mm，计算时间不足15min按照15min保温，计算时间超过50min按照50min保温。
10、所述的油套管其钢中化学成分按重量百分比计为：c 0.21％～0.29％、si 0.05％～0.35％、mn 0.65％～0.95％、cr 0.65％～0.95％、mo 0.65％～0.95％、v 0.02％～0.12％、nb≤0.05％、ni 0.65％～0.95％、al≤0.05％、ti≤0.05％、n≤0.005％、p≤0.015％、s≤0.005％，余量为fe和不可避免的杂质元素。
11、本发明主要合金元素作用和范围说明如下：
12、碳c：c是钢中仅次于fe的主要元素，它直接影响钢材的强度、塑性、韧性等性能。c通过固溶强化和析出强化对提高钢的强度有明显作用，但提高c含量对钢的塑性、韧性有负面影响。为此，本发明将c含量范围设定为0.21～0.29％。
13、硅si：si是炼钢过程中重要的还原剂和脱氧剂，能溶于铁素体和奥氏体中提高钢的硬度和强度。提高si的含量，可以减少fe3c的析出倾向。si含量过高，将显著降低钢的塑性、韧性。为此，本发明将si含量范围设定为0.05～0.35％。
14、锰mn：mn能提高钢的淬透性，对钢材强度有利；能消除s(硫)的影响，改善钢的热加工性能。由于mn价格相对便宜，且能与fe无限固溶，在提高钢材强度的同时，对塑性的影响相对较小。因此，mn被广泛用于钢中的强化元素。mn含量过高，会加剧连铸坯偏析，增加钢管带状组织等级、组织均匀性变差，对钢管的塑性、低温韧性不利。为此，本发明将mn含量范围设定为0.65～0.95％。
15、铬cr：cr能增加钢的淬透性并有二次硬化的作用，可提高钢的强度、硬度和耐磨性而不使钢变脆，但会降低伸长率和断面收缩率。cr在调质结构中的主要作用是提高淬透性，使钢经淬火回火后具有较好的综合力学性能。如果cr添加过多，回火过程中，含cr碳化物在原奥氏体晶界析出并聚集长大，严重损害钢管低温韧性。本发明选取cr含量范围为0.65～0.95％。
16、钼mo：mo的作用类似，因其价格昂贵，添加量不宜过高。与cr元素相比，mo元素倾向于形成m2c碳化物，碳化物的尺寸更细小，具有更高的热稳定性。另外，添加mo元素，还能有效的促进v元素的析出，提高v的析出强化效果。本发明选取的mo含量范围为0.65～0.95％。
17、钒v：v和c、n、o有极强的亲和力，与之形成相应的稳定化合物。v在钢中主要以碳化物的形式存在，有细化组织和晶粒、提高强度和韧性、降低过热敏感性的作用。钒可以增加淬火钢的回火稳定性，并产生二次硬化效应；在调质钢中主要是提高钢的强度。本发明选取v含量范围为0.02～0.12％。
18、钛ti、氮n：ti和c、n、o都有极强的亲和力，与之形成相应的稳定化合物，是最主要的固n元素之一。含ti的析出相结合力强，稳定，不易分解，能阻止钢在高温时的晶粒长大倾向和改善钢的焊接性能。利用ti固定n和s，有利于提高钢的强度和塑性。增加ti的含量，含ti析出相会粗化对性能造成不利影响。本发明中的ti的核心作用是固定n，避免n与v结合影响v与mo的协同析出。本发明选取ti含量不高于0.05％、n含量不高于0.005％。
19、铌nb：nb是最主要的微合金化元素之一，部分溶入固溶体，起固溶强化作用；以碳化物、氮化物和氧化物微粒形式存在时，能增加钢的回火稳定性，有二次硬化作用。微量nb可以在不影响钢的塑性或韧性的情况下提高钢的强度。由于有细化晶粒的作用，能提高钢的冲击韧性并降低其脆性转变温度。在轧制过程中，固溶nb显著提高钢材的再结晶温度，可以使钢的轧制过程在更高的温度范围内完成，从而降低钢管的内应力。本发明选取nb含量不高于0.05％。
20、镍ni：ni具有稳定奥氏体，提高淬透性的作用。钢中添加一定量的ni可以提高强度、韧性、耐腐蚀性，降低韧脆转变温度。含ni钢一般不易过热，所以它可阻止高温时晶粒的增长，仍可保持细晶粒组织。但考虑到成本因素，本发明选取ni含量范围0.65～0.95％。
21、铝al：al作为脱氧剂或合金化元素加入钢中，铝脱氧能力比硅、锰强得多。铝在钢中的主要作用是细化晶粒、固定钢中的氮，从而显著提高钢的冲击韧性，降低冷脆倾向和时效倾向性；铝还可提高钢的抗腐蚀性能，特别是与钼、铜、硅、铬等元素配合使用时，效果更好；铝的缺点是影响钢的热加工性能、焊接性能和切削加工性能。本发明选取al含量范围不高于0.05％。
22、磷p：p是由矿石带入钢中的，和s类似是有害元素之一。p虽能使钢材的强度、硬度增高，但引起塑性、冲击韧性显著降低。特别是在低温时，它使钢材显著变脆，含p愈高，冷脆性愈大。脱p至较低水平，会显著增加炼钢成本。本发明选取p含量范围不高于0.015％。
23、硫s：s来源于炼钢的矿石与燃料焦炭，是钢中最常见的有害元素之一，对钢的延展性、韧性、焊接性、耐腐蚀性不利。若s以fes形态存在于钢中还可在热加工使产生“热脆”。本发明选取s含量范围不高于0.005％。
24、本发明主要制造工艺参数控制范围原因如下：
25、本发明采用了cr、mo、v、nb、ti等元素的复合析出强化，控制连铸圆管坯加热温度在1100～1200℃之间，在炉总时长不超过4h，保证合金元素的析出相充分回溶到奥氏体中，在后续过程中充分发挥抑制再结晶、固溶强化、析出强化、细化晶粒等有利效果，为获得最终的组织结构做好成分与温度准备。低于所选温度和时间范围，固溶将不充分，影响最终的钢管强度；高于所选定的时间和温度范围，则连铸坯原始奥氏体晶粒易过于粗大，不利于钢管韧性的控制。
26、钢管轧后可以选择直接在线淬火也可以选择离线再加热后淬火。适当控制生产工艺，可以保证减径后管子温度符合淬火需求，容易实现直接在线淬火，节省能源降低生产成本、减少再加热工序提升了生产效率，经济效益显著。
27、钢管加速冷却完成后，进行回火热处理，回火保温温度高于640℃，钢管强度降低明显，对钢管的最终强韧性匹配不利；而低于540℃，淬火组织回火不充分，低温韧性偏低。回火保温时间过长超过50min，强度变差；而回火保温时间过短，低于15min，韧性不足。合适的回火温度、回火保温时间以及关键合金元素mo、v、ti含量的控制，确保有益析出相充分析出且尺寸细小，90％以上的析出相尺寸不超过20nm。从而到达了在较宽调质工艺窗口下，强韧性匹配良好且具有较好的性能稳定特征。
28、所述油套管屈服强度rt0.7≥1100mpa，抗拉强度rm≥1200mpa，延伸率a≥15％，-60℃横向、纵向夏比冲击akv分别不低于150j、180j。
29、与现有的技术相比，本发明的有益效果是：
30、1)钢管轧制过程无需特殊控制轧制温度与变形量，只要保证张力减径前满足淬火温度即可，高温轧制与直接在线淬火相配合，可无需二次加热，节省能源，提高了生产效率；采用离线淬火工艺，钢管经历了重新奥氏体化，能进一步提升强韧化匹配效果。
31、2)采用两次淬火有助于获得细小的奥氏体晶粒，将热轧后空冷获得的粗大珠光体组织对韧性的不利效果彻底消除；采用两次回火且保证总回火时间不变，可以促进析出相数量增加，抑制已析出的析出相长大。
32、3)采用mo而非n元素促进v元素的有效析出。与v(c，n)相比，(mo，v)c具有更高的热稳定性和更接近球形的形态，可实现更宽的热处理工艺参数范围内更稳定的强韧性匹配效果。
33、4)本发明所制钢管屈服强度rt0.7≥1100mpa，抗拉强度rm≥1200mpa，延伸率a≥15％，-60℃横向、纵向夏比冲击akv分别不低于150j、180j。
1.一种160ksi级高强韧耐低温非标油套管的生产方法，工艺路径包括：钢坯冶炼和连铸、钢管轧制、调质处理，其特征在于，所述的调质处理工序包括如下内容：
2.根据权利要求1所述的一种160ksi级高强韧耐低温非标油套管的生产方法，其特征在于，所述的钢坯冶炼和连铸工序包括：铁水先经电炉冶炼，送入lf炉精炼，并喂al线，进行vd炉真空处理后连铸成圆管坯。
3.根据权利要求1所述的一种160ksi级高强韧耐低温非标油套管的生产方法，其特征在于，所述的钢管轧制工序中：圆管坯加热到1100～1200℃，圆管坯在炉总时长不超过4h，穿孔前温度1080～1180℃，斜轧前温度980～1100℃，张力减径前温度850～920℃。
4.根据权利要求1所述的一种160ksi级高强韧耐低温非标油套管的生产方法，其特征在于，所述的淬火工艺中，单次离线淬火奥氏体化保温时间按照：t×(1～2)min/mm计算，其中：t为钢管壁厚，单位mm；计算时间不足15min按照15min保温。
5.根据权利要求1所述的一种160ksi级高强韧耐低温非标油套管的生产方法，其特征在于，回火保温时间按照：t×(1～3)min/mm计算，其中t为钢管壁厚，单位mm；计算时间不足15min按照15min保温，计算时间超过50min按照50min保温。
6.一种采用如权利要求1-5其中任意一项所述的160ksi级高强韧耐低温非标油套管的生产方法所制备的油套管，其特征在于，所述油套管其钢中化学成分按重量百分比计为：c0.21％～0.29％、si 0.05％～0.35％、mn 0.65％～0.95％、cr 0.65％～0.95％、mo0.65％～0.95％、v 0.02％～0.12％、nb≤0.05％、ni 0.65％～0.95％、al≤0.05％、ti≤0.05％、n≤0.005％、p≤0.015％、s≤0.005％，余量为fe和不可避免的杂质元素。
7.根据权利要求6所述的一种采用160ksi级高强韧耐低温非标油套管的生产方法所制备的油套管，其特征在于，所述油套管屈服强度rt0.7≥1100mpa，抗拉强度rm≥1200mpa，延伸率a≥15％，-60℃横向、纵向夏比冲击akv分别不低于150j、180j。
