專(zhuān)利名稱(chēng)：一種大膨脹量焊管及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于焊管鋼技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種大膨脹量焊管及其制造方法。
背景技術(shù)：
可膨脹管技術(shù)是降低石油開(kāi)采鉆井完井成本的一項(xiàng)新興技術(shù)，被稱(chēng)為“21世紀(jì)石油鉆采行業(yè)的核心技術(shù)”之一，正在日益引起業(yè)界的廣泛關(guān)注?？膳蛎浌苁且环N下井后經(jīng)過(guò)機(jī)械擴(kuò)張變形膨脹的新型套管，可廣泛用于鉆井、完井、采油、修井等作業(yè)中，該技術(shù)的出現(xiàn)從根本上改變了未來(lái)深井及復(fù)雜地質(zhì)條件的鉆井采油工藝。可膨脹管技術(shù)最核心的優(yōu)點(diǎn)在于采用該技術(shù)可以節(jié)約井眼尺寸。實(shí)際工程應(yīng)用已經(jīng)表明，可膨脹管技術(shù)能夠大幅度地降低鉆采成本和縮短施工周期?？膳蛎浌懿牡难芯渴强膳蛎浌芗夹g(shù)中最為關(guān)鍵的一個(gè)問(wèn)題，在很大程度上制約著可膨脹管技術(shù)的發(fā)展。由于膨脹管的作業(yè)環(huán)境一般在海洋和深井中，首先要求膨脹管材料具有較高的強(qiáng)度；同時(shí)，因?yàn)榕蛎浌茉诰卤粡较蚺蛎浀倪^(guò)程中要發(fā)生大的永久性的塑性均勻變形，所以，膨脹管應(yīng)該具有足夠的塑性變形能力。膨脹后，管材的力學(xué)性能、尺寸精度等應(yīng)符合API5CT或者有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。在綜合分析了當(dāng)前國(guó)內(nèi)的膨脹管技術(shù)之后，不難發(fā)現(xiàn)，當(dāng)今的膨脹管材料研究存在以下技術(shù)問(wèn)題:一是管材用料的合金成分較高，貴金屬及稀有金屬用量較多，直接導(dǎo)致了管材用鋼的碳當(dāng)量偏高，不利于管材的焊接。例如，如中國(guó)專(zhuān)利CN1594631A公開(kāi)了一種石油油井用膨脹合金材料，該合金材料中使用了我國(guó)稀缺的Cr、N1、Zr等金屬，并在材料中添加了 0.lwt%的戰(zhàn)略性金屬——稀土 ；中國(guó)專(zhuān)利CN1011144376A中公開(kāi)的一種連續(xù)膨脹管中，其合金材料中也同樣使用了我國(guó)稀缺的Cr、Mo、N1、和Cu等稀有金屬；中國(guó)專(zhuān)利CN102534369 A中公開(kāi)了一種石油天然氣開(kāi)采用N80鋼級(jí)膨脹管用材料中，加入了 Nb等較貴重的微合金元素Nb;中國(guó)專(zhuān)利CN 102517511 A中公開(kāi)的高膨脹率石油套管用鋼及其用于制作石油套管的方法中， 也加入了 Cr及其他Nb、V、Ti等微合金化元素。貴金屬及稀有金屬的使用，從原材料上提高了膨脹管的生產(chǎn)成本，不利于該項(xiàng)技術(shù)的推廣。同時(shí)，由于這些專(zhuān)利中所涉及材料的合金成分復(fù)雜，合金元素的含量較高，在無(wú)形中提高了該材料的碳當(dāng)量，對(duì)管材的焊接也會(huì)造成不良影響。其次，制造工藝復(fù)雜，工藝成本高。例如，中國(guó)專(zhuān)利CN 102534369 A中公開(kāi)的一種石油天然氣開(kāi)采用N80鋼級(jí)膨脹管的制備方法中，要經(jīng)過(guò)兩次兩相區(qū)淬火+回火的工藝才能得到理想的強(qiáng)韌性匹配，繁雜的熱處理工藝不利于大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)，提高了工藝成本，降低了生產(chǎn)效率。本發(fā)明中使用的是一種可以不添加其他任何合金元素的低碳、錳鋼材料，經(jīng)過(guò)一次退火處理后即能滿足大膨脹量鋼管的強(qiáng)塑性要求，大大降低了生產(chǎn)制造成本。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種大膨脹量焊管及其制造方法，具有高擴(kuò)徑能力及低生產(chǎn)成本的鐵基石油膨脹焊管，通過(guò)合理的成分設(shè)計(jì)獲得低成本的大膨脹量石油焊管用鋼，并結(jié)合合理的鋼板制造工藝和鋼管熱處理工藝使得膨脹管管材達(dá)到預(yù)期的強(qiáng)度和塑性標(biāo)準(zhǔn)，保證管材膨脹前后的力學(xué)性能均能滿足API及其它有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。本發(fā)明的大膨脹量焊管的化學(xué)成分(按重量百分比)為:C: 0.02wt%^0.10 wt%,Mn: 2.0 wt%"6.0wt%, S1: 0.2 wt% l.0 wt%, S<0.01 wt%，P〈0.02wt%，余量為 Fe 及不可避免的雜質(zhì)；也可以在此基礎(chǔ)之上添加一種或幾種其他化學(xué)元素:Ni:0.lwt%^0.6wt%、Cr:0.lwt% 0.6wt%> Cu:0.lwt% 0.5wt%> Nb:0.01wt% 0.lwt%> V:0.01wt% 0.lwt%> Ti:0.01wt%^0.02wt%o所述的大膨脹量焊管材料的顯微組織為:回火馬氏體(或回火貝氏體)+鐵素體+殘余奧氏體，殘余奧氏體體積分?jǐn)?shù)> 5%。所述的大膨脹量焊管材料熱處理后力學(xué)性能指標(biāo)為:屈服強(qiáng)度40(T700MPa，抗拉強(qiáng)度50(T900MPa，延伸率30% 60%，均勻延伸率>20%，加工硬化指數(shù)0.15 0.3。本發(fā)明的制造方法的工藝步驟為:(I)鋼的冶煉及凝固:適用于轉(zhuǎn)爐、電爐或感應(yīng)爐冶煉，采用連鑄生產(chǎn)鑄坯或模鑄
生產(chǎn)鑄錠。(2)控制軋制:鑄坯加熱到110(Tl250 °C，保溫2小時(shí) 10小時(shí)，開(kāi)軋溫度12000C 1000°C，終軋溫度 80(T950°C.
(3)控制冷卻:根據(jù)具體的性能要求，可分別采用空冷或加速冷卻的冷卻方法，分別得到粒狀貝氏體和“馬氏體+貝氏體”組織。(4)ERW制管:卷板加工后采用HFW焊接成型，并對(duì)焊接過(guò)程中焊管的內(nèi)、外焊縫毛刺處進(jìn)行砂輪打磨，清除毛刺。(5)熱處理:采用電阻爐將毛坯管加熱到兩相區(qū)(Acl以上0°C 40°C范圍)，使之部分奧氏體化，保溫2 15小時(shí)，使C、Mn等合金元素充分配分，然后隨爐冷卻或者空冷到室溫，得到大量富碳的殘余奧氏體。本發(fā)明各主要化學(xué)成分的作用如下:C:鋼中的碳對(duì)最終逆轉(zhuǎn)變奧氏體、馬氏體的碳含量與體積分?jǐn)?shù)有著重要的影響。只有保證有足夠的碳，才會(huì)形成足夠的富碳?xì)堄鄪W氏體并能夠穩(wěn)定至室溫。在某一兩相區(qū)溫度，隨著含碳量的增加，奧氏體中的碳的濃度增加。奧氏體穩(wěn)定性增強(qiáng)，使較多的奧氏體穩(wěn)定保留到室溫，提高逆轉(zhuǎn)變奧氏體的體積分?jǐn)?shù)。但是碳含量較高時(shí)，焊接性能變差。所以應(yīng)選擇合理的碳含量，在保證有足夠殘余奧氏體的同時(shí)避免Fe3C形成造成的脆性，并改善焊接性能。添加錳可降低馬氏體轉(zhuǎn)變溫度Ms，增加殘余奧氏體的含量，尤其是當(dāng)鋼中含有2^3%的錳時(shí)，還可以有效地提高殘余奧氏體分解的抗力。但是Mn含量太高的話會(huì)使殘余奧氏體的穩(wěn)定性大大提高，以致存在較高的塑性變形時(shí)殘余奧氏體也不會(huì)發(fā)生相變，對(duì)提高工件的延展性不利；同時(shí)Mn含量過(guò)高，提高了材料碳當(dāng)量，對(duì)焊接性能不利。硅通常不作為合金元素加入，是一種脫氧劑，當(dāng)Si以固溶體的形式存在與奧氏體中時(shí)，可以提高鋼的強(qiáng)度和硬度，其作用強(qiáng)于Mn、N1、Cr、V、Mo等。Si作為非碳化物形成元素，在碳化物中的溶解度極低，在Q&P鋼等溫過(guò)程中，能夠強(qiáng)烈抑制Fe3C的形成，使碳進(jìn)一步積聚于未轉(zhuǎn)變的奧氏體中， 促使馬氏體開(kāi)始轉(zhuǎn)變溫度MS降至室溫以下，有利于形成富碳的殘余奧氏體。鋁和硅一樣，也是非碳化物形成元素，能夠強(qiáng)烈抑制Fe3C的形成，使未轉(zhuǎn)變奧氏體富碳。雖然鋁的固溶強(qiáng)化效果弱于硅，但是在Q&P鋼中，可以添加鋁元素以降低硅的副作用。另外，采用鋁代硅不影響鋼的涂鍍和焊接工藝，所以在要求涂鍍和焊接的鋼中常用鋁代替硅。硫在一般狀況下也是鋼中的有害元素，含硫較高的鋼在高溫下進(jìn)行壓力加工時(shí)，容易脆裂，通常叫做熱脆性，會(huì)降低鋼的延展性和韌性，在鍛造和軋制時(shí)容易造成裂紋，同時(shí)，硫還回降低鋼的耐腐蝕能力，惡化鋼的焊接性能。通常狀況下，磷是鋼中的有害合金元素，鋼中的磷含量超過(guò)一定值時(shí)會(huì)在晶界處析出，破壞晶界強(qiáng)度，損壞其延展性，使鋼的可塑性及韌性明顯下降，該類(lèi)情況在低溫下尤為嚴(yán)重，這種現(xiàn)象叫做冷脆性，過(guò)高的磷含量會(huì)使鋼的焊接性能變壞，同時(shí)降低鋼的塑性，使其冷彎性能變壞。本發(fā)明的生產(chǎn)方法通過(guò)將鋼管加熱到兩相區(qū)進(jìn)行保溫處理。在兩相區(qū)內(nèi)，保溫時(shí)間比較長(zhǎng)，配分比較充分，所以?shī)W氏體化中的富碳量和錳量較高；在隨后的隨爐冷卻或者空冷過(guò)程中，奧氏體穩(wěn)定性較高，有利于常溫下在鋼中得到較多的殘余奧氏體。顯微組織分析表明，本發(fā)明方法生產(chǎn)的大膨脹量石油套管用低C、Mn鋼中除了在鐵素體與馬氏體之間存在部分·粒狀和針狀的殘余奧氏體之外，在原奧氏體晶界處以及鐵素體晶粒內(nèi)部還存在著部分顆粒狀殘余奧氏體。由于軟相鐵素體的存在以及殘余奧氏體在相變過(guò)程中產(chǎn)生的形變誘發(fā)相變塑性(Trip)效應(yīng)，獲得的多相鋼比現(xiàn)有的常規(guī)調(diào)制鋼具有更高的塑性。本發(fā)明可以根據(jù)具體的強(qiáng)塑性要求，適當(dāng)調(diào)整化學(xué)成分和兩相區(qū)加熱溫度、保溫時(shí)間等，獲得最優(yōu)化的多相組織配比，滿足不同的使用性能要求。本發(fā)明主要適用于低C、Mn鋼，也可以選擇性加入其他一些Mo、Cr、N1、V、Nb、V、Ti
合金元素。本發(fā)明的低C、Mn鋼結(jié)合適當(dāng)?shù)膬上鄥^(qū)退火工藝，使管材獲得了 “回火馬氏體+鐵素體+殘余奧氏體”的多相組織，保證了鋼管在具有較高強(qiáng)度水平的同時(shí)，兼具較高的塑性變形能力。有效解決了以往膨脹管制造中所存在的成本高、焊接性能差、生產(chǎn)工藝復(fù)雜等技術(shù)難題，對(duì)我國(guó)焊管以及石油工業(yè)的發(fā)展具有重要的意義。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例f實(shí)施例4(1)鋼的冶煉本發(fā)明鋼由實(shí)驗(yàn)室真空感應(yīng)爐冶煉，澆注錠型為200公斤園錠，共冶煉4爐鋼，化學(xué)成分見(jiàn)表1。表1發(fā)明鋼的化學(xué)成分，余量為Fe及不可避免的雜質(zhì)
權(quán)利要求
1.一種大膨脹量焊管，其特征是，化學(xué)成分質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為:c: 0.02wt°r0.10 wt%，Mn:2.0 wt% 6.0wt%, S1: 0.2 wt% l.0 wt%, S<0.01 wt%，P<0.02wt%，余量為 Fe 及不可避免的雜質(zhì)； 所述的大膨脹量焊管的顯微組織為:回火馬氏體或回火貝氏體+鐵素體+殘余奧氏體；其中，殘余奧氏體含量> 5%； 熱處理后力學(xué)性能指標(biāo)為:屈服強(qiáng)度40(T700MPa，抗拉強(qiáng)度50(T900MPa，延伸率30% 60%，均勻延伸率>20%，加工硬化指數(shù)0.15 0.3。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的大膨脹量焊管，其特征是，再添加:Ni:0.lwt%^0.6wt%,Cr:0.lwt% 0.6wt%> Cu:0.lwt% 0.5wt%> Nb:0.01wt% 0.lwt%> V:0.01wt% 0.lwt%> Ti:0.01wt% 0.02wt%中的一種或幾種。
3.—種權(quán)利要求1所述的大膨脹量焊管的制造方法，其特征在于:工藝步驟為: (1)鋼的冶煉及凝固:適用于轉(zhuǎn)爐、電爐或感應(yīng)爐冶煉，采用連鑄生產(chǎn)鑄坯或模鑄生產(chǎn)鑄錠； (2)控制軋制:鑄坯加熱到110(Γ1250V,保溫2小時(shí) 10小時(shí)，開(kāi)軋溫度12000C 1000°C，終軋溫度 80(T950°C ； (3)控制冷卻:采用空冷或加速冷卻的冷卻方法，分別得到粒狀貝氏體或“馬氏體+貝氏體”組織； (4)ERW制管:采用HFW焊接成型，并對(duì)焊接過(guò)程中焊管的內(nèi)、外焊縫毛刺處進(jìn)行砂輪打磨，清除毛刺。
(5)熱處理:采用電阻爐將毛坯管加熱到兩相區(qū)Acl以上0°C 40°C范圍，保溫2 15小時(shí)，然后隨爐冷卻或者空冷到室溫。
全文摘要
一種大膨脹量焊管及其制造方法，屬于焊管鋼技術(shù)領(lǐng)域。該焊管的化學(xué)成分質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為C: 0.02wt%~0.10 wt% ，Mn:2.0 wt%~6.0wt%，Si: 0.2 wt%~1.0 wt%，S<0.01 wt% ，P<0.02wt%，余量為Fe及不可避免的雜質(zhì)；也可以再添加Ni0.1wt%~0.6wt%、Cr0.1wt%~0.6wt%、Cu0.1wt%~0.5wt%、Nb0.01wt%~0.1wt%、V0.01wt%~0.1wt%、Ti0.01wt%~0.02wt%中的一種或幾種。采用轉(zhuǎn)爐煉鋼、控制軋制和控制冷卻后，對(duì)鋼帶進(jìn)行卷板加工，通過(guò)HFW焊接制成膨脹毛坯管，最后通熱處理，使組織中得到體積分?jǐn)?shù)大于5%的殘余奧氏體。優(yōu)點(diǎn)在于，保證了材料具有較高強(qiáng)度水平的同時(shí)，兼具較高的塑性，均勻延伸率達(dá)到20%以上。其各項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)滿足API及其他相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。
文檔編號(hào)C22C38/06GK103160730SQ201310090709
公開(kāi)日2013年6月19日 申請(qǐng)日期2013年3月20日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月20日
發(fā)明者劉清友, 賈書(shū)君, 汪兵, 陳紅桔 申請(qǐng)人:鋼鐵研究總院