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CN105385948B - 自升钻井平台用屈服强度大于690MPa无缝管的制造方法 - Google Patents

自升钻井平台用屈服强度大于690MPa无缝管的制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供自升钻井平台屈服强度大于690MPa无缝管的制造方法，无缝管厚壁为25～65mm，包括步骤有配料；工艺为配料后，经电炉或转炉炼钢，LF精炼，VD真空除气，连铸，环形炉加热，穿孔，连轧，定径，精整，调质热处理，探伤，水压，入库。其中VD高真空时间不少于10分钟，之后Ca处理，氩气弱搅拌不少于3分钟，连铸过程末端电磁搅拌；环形炉加热温度控制为1250～1290℃，终轧温度控制为850～950℃，淬火+回火的调质，淬火温度为900～960℃，回火温度为600～700℃。有益效果是最大限度地提高了自升式钻井平台用管的机械性能，无缝管屈服强度大于690MPa，抗拉强度大于760MPa，‑40℃纵向10×10×55mm冲击功大于100J，600℃时高温拉伸屈服强度≥414MPa。

Description

自升钻井平台用屈服强度大于690MPa无缝管的制造方法
技术领域
本发明属于冶金工业的无缝钢管制造技术，涉及一种自升钻井平台用屈服强度大于690MPa无缝管的制造方法。
背景技术
在我国近海大陆架水深300米以内的区域蕴藏了丰富的油气资源。近海油气勘探开发起步于作业水深在40米以内的渤海湾，目前正逐步向水深加大的黄海、东海和南海大陆架发展，急需开发、建造和规模应用作业水深在76～183米(250～600英尺)、定位能力强和作业稳定性好的移动式大型自升式钻井平台，这是实现我国海洋油气资源规模开发和利用的重要举措，是关系到我国能源工业中长期持续稳定发展的重大基础工程。
桩腿是自升式钻井平台的关键装备，由弦管、齿条和支撑管三部分组成，其作用是升降和支撑整个平台进行钻井作业。其中，弦管与齿条焊装成起降机构的垂直承力部件。支撑管一般采用无缝钢管，与弦管组焊成“X”型或“K”型管节点，形成桁架式高强承力结构，其主要作用是在平台进行插桩、预压和升降作业时，利用支撑管产生的轴向力，平衡因平台倾斜、桩腿偏心和其它环境载荷而在桩腿横截面上产生的巨大弯矩。随着对工作水深、可变载荷、钻井能力和操作性能等重要指标要求的大幅度提高，新一代大型自升式平台已采用了高强度和高刚度重量比、低水阻力的桩腿设计。支撑管作为关键承力部件，在结构上采用了较大壁厚和小管径壁厚比截面，在选材上采用了X80Q以上钢级无缝管，以确保承载能力、减轻平台自重、减小移动阻力。另外，考虑到在极其恶劣的海洋环境，如海洋风暴、可变载荷、海水腐蚀、意外撞击和火灾等条件下平台的安全可靠性，对支撑管材料的-40℃低温韧性、焊接性能、疲劳性能、抗氢脆性能、动态拉伸性能、高温强度等诸多力学特性和使用性能，都提出了极高的要求。
这种具有优异综合力学性能和良好焊接性能的无缝结构管，作为大型海洋平台结构的关键材料，是结构管中公认的技术难度大、要求高的产品之一。冶金技术的进步和发展，使生产具有高强度、高韧性、良好焊接性钢管成为现实。
发明内容
为解决上述技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种自升钻井平台用屈服强度大于690MPa无缝管的制造方法，满足市场对厚壁690MPa钢级无缝钢管的需要。通过该方法制造的无缝结构管的屈服强度大于690MPa，抗拉强度大于760MPa，-40℃纵向10×10×55mm冲击功大于100J，600℃时高温拉伸屈服强度≥414MPa，即60％名义屈服强度(690MPa)。
为实现上述目的，本发明的技术解决方案是提供一种自升钻井平台用屈服强度大于690MPa无缝管的制造方法，所述无缝管厚壁为25～65mm，该方法包括以下步骤：
1)配料
所述无缝管钢种的按重量％比成分为：C：0.10～0.16％，Si：0.20～0.40％，Mn：1.00～1.40％，P≤0.010％，S≤0.004％，Mo：0.40～0.70％，Al：0.020～0.060％，Nb：0.01～0.05％，V：0.04～0.10％，Ni：0.70～1.50％，Cr：0.70～1.50％，W：0.10～0.70％，Cu：≤0.20％，Ti：≤0.020％，Ca：0.0015～0.0060％，B：≤0.0005％，N：≤0.012％，其余为铁，杂质元素微量。
2)工艺：按步骤1配料后，经电炉或转炉炼钢，LF精炼，VD真空除气，连铸，环形炉加热，穿孔，连轧，定径，精整，调质热处理，探伤，水压，入库。其中：VD高真空时间不少于10分钟，真空除气后Ca处理，氩气弱搅拌时间不少于3分钟，连铸过程使用末端电磁搅拌；环形炉加热温度控制为1250～1290℃，终轧温度控制为850～950℃，采用淬火+回火的调质热处理方式，淬火温度为900～960℃，回火温度为600～700℃。
本发明的效果具体表现在：1)适用于生产25～65mm厚壁自升式钻井平台用无缝结构管；2)炼钢、轧制和热处理工艺制定的合理，最大限度地提高了自升式钻井平台用管的机械性能，所生产的无缝结构管屈服强度大于690MPa，抗拉强度大于760MPa，-40℃纵向10×10×55mm冲击功大于100J；3)优异的高温性能，600℃时高温拉伸屈服强度≥414MPa，即60％名义屈服强度(690MPa)。
附图说明
图1为本发明的Φ406.4×65mm自升式钻井平台用屈服强度大于690MPa无缝结构管中心500X金相照片。
具体实施方式
结合附图对本发明的自升钻井平台用屈服强度大于690MPa无缝管的制造方法加以说明。
本发明的自升钻井平台用屈服强度大于690MPa无缝管的制造方法，所述无缝管厚壁为25～65mm，该方法的配料：
所述无缝管钢种的按重量％比成分为：C：0.10～0.16％，Si：0.20～0.40％，Mn：1.00～1.40％，P≤0.010％，S≤0.004％，Mo：0.40～0.70％，Al：0.020～0.060％，Nb：0.01～0.05％，V：0.04～0.10％，Ni：0.70～1.50％，Cr：0.70～1.50％，W：0.10～0.70％，Cu：≤0.20％，Ti：≤0.020％，Ca：0.0015～0.0060％，B：≤0.0005％，N：≤0.012％，其余为铁，杂质元素微量。
对主要组成成分选取理由如下：
碳：钢中最经济、最基本的强化元素，通过固溶强化和析出强化的作用对提高钢的强度有明显的作用，具有成本低、调控敏感性好的优点。良好的焊接性能是自升式钻井平台用桩腿管所必需具备的性能，碳低则相应的焊接性能良好。
锰：作为脱氧材料在炼钢上所必需的元素，通过固溶强化、细晶强化和相变强化对管线屈服强度和抗拉强度的综合效果十分明显。锰在提高强度的同时还可以提高钢的韧性，降低钢的韧脆转变温度。
钒：具有较高的析出强化作用和晶粒细化作用，通过铁素体沉淀硬化和细化铁素体晶粒的提高屈服和抗拉强度。在铌、钒微合金元素复合使用时，钒是同通过铁素体中以VC析出强化来提高钢的强度。
铌：是加入的微合金化元素，通过细晶强化和沉淀强化可以提高强度，同时可改善钢的低温冲击韧性。铌降低钢的热塑性从而增加了含铌钢铸坯的热裂倾向。
镍：本设计钢种的主要合金元素，为主要奥氏体形成元素并改善钢的耐蚀性能，细化铁素体晶粒，提高钢的塑性和韧性，特别是低温韧性，与铬、钼等联合使用，提高钢的热强性和耐蚀性。
铬：本设计钢种的主要合金元素，铬能增加钢的淬透性并有二次硬化作用，使钢经淬火回火后具有较好的综合力学性能，显著提高钢的脆性转变温度，在渗碳钢中还可以形成含铬的碳化物，从而提高材料表面的耐磨性。
钼：本设计钢种的主要合金元素，扩大奥氏体相区，推迟奥氏体向铁素体相变时析出铁素体形成，促进贝氏体的形成的主要元素，对控制相变组织起到重要作用，在向钢中加入适量的钼后，即使在较慢的冷却速度下也可以获得明显的贝氏体组织，同时由于相变向低温方向转变，可以使得组织进一步细化。
钨：本设计钢种的主要合金元素，能提高钢的强度、硬度、耐蚀性和高温强度。
铝：是脱氧剂，其含量低于0.005％时不能达到这种效果，但含量过高时，易导致夹杂物增多，产生发纹，降低韧性和加工性能。
该方法工艺：
VD高真空时间不少于10分钟，此外，为了控制钢种的夹杂物，还进行了钙处理，氩气弱搅拌时间不少于3分钟，连铸过程使用末端电磁搅拌，为了提高钢的抗腐蚀性能和低温韧性，控制P≤0.010％，S≤0.004％，五害元素之和要求小于200ppm，成品氮小于120ppm，成品氧小于30ppm，成品氢小于2ppm。
本发明的自升钻井平台用屈服强度大于690MPa无缝管的制造方法，步骤为：按照所述无缝管钢种配料炼钢→LF精炼→VD真空除气→连铸→环形炉加热→穿孔→连轧→定径→锯切→矫直→探伤→调质热处理→UT探伤→水压→喷标→入库。主要的技术参数如下：
①配料冶炼、连铸
按上述钢种组成元素重量成分为：C：0.10～0.16％，Si：0.20～0.40％，Mn：1.00～1.40％，P≤0.010％，S≤0.004％，Mo：0.40～0.70％，Al：0.020～0.060％，Nb：0.01～0.05％，V：0.04～0.10％，Ni：0.70～1.50％，Cr：0.70～1.50％，W：0.10～0.70％，Cu：≤0.20％，Ti：≤0.020％，Ca：0.0015～0.0060％，B：≤0.0005％，N：≤0.012％，其余为铁，杂质元素微量。LF精炼完后的钢水经过VD真空除气，喂入Ca丝进行钙处理，温度合适后上连铸平台进行连铸，连铸过程使用末端电磁搅拌。
②轧制
检验合格后的定尺连铸坯在环形加热炉内加热，加热炉炉温控制为1250～1290℃，穿孔温度控制为1200～1250℃，连轧温度控制为1050～1100℃，终轧温度控制为850～950℃，冷却，锯切，矫直，探伤。
③管加工
采用调质热处理工艺，淬火温度为900℃～960℃，淬火介质为水，回火温度在600～700℃，采用空冷，确保500℃以上进行热矫直，UT探伤。
所述自升式钻井平台用屈服强度大于690MPa厚壁(25～65mm)耐高温无缝结构管的力学性能达到的指标如下：
屈服强度 690MPa
抗拉强度 760MPa
屈强比 ≤0.97
断后延伸率 ≥18％
-40℃纵向全尺寸夏比V型冲击韧性 冲击功≥100J
晶粒度 ≥8级
实施例1：以Φ298.5×25mm自升式钻井平台用屈服强度大于690MPa无缝管为例：
1.1、配料冶炼、连铸
按上述钢种组成元素重量成分为：C：0.10～0.13％，Si：0.20～0.35％，Mn：1.00～1.15％，P≤0.010％，S≤0.004％，Mo：0.40～0.50％，Al：0.020～0.060％，Nb：0.01～0.03％，V：0.04～0.07％，Ni：0.70～0.80％，Cr：0.70～0.80％，W：0.20～0.40％，Cu：≤0.20％，Ti：≤0.020％，Ca：0.0015～0.0060％，B：≤0.0005％，N：≤0.012％，其余为铁，杂质元素微量。
LF精炼完后的钢水经过VD真空除气，喂入Ca丝进行钙处理，温度合适后上连铸平台进行连铸，连铸过程使用末端电磁搅拌，连铸坯直径Φ310mm。实际控制合金成分如下表(％)：
C Si Mn P S Ni Cr
0.11 0.28 1.14 0.008 0.002 0.75 0.76
Mo Cu Al V Nb W N
0.43 0.11 0.045 0.05 0.02 0.28 0.0073
1.2、轧制
检验合格后的定尺连铸坯在环形加热炉内加热，加热炉炉温为1260℃，穿孔温度为1210℃，连轧温度为1050℃，终轧温度为900℃，然后冷床冷却，锯切，矫直，探伤。
1.3、管加工
采用调质热处理工艺，淬火温度为930℃，淬火介质为水，回火温度在680℃，采用空冷，热矫直温度为510℃，UT探伤，最终产品性能测试结果如下：
(1)拉伸
试样号 温度(℃) 取向 Rp0.2(MPa) Rm(MPa) Rp0.2/Rm A％
1 22 纵向 775 865 0.90 23
2 22 纵向 755 830 0.91 22
(2)冲击
(3)晶粒度
晶粒度为9.5级。
实施例2：以Φ406.4×65mm自升式钻井平台用屈服强度大于690MPa无缝管为例：
2.1、配料冶炼、连铸
按上述钢种组成元素重量成分为：C：0.12～0.15％，Si：0.25～0.40％，Mn：1.20～1.40％，P≤0.010％，S≤0.004％，Mo：0.50～0.70％，Al：0.020～0.060％，Nb：0.03～0.05％，V：0.06～0.10％，Ni：1.20～1.40％，Cr：1.00～1.20％，W：0.30～0.50％，Cu：≤0.20％，Ti：≤0.020％，Ca：0.0015～0.0060％，B：≤0.0005％，N：≤0.012％，其余为铁，杂质元素微量。
LF精炼完后的钢水经过VD真空除气，喂入Ca丝进行钙处理，温度合适后上连铸平台进行连铸，连铸过程使用末端电磁搅拌，连铸坯直径Φ400mm。实际控制合金成分如下表(％)：
C Si Mn P S Ni Cr
0.13 0.31 1.26 0.008 0.003 1.27 1.12
Mo Cu Al V Nb W N
0.58 0.11 0.022 0.07 0.04 0.42 0.0083
2.2、轧制
检验合格后的定尺连铸坯在环形加热炉内加热，加热炉炉温为1280℃，穿孔温度为1230℃，连轧温度为1070℃，终轧温度为930℃，然后冷床冷却，锯切，矫直，探伤。
2.3、管加工
采用调质热处理工艺，淬火温度为950℃，淬火介质为水，回火温度在660℃，采用空冷，热矫直温度为550℃，UT探伤，最终产品性能测试结果如下：
(1)拉伸
(2)冲击
(3)晶粒度
晶粒度为9级。
产品规格为Φ406.4×65mm的高温拉伸试验进行了室温、100～700℃的高温拉伸试验，性能见下表。
拉伸试验温度(℃) 屈服强度(MPa) 抗拉强度(MPa)
25 861 915
100 814 857
150 788 837
200 765 827
250 749 817
300 744 825
350 710 791
400 679 760
450 640 702
500 579 635
550 513 577
600 455 520
650 330 440
700 215 317

Claims (1)

1.一种自升钻井平台用屈服强度大于690MPa耐高温无缝管的制造方法，该方法是针对配料为按重量％比成分为：C：0.10～0.16％，Si：0.20～0.40％，Mn：1.00～1.40％，P≤0.010％，S≤0.004％，Mo：0.40～0.70％，Al：0.020～0.060％，Nb：0.01～0.05％，V：0.04～0.10％，Ni：0.70～1.50％，Cr：0.70～1.50％，W：0.10～0.70％，Cu：≤0.20％，Ti：≤0.020％，Ca：0.0015～0.0060％，B：≤0.0005％，N：≤0.012％，其余为铁并杂质元素微量，厚壁为25～65mm的无缝管，经电炉或转炉炼钢，LF精炼，VD真空除气，连铸，环形炉加热，穿孔，连轧，定径，精整，调质热处理，探伤，水压，入库的基础上改进，其特征是：该方法还包括以下步骤：
所述VD真空除气时间不少于10分钟，真空除气后Ca处理，氩气弱搅拌时间不少于3分钟，连铸过程使用末端电磁搅拌；环形炉加热温度控制为1250～1290℃，终轧温度控制为850～950℃，采用淬火+回火的调质热处理方式，淬火温度为900～960℃，回火温度为600～700℃；
调质热处理后无缝管的性能：
屈服强度≥690Mpa 抗拉强度≥760Mpa 屈强比≤0.95
断后延伸率≥18％ -40℃纵向全尺寸夏比V型冲击功≥100J
600℃拉伸强度≥414Mpa 晶粒度≥8级。
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