專利名稱：擴管性優異的鋼管以及其制造方法
技術領域：
本發明涉及一種例如能夠用于挖掘油井以及氣井、且在井中能夠擴管的鋼管以及 其制造方法。
背景技術：
在用于從油田、氣田中開采原油、天然氣的井中，用于防止被挖掘的井的側壁發生 崩塌的殼體通常為套管構造，在靠近地表的部位上設有數層殼體。在該情況下，必須挖掘具 有與數層殼體對應的直徑的井，挖掘費用昂貴。近年來，為了解決上述問題，一直致力于開 發能在井中擴管的可擴展殼體(expandable casing)技術。采用該技術，相比現有技術能 夠通過挖掘小徑的坑而完成挖井操作，從而能夠期待大幅降低成本。但是，若想要利用從井的上部到下部的直徑完全相同的挖掘坑形成井，擴管率會 變得非常大，因此在使用現有技術的油井管的情況下，存在擴管時一部分油井管的壁厚變 薄而開孔、產生較大程度的彎曲等問題，實用化的困難較大。關于擴管性優異的鋼管，公開 了下述發明。在專利文獻1中公開了一種關于擴管性優異的油井用無縫鋼管的發明，其特征在 于，該鋼管具有規定的化學組成，且在組織中含有相分率為5體積％以上的殘留Y相。在專利文獻2中公開了一種關于擴管用無縫油井鋼管的發明，該鋼管具有規定的 化學組成，且規定了 Mn、Cr以及Mo的含量關系、C、Si、Mn、Cr以及Mo的含量關系。專利文獻1 日本特開2006-9078專利文獻2 日本特開在專利文獻1以及2中，公開的均是與想要提高擴管性的鋼管有關的技術。但是， 由上述文獻的實施例得知，在拉伸強度為700 SOOMPa的材料中，均勻伸長率頂多為21 %， 并不能獲得充分的擴管性能。因此，本發明人等在為了進一步提高擴管性、重要的是增大均勻伸長率的值這一 見解的基礎上，進行了研究以創造出均勻伸長率較高的材料。結果弄清了現有技術一直作 為油井用無縫鋼管的主流材料使用的回火馬氏體鋼的均勻伸長率普遍較低。根據本發明 人等的深入研究，得知這是因為回火馬氏體的組織是由極其均勻的鐵素體系的單一相構成 的。因此，本發明人等調查了金屬組織對均勻伸長率的影響，結果得到下述見解。(a)若采用油井用無縫鋼管的熱處理方法的主流方法即淬火處理，則會獲得均勻 的馬氏體組織，即使實施回火處理，也還是形成為鐵素體系的單一組織，因此從提高均勻伸 長率的觀點出發，淬火處理不是適合的熱處理。(b)在將油井用無縫鋼管加熱到淬火溫度之后使該鋼管自然冷卻的情況下，金屬 組織形成為鐵素體與珠光體(pearlite)的混合組織，若以相同的強度等級進行比較，則大 幅提高了均勻伸長率。結果可知，若金屬組織不是由單一相構成、而是軟質的鐵素體相與硬 質的珠光體的混合組織，則能夠獲得良好的均勻伸長率。(c)但是，在金屬組織是鐵素體與珠光體的混合組織的情況下，油井管必需的強度和韌性不夠充分。

發明內容
本發明的目的在于提供一種擴管性優異的鋼管，該鋼管具有600MPa以上的拉伸 強度、且即使以大擴管率進行擴管加工也不會使一部分鋼管的壁厚變薄而開孔、或產生較 大程度的彎曲。本發明的目的還在于提供一種上述鋼管的制造方法。本發明人等從合金組成、熱處理溫度、冷卻速度、冷卻模式等觀點出發，進行了潛 心研究，完成了本發明。本發明的主旨在于提供下述⑴ (7)所述的擴管性優異的鋼管以及下述⑶ (10)所述的擴管性優異的鋼管的制造方法。(1) 一種擴管性優異的鋼管，其特征在于，以質量％計含有C :0. 1 0. 45%, Si 0. 3 3. 5%、Mn :0. 5 5%、P :0. 03% 以下、S 0. 01% 以下、sol. A1 :0. 01 0. 8% (在 Si的含量小于1.5%的情況下該sol. A1的含量應為0. 以上)、N:0.05%以下以及0 0. 01 %以下，且剩余部分由Fe以及雜質構成，該鋼管具有600MPa以上的拉伸強度以及滿足 下述式(1)的均勻伸長率。u-el 彡 28-0. 0075TS ... (1)其中，u-el為均勻伸長率(％ )，TS為拉伸強度(MPa)。(2)根據上述(1)所述的擴管性優異的鋼管，其特征在于，該鋼管以質量％計還含 有Cr 以下以及Cu :3.0%以下的這兩種元素中的1種或2種元素。(3)根據上述(1)或(2)所述的擴管性優異的鋼管，其特征在于，該鋼管以質量％ 計還含有Mo 以下。(4)根據上述(1) (3)所述中任意一項的擴管性優異的鋼管，其特征在于，該鋼 管以質量％計還含有Ni 以下。(5)根據上述(1) (4)中任意一項所述的擴管性優異的鋼管，其特征在于，該鋼 管以質量％計還含有從Ti 0. 3%以下、Nb 0. 3%以下、V 0. 3%以下、Zr 0. 3%以下以及 B 0. 01%以下這些元素中選出的1種以上的元素。(6)根據上述(1) (5)中任意一項所述的擴管性優異的鋼管，其特征在于，該鋼 管以質量％計還含有從Ca 0. 01%以下、Mg 0. 01%以下以及REM :1. 0%以下這些元素中選 出的1種以上的元素。(7)根據上述(1) (6)中任意一項所述的擴管性優異的鋼管，其特征在于，該鋼 管還具有滿足下述式(2)的均勻伸長率。u-el ≥ 29. 5-0. 0075TS ... (2)其中，u-el為均勻伸長率(％ )，TS為拉伸強度(MPa)。(8) 一種擴管性優異的鋼管的制造方法，其特征在于，在將具有技術方案(1) (6)中任意一項所述的化學組成的鋼管加熱到700 790°C之后，以在700 500°C的溫度 區域中的平均冷卻速度為100°C /分鐘以上的冷卻能將該鋼管強制冷卻至100°C以下的溫 度區域。(9) 一種擴管性優異的鋼管的制造方法，其特征在于，在將具有技術方案(1) (6)中任意一項所述的化學組成的鋼管加熱到700 790°C之后，以在700 500°C的溫度區域中的平均冷卻速度為100°c /分鐘以上的冷卻能將該鋼管強制冷卻至250 450°C的 溫度區域，然后以250 450°C的溫度區域均熱10分鐘以上，之后將該鋼管冷卻至室溫。(10) 一種擴管性優異的鋼管的制造方法，其特征在于，在將具有技術方案(1) (6)中任意一項所述的化學組成的鋼管加熱到700 790°C之后，以在700 500°C的溫度 區域中的平均冷卻速度為100°C /分鐘以上的冷卻能將該鋼管強制冷卻至大于250°C且小 于等于450°C的溫度區域，之后以在該強制冷卻的結束溫度 250°C的溫度區域中的平均 冷卻速度為10°C /分鐘以下的條件冷卻該鋼管，然后將該鋼管冷卻到室溫。利用本發明的制造方法獲得的鋼管具有600MPa以上的拉伸強度，并且即使以大 擴管率進行擴管加工，也不會使一部分鋼管的壁厚變薄而開孔、或產生較大程度的彎曲。


圖1是以拉伸強度以及均勻伸長率整理本發明例以及比較例的結果后得到的圖。
具體實施例方式本發明的鋼管具有600MPa以上的拉伸強度，并且具有優異的擴管性。另外，本發 明的鋼管的制造方法在制造出具有規定的化學組成的鋼管之后，對該鋼管實施規定的熱處 理從而提高鋼管的擴管性。首先，說明本發明的鋼管的化學組成，然后說明熱處理條件以及 其限定理由。1.化學組成C :0. 1 0. 45%C是決定鋼管強度的基本元素。更具體而言，C具有在實施后述的熱處理的情況 下增大鋼管的硬質相與軟質相的強度差從而提高均勻伸長率的效果。為了獲得C的上述效 果，必須含有0. 1 %以上的C。但是，在C的含量大于0. 45%時，硬質相的強度變得過高而使 鋼管的韌性下降。因而，將C的含量設為0. 1 0.45%。優選C含量的下限為0. 15%。更 優選為C含量的下限為0. 25%，進一步優選為0. 35%。Si 0. 3 3. 5%Si能夠提高軟質相的穩定性，因此是能使軟質相可靠地存在于鋼管中從而確保較 高的均勻伸長率的重要元素。為了獲得Si的上述效果，必須含有0.3%以上的Si。但是，在 Si的含量過多的情況下，會使熱加工性下降。因而，將Si的含量設為0.3 3.5%。為了確 保更高的均勻伸長率，優選將Si含量的下限設為1. 5%。更優選Si含量的下限為2. 1%。 另外，在sol. A1少于0. 的情況下，將Si的含量設為1.5%以上。Mn :0. 5 5%Mn是能夠提高淬透性而有利于鋼管強化、并且能夠提高軟質相的穩定性而確保較 高的均勻伸長率的重要元素。為了獲得Mn的上述效果，必須含有0.5%以上的Mn。但是， 在Mn的含量大于5%時，鋼管的韌性下降。因而，將Mn的含量設為0.5 5%。優選Mn含 量的下限為1.0%，更優選為2.5%。進一步優選為3.5%。P 0. 03% 以下P是會使晶界的結合力降低而使鋼管的韌性下降的元素，所以優選盡量少地含有 P。但是，若過低地限制P的含量，會使制鋼的成本上升。因而，考慮到在實際應用方面鋼管需要具有充分的韌性以及經濟性，將P的含量的容許上限設為0.03%。為了進一步提高鋼 管的韌性，優選將P的含量限制為0. 02%以下，更優選限制為0. 015%以下。S 0. 01% 以下S是會使晶界的結合力降低而使鋼管的韌性下降的元素，所以優選盡量少地含有 S。但是，若過低地限制s的含量，會使制鋼的成本上升。因而，考慮到在實際應用方面鋼管 需要具有充分的韌性以及經濟性，將S的含量的容許上限設為0. 01%。為了進一步提高鋼 管的韌性，優選將s的含量限制為0. 005%以下，更優選限制為0. 002%以下sol.Al 0. 01 0.8% (在Si的含量小于1. 5%的情況下為0. 以上)A1是用于脫氧的必要元素，同時具有提高軟質相的穩定性、提高均勻伸長率的作 用。在sol.Al(酸溶鋁)的含量為0.01以上的情況下，能夠改善軟質相的穩定性以及均勻 伸長率，但是在sol.Al的含量少時，其改善效果有限。尤其在sol.Al的含量為0. 以上 的情況下，sol.Al的上述改善效果變得明顯。但需要注意的是，在含有1. 5%以上的Si的 情況下，即使sol. A1的含量在大于等于0. 01%且小于0. 的情況下，也能充分獲得sol. A1的上述改善效果。另一方面，在sol.Al的含量大于0.8%時，會生成簇(cluster)狀的 非金屬夾雜物而使鋼管的韌性下降。因而，將sol.Al的含量設為0.01 0.8%，但在Si的 含量小于1. 5%的情況下，必須將sol.Al的含量設為0. 以上。從確保均勻伸長率的觀 點出發，優選sol.Al的含量的下限為0. 2%，更優選為0. 3%。N 0. 05% 以下N作為雜質存在于鋼中，從而使鋼的韌性下降，因此將N含量的容許上限設為 0. 05%。0 0. 01% 以下0也是作為雜質存在于鋼中的，會使鋼的韌性下降，因此將0含量的容許上限設為 0. 01%。本發明的鋼管具有上述化學組成，且剩余部分由Fe以及雜質構成。其中，為了提 高各種性能，也可以含有下述元素來代替一部分Fe。Cr !. 5% 以下可以不用添加Cr，但在添加Cr時，能夠提高淬透性，且利用Cr與C的相互作用能 夠穩定硬質相從而發揮提高鋼管強度的作用。因而，在作為油井管要求具有更高強度的情 況下，可以添加Cr。在Cr的含量在0. 以上的情況下，Cr的上述效果明顯。但是，在Cr 的含量過多的情況下，會使鋼管的韌性下降。因而，優選在添加Cr的情況下，將Cr的含量 設為1.5%以下。Cu 3. 0% 以下可以不用添加Cu，但在添加Cu時，則能夠在冷卻鋼管的中途使鋼管保持均熱時發 揮析出強化作用，從而具有能夠提高鋼管強度的作用。在含有0. 3%以上的Cu的情況下， Cu的上述作用明顯。但是，在Cu的含量過多的情況下，會使鋼管的韌性、熱加工性下降。因 而，優選在添加Cu的情況下，將Cu的含量設為3. 0%以下。為了確保良好的熱加工性，優選 與Cu —起添加Ni。Mo 以下可以不用添加Mo，但在添加Mo時，具有能夠提高油井環境中的耐腐蝕性的效果。因而，在作為油井管要求具有較高的耐腐蝕性的情況下，可以添加Mo。在含有0.05%以上 的Mo的情況下，Mo的上述效果明顯。但是，在Mo的含量過多的情況下，會使鋼管的韌性下 降。因而，優選在添加Mo的情況下，將Mo的含量設在1 %以下。Ni 以下可以不用添加Ni，但在添加M時，能夠有利于提高軟質相的穩定性、確保較高的 均勻伸長率。在含有0.1%以上的Ni的情況下，Ni的上述效果明顯。但是，由于Ni是昂貴 的元素，因此考慮到經濟性應避免過量添加。因而，優選在添加Ni的情況下，將Ni的含量 設為2%以下。優選Ni含量的上限為1.5%，更優選為1.0%。Ti、Nb、V、Zr以及B中的1種以上含量分別為0. 3%以下、0. 3%以下、0. 3%以 下、0.3%以下以及0.01%以下可以不用添加Ti、Nb、V以及&，但在添加上述元素時，能夠形成碳氮化物而具有 抑制晶粒變粗大的作用，從而提高鋼管的韌性。在含有0. 003%以上的上述元素中的1種以 上的情況下，上述效果明顯。另一方面，在上述元素的含量過多的情況下，反而會使鋼管的 韌性下降。因而，優選在添加從Ti、Nb、V以及&中選出的1種以上的元素的情況下，分別 將各元素的含量設為0. 3%以下。也可以不用添加B，但在添加B時，能夠強化晶界的結合力而提高鋼管的韌性。在 含有0.0005%以上的B的情況下，B的上述效果明顯。另一方面，在B的含量過多的情況 下，在晶界中會析出硼的碳化物，反而使鋼管的韌性下降。因而，優選在添加B的情況下，將 B的含量設為0.01%以下。Ca、Mg以及REM中的1種以上含量分別為0. 01%以下、0. 01%以下以及1. 0%以 王Ca、Mg以及REM都可以不用添加，但是在添加上述元素時，能夠改善熱加工性，因 此在必須要進行嚴酷的熱加工的情況下，也可以添加上述元素。在上述元素的含量均為 0. 0005%以上的情況下，熱加工性的改善效果明顯。但是，在上述元素的含量均過量的情況 下，會使螺紋切削部的表面精度下降。因而，優選在添加Ca、Mg以及REM的1種以上的元素 的情況下，將上述元素的含量分別設為0.01%以下、0.01%以下、1.0%以下。在添加Ca、Mg 以及REM中的2種以上的元素時，能夠進一步提高熱加工性。另外，REM是Sc、Y和鑭系元素共17種元素的總稱，REM的含量是指上述元素的總含量。2.制造方法(1)熔煉 造管熔煉鋼的方法以及將鋼形成為鋼管形狀的方法沒有特別限定，采用通常的制造方 法即可。作為制管方法，例如可以使用無縫鋼管、將薄鋼板加工成圓筒狀后將接縫焊接起來 的焊接鋼管等利用通常的工藝制得的鋼管。(2)熱處理本發明通過對具有上述化學組成的鋼管應用規定的熱處理而獲得具有較高的均 勻伸長率、能夠承受較大程度的擴管加工的擴管性優異的鋼管。下面說明熱處理的步驟。加熱700 790°C在加熱溫度過低時，不能獲得淬火效應，因此必須將加熱溫度設為700°C以上。另
7一方面，在加熱溫度過高時，鐵素體相會消失而使軟質相減少，因此必須將加熱溫度設為 790°C以下。均熱時間沒有特別限定，但優選為5 60分鐘。冷卻在700 500°C的溫度區域中的平均冷卻諫度為100°C /分鐘以上以在700 500°C的溫度區域中的平均冷卻速度為100°C /分鐘以上的冷卻能將 加熱后的鋼管強制冷卻至100°c以下的溫度區域，從而能夠使鋼管的組織形成為軟質的鐵 素體組織與硬質的微細的珠光體、貝氏體(bainite)或馬氏體的混合組織。結果，能夠使鋼 管的組織形成為軟質相以及硬質相的混合組織，因此能夠大幅提高均勻伸長率。另外，在不改變冷卻條件地對加熱后的鋼管進行連續性的強制冷卻的情況下，存 在越趨于低溫冷卻速度越慢的傾向，但在本發明中，以在700 500°C的溫度區域中的平均 冷卻速度為100°C /分鐘以上那樣的條件將加熱后的鋼管強制冷卻至100°C的溫度區域即 可，即使低于500°C的溫度區域的冷卻速度小于100°C /分鐘，也沒有影響。此外，通過在250 450°C的溫度區域結束強制冷卻、然后使鋼管保持均熱，能夠 易于生成殘留奧氏體，由此能夠加強鋼管的加工硬化作用，從而能夠大幅提高均勻伸長率。 為了獲得上述效果，優選將均熱時間設為10分鐘以上。無論之后的冷卻是強制冷卻還是自 然冷卻，都沒有問題。另外，即使不使鋼管保持均熱，當在大于250°C且小于等于450°C的溫 度區域結束了強制冷卻之后，通過以在該強制冷卻溫度 250°C的溫度區域中的冷卻速度 為10°C /分鐘以下的條件慢冷卻鋼管，同樣易于生成殘留奧氏體，因此能夠獲得相同的效 果。無論之后的冷卻是強制冷卻還是自然冷卻，都沒有問題。其他基本上不需要進行回火操作，但也可以實施500°C以下的低溫回火操作。實施例熔煉具有表1所示的化學組成的鋼材，經過熱鍛、熱軋而制作厚10mm、寬120mm、長 330mm的板材。以表2所示的條件實施熱處理，自該原料沿與軋制的長度方向平行的方向選 取平行部的直徑為4mm的拉伸試驗片，測量了拉伸強度和均勻伸長率。
“女，，是指不在本發明規定的范圍內。“#1”指只記載了在250 450°C的溫度區域暫時結束強制冷卻、之后未使鋼管保 持均熱的條件。表2中的試驗編號1 26是本發明例，試驗編號27 36是比較例。比較例中的 試驗編號27 30是鋼的化學組成不滿足本發明的規定的例子，試驗編號31 36是鋼的 化學組成滿足本發明的規定、但制造方法不滿足本發明的規定的例子。另外，試驗編號37 是對具有滿足本發明的規定的化學組成的鋼實施了通常的淬火處理、回火處理的現有技術 例。圖1表示表2所示的本發明例、比較例、現有技術例的結果。如表2以及圖1所示，在本發明例中，拉伸強度TS(MPa)高達600MPa以上。另夕卜， 在本發明例中，均勻伸長率u-el(%)滿足下述式(1)，而且也滿足更優選的范圍即下述式 (2)，所以還具有優異的均勻伸長率。u-el 彡 28-0. 0075TS ... (1)u-el 彡 29. 5-0. 0075TS ... (2)另一方面，在比較例或現有技術例中，雖然能夠獲得較高的均勻伸長率、但是拉伸 強度較低(試驗編號27)，或者雖然拉伸強度較高、但是均勻伸長率較低，作為擴管用油井 管不具有充分的性能。工業實用件采用本發明的制造方法，相比現有技術的方法能夠廉價地制造擴管性優異的鋼 管。因而，即使以大擴管率對利用本發明的制造方法制得的鋼管進行擴管加工，也不會使一 部分鋼管的壁厚變薄而開孔、或產生較大程度的彎曲，因此尤其能夠用于廉價地開發油井 或氣井，為全球能源的安全供給做出很大貢獻。
權利要求
一種擴管性優異的鋼管，其特征在于，以質量％計含有C0.1～0.45％、Si0.3～3.5％、Mn0.5～5％、P0.03％以下、S0.01％以下、sol.Al0.01～0.8％，N0.05％以下以及O0.01％以下，且剩余部分由Fe以及雜質構成，其中，在Si的含量小于1.5％的情況下，該sol.Al的含量為0.1％以上，該鋼管具有600MPa以上的拉伸強度以及滿足下述式(1)的均勻伸長率，u-e1≥28-0.0075TS...(1)其中，u-e1為均勻伸長率，其單位是％，TS為拉伸強度，其單位是MPa。
2.根據權利要求1所述的擴管性優異的鋼管，其特征在于，該鋼管以質量％計還含有Cr 1. 5%以下以及Cu 3. 0%以下的這兩種元素中的1種或 2種元素。
3.根據權利要求1或2所述的擴管性優異的鋼管，其特征在于，該鋼管以質量％計還含有Mo 以下。
4.根據權利要求1 3中任意一項所述的擴管性優異的鋼管，其特征在于，該鋼管以質量％計還含有Ni 以下。
5.根據權利要求1 4中任意一項所述的擴管性優異的鋼管，其特征在于，該鋼管以質量％計還含有從Ti 0. 3%以下、Nb 0. 3%以下、V 0. 3%以下、Zr 0. 3%以 下以及B :0. 01%以下這些元素中選出的1種以上的元素。
6.根據權利要求1 5中任意一項所述的擴管性優異的鋼管，其特征在于，該鋼管以質量％計還含有從Ca 0. 01%以下、Mg 0. 01%以下以及REM :1. 0%以下這些 元素中選出的1種以上的元素。
7.根據權利要求1 6中任意一項所述的擴管性優異的鋼管，其特征在于，該鋼管還具有滿足下述式(2)的均勻伸長率，u-el 彡 29.5-0.0075TS ... (2)其中，u-el為均勻伸長率，其單位是％，TS為拉伸強度，其單位是MPa。
8.一種擴管性優異的鋼管的制造方法，其特征在于，在將具有權利要求1 6中任意一項所述的化學組成的鋼管加熱到700 790°C之后， 以在700 500°C的溫度區域中的平均冷卻速度為100°C /分鐘以上的冷卻能將該鋼管強 制冷卻至100°C以下的溫度區域。
9.一種擴管性優異的鋼管的制造方法，其特征在于，在將具有權利要求1 6中任意一項所述的化學組成的鋼管加熱到700 790°C之后， 以在700 500°C的溫度區域中的平均冷卻速度為100°C /分鐘以上的冷卻能將該鋼管強 制冷卻至250 450°C的溫度區域，然后以250 450°C的溫度區域均熱10分鐘以上，之后 將該鋼管冷卻至室溫。
10.一種擴管性優異的鋼管的制造方法，其特征在于，在將具有權利要求1 6中任意一項所述的化學組成的鋼管加熱到700 790°C之 后，以在700 500°C的溫度區域中的平均冷卻速度為100°C /分鐘以上的冷卻能將該鋼管 強制冷卻至大于250°C且小于等于450°C的溫度區域，之后以在該強制冷卻的結束溫度 250°C的溫度區域中的平均冷卻速度為10°C /分鐘以下的條件冷卻該鋼管，然后將該鋼管 冷卻到室溫。
全文摘要
本發明提供一種擴管性優異的鋼管以及其制造方法。該鋼管以質量％計含有C0.1～0.45％、Si0.3～3.5％、Mn0.5～5％、P0.03％以下、S0.01％以下、sol.Al0.01～0.8％(在Si的含量為1.5％以上的情況下該sol.Al的含量應小于0.1％)、N0.05％以下以及O0.01％以下，且剩余部分由Fe以及雜質構成，該鋼管具有600MPa以上的拉伸強度以及滿足下述式(1)的均勻伸長率。例如，在將具有上述化學組成的鋼管加熱到700～790℃之后、以在700～500℃的溫度區域中的平均冷卻速度為100℃/分鐘以上的冷卻能對該加熱后的鋼管進行強制冷卻至100℃以下的溫度區域，從而獲得該鋼管。u-e1≥28-0.0075TS...(1)其中，u-e1為均勻伸長率(％)，TS為拉伸強度(MPa)。
文檔編號C22C38/00GK101855377SQ20088011439
公開日2010年10月6日 申請日期2008年9月16日 優先權日2007年10月30日
發明者荒井勇次, 近藤邦夫 申請人:住友金屬工業株式會社