CSP线铌微合金化直缝焊石油套管用钢J55的开发

CSP线铌微合金化直缝焊石油套管用钢J55的开发司永涛1, 屈文胜1, 董瑞峰1, 闫波1, 张晓燕1, 刘清友2(1.包钢薄板坯连铸连轧厂，包头 014010； 2. 北京钢铁研究总院，北京 100081)摘 要：介绍了包钢CSP厂采用Nb微合金化技术开发直缝焊石油套管用热轧钢带J55的过程。

开发钢带的力学性能以及冷弯、焊接、螺纹加工等性能均满足API 5CT的标准要求和用户协议要求，已经商业化生产4200吨，用户使用情况良好。

关键词：CSP；Nb微合金化；J55Development of Nb-microalloyed J55 Hot Rolled Strip Used for ERW Casing For Petroleum in Baotou CSP Plant SI Yong-tao1, QU Wen-sheng1, DONG Rui-feng1, YAN Bo1, ZHANG Xiao-yan1,LIU Qing-you2(1. Baotou Iron & Steel (Group) Co., Ltd., Baotou 014010, China; 2. Central Iron and Steel Research Institute, Beijing100081,China.)Abstract: This paper introduce how to develop hot rolled strip used for J55 ERW casing for petroleum by using the technology of Nb micro alloying in BaoTou CSP plant. The strips have good mechanical properties, cold bending, welding ability and threads machining etc. The Integration properties of casing meet the requirements of API 5CT standard and costumer technology agreement completely. 4200 t strips have been produced commercially, and the costumers used very well.Key words: CSP；Nb micro-alloyed；J55J55（API 5CT）是一种中等强度石油套管钢级，历来采用无缝管。

自上世纪60年代开始，国外采用热轧卷板制造直缝电阻焊套管(简称ERW)代替无缝管，获得成功[1]。

从1987年至今，在中国许多常规流程热轧带钢生产线上被商业化生产。

目前，在短流程生产线（如：CSP）上开发生产J55的工作也越来越受到重视。

包钢于2005年5月成功研制了J55钢级直缝焊石油套管用热轧钢带。

本文介绍在包钢CSP线开发J55的工业试验过程及商业化生产产品的力学性能、使用性能和用户使用情况等。

1 试制过程1.1 J55钢化学成分直缝电阻焊石油套管(简称ERW)用热轧钢带—J55，是参照美国石油协会API Spec 5CT标准以及用户技术协议进行研制开发的。

表1 为API 5CT、用户协议和包钢内控成分范围。

表1 成分设计范围 （wt%）Table 1 chemical composition of strips （wt%）标准C≤Si≤Mn≤P≤S≤Nb≤V≤Ti≤API5CT-- -- 0.03 0.03 -- -- 协议0.2 0.3 1.60.02 0.01 0.06 0.060.03内控0.080.3 1.60.02 0.01 0.06 0.060.011.2 试验及商业化生产工序按照表1中内控成分范围，冶炼浇铸钢坯，经司永涛，高级工程师，siyongtao@铁水脱硫预处理——转炉冶炼——LF钢包精炼——薄板坯连铸——加热——轧制——卷取——组织和性能检验、入库等工序。

控制轧制与控制冷却工艺原则：①加热温度应足够高，以尽可能使连铸过程中的沉淀物充分溶解，并避免微合金沉淀在均热过程中析出。

②采用合理的轧制温度，避开奥氏体部分再结晶区轧制，并兼顾轧机和电机的允许条件。

③增加精轧段压缩比以达到细化晶粒的目的，晶粒细化是既能增加强度又能增加韧性的有效手段。

④采用合理的冷却制度，卷取温度不能过高，避免产生大的珠光体组织而有损钢的韧性。

对每个批次试验及商业化生产的J55钢，沿钢带横向取拉伸试样，沿横向和纵向取冲击试样，在拉伸试验机和冲击试验机上，测量力学性能；用4%硝酸酒精溶液腐蚀金相试样，用LEICA图象分析仪拍摄微观组织照片。

2 试验结果与分析2.1 显微组织图1为试制J55热轧钢带的显微组织。

为细晶粒多边形铁素体、少量针状铁素体和少量珠光体，其中占体积分数绝大多数的多边形铁素体平均晶粒尺寸约为6μm。

图1 J55热轧钢带显微组织，a：厚度6.2mm；b：厚度8.94mmFig.1 J55 hot rolled strip micro structure，a：thickness 6.2mm；b：thickness 8.94mm2.2 力学性能表2为试验钢性能和API 5CT标准要求及用户协议要求的性能。

由于用户考虑钢板在制成焊管后的包辛格效应，对钢带的屈服强度比API 5CT标准的要求有所提高。

试验钢J55的各项性能均满足API 5CT和用户协议要求。

图2为21炉试验钢力学性能分布情况。

可以看出，试制的J55力学性能波动范围小。

为了了解整卷钢带通条拉伸性能的分布情况，随机抽取1卷钢带，沿纵向从头部开始每40米取样一次进行拉伸性能检验，结果如图3所示，可以看出，钢带全长范围上的屈服强度和抗拉强度均匀、稳定。

石油套管用钢对冲击性能要求较高。

试制的J55钢带冲击性能比标准要求高得多（见图4），表明试验钢带具有良好的低温韧性。

2.3 使用性能2.3.1 冷弯性能冷弯试验是检测钢板在一定条件下成形性能优劣的一种工艺试验。

J55钢级直缝焊石油套管用热轧钢带进行了横、纵向宽冷弯试验，试样宽度b=60mm，弯曲 180°，弯心直径d=0 ，冷弯试样都符合要求。

所有试样在弯曲后表面没有出现裂纹，由此说明试验钢带冷弯性能优良。

表2 试验钢性能、API5CT标准要求及用户协议要求 Table 2 experiment strips properties, requirements of API 5CT standard and agreement标准屈服强度MPa抗拉强度MPa延伸率%V型-10℃冲击功J180°冷弯硬度HV10实际460~510530~57027~39 122~218 完好203~212.8协议420~530≥520 ≥24 ≥60 d=2a180~220 API5CT≥379 ≥517 ≥20 ≥20 -- --3435图2 J55钢带屈服强度与抗拉强度分布情况Fig.2 the distributing of mechanical properties of J55 strips图3 J55通条钢带性能分布情况Fig.3 the distributing of properties in the whole strip2.3.2 焊接试验采用高频电流将焊缝金属熔化并施加外力将焊缝直接挤压在一起[2]，钢管的焊缝和热影响区组织均为细晶铁素体＋微量珠光体组织，组织均匀，热影响区组织没有出现明显的粗化。

图5为焊缝硬度（HV10）的检测结果，焊缝（热处理后）未表现出快冷组织，热影响区硬度没有出现明显的软化，说明J55钢级直缝焊石油套管用热轧钢带具有良好的焊接性能。

2.3.3 车削加工性能硬度是石油套管螺纹加工的工艺性能指标，焊管母材具有一定的硬度是保证螺纹加工时不粘刀、不打刀，上、卸扣检验时不脱扣、不粘扣的一项重要指标，用户要求大于180HV10。

热轧母材及制成焊管时的硬度检验结果见图6、7。

图4 J55热轧钢带冲击性能（横、纵向）Fig.4 The impact properties of J55 hot rolled strip （transverse 、longitudinal ）36190200210220230240250H VX , m m图5 J55直缝焊石油套管焊缝显微硬度检验（HV10） Fig.5 The hardness of the weldling line of ERW petroleumcasing （HV10）热轧钢带的硬度与石油套管的硬度均满足要求，说明包钢CSP 开发的J55钢级直缝焊石油套管用热轧钢带具有优良的螺纹加工性能。

图6 J55热轧钢带硬度（HV10）Fig.6 Hardness of J55 hot rolled strips （HV10）图7 J55直缝焊套管硬度（HV10）Fig.7 Hardness of ERW casing made from J55 strips（HV10）2.3.4 抗粘扣性能经用户试用后反应，J55热轧钢带的制管成形条件、焊接条件与常规流程材料无差别，可切削性与常规流程相当。

已制成的直缝焊石油套管经3次装、卸扣试验，无粘扣现象，表明抗粘扣性能优良。

3 用户使用情况开发的J55钢级直缝焊石油套管用热轧钢带分别在天津利丰源达钢铁集团有限公司和宝鸡住金石油钢管有限公司进行了试用。

采用1530mm ×8.8mm 、1545mm ×8.94mm 、1310mm ×6.2mm 、1310mm ×7.7mm 规格的包钢J55钢级直缝焊石油套管用热轧钢带生产φ244.5mm 、φ139.7 mm 规格J55钢级直缝焊石油套管，共使用4200吨。

产品尺寸精度高，板形、表面质量良好，化学成分、力学性能都能满足石油套管用钢带的技术要求；钢带的焊接性能、螺纹切削性能优良；制成石油套管成品的冲击韧性优于常规流程同类产品，试用照片见图8。

图8 J55材料试用实物照片Fig.8 Photographs of the welded tube made from J55 strips4 结论①包钢薄板坯连铸连轧厂自主研制开发的J55直缝焊石油套管用热轧钢带组织性能优良，钢带纵向、横向组织性能均匀、稳定，满足用户技术协议及API 5CT标准要求。

②试制的J55钢带合金化设计合理，生产工艺可行，具备批量生产能力。

③材料跟踪试用的适用性分析表明，制成的直缝焊管可成功替代无缝管。