CN102206789A - 扩管后的韧性优良的膨胀管用油井管及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种扩管后的韧性优良的膨胀管用油井管及其制造方法，其特征在于：所述膨胀管用油井管以质量％计，含有C：0.08～0.14％、Si：0.8％以下、Mn：0.3～2.5％、P：0.03％以下、S：0.01％以下、Ti：0.005～0.03％、Al：0.1％以下、N：0.001～0.01％以下、B：0.0005～0.003％；还含有Mo：0.05～0.6％、Cr：0.1～1.0％、Ca：0.001～0.01％中的1种以上，根据需要，还含有Nb、Ni、Cu、V之中的1种或2种以上，进而根据需要，含有REM，而且满足A＝2.7C+0.4Si+Mn+0.45Ni+0.45Cu+0.8Cr+2Mo≥1.8，余量由铁和不可避免的杂质构成，并且由回火马氏体组织构成。另外，本发明的制造方法的特征在于：从Ac3点+30℃以上对上述成分的钢制管坯进行淬火，在350～720℃进行回火。

Description

扩管后的韧性优良的膨胀管用油井管及其制造方法
本申请是申请日为2006年6月9日、申请号为200680020619.2、发明名称为“扩管后的韧性优良的膨胀管用油井管及其制造方法”的发明专利申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及一种膨胀管用油井管及其制造方法，该膨胀管用油井管适于在油井和汽井内对油井管扩管并进行井口修整的膨胀管技术(Expandable Tubular Technology)，且扩管后的韧性优良。
背景技术
以前，油井用钢管插入井内而直接使用，但近年来，已经开发了在井内扩管10～30％后使用的技术，从而大大有利于降低油井和汽井开发成本。但是，如果因扩管而在钢管中导入塑性变形，则使低温韧性降低。涉及扩管后使用的膨胀管用油井管的发明在日本专利第3562461号公报中已经公开，但是，关于原本极大地影响扩管性能的微观组织则没有进行任何说明，再者，关于扩管后的韧性也没有进行任何公开。但是，扩管性能优良是必要条件，而且为了防止起因于在油井内的扩管过程中产生的创伤而引起的破坏，还要求扩管后韧性优良的钢管。
发明内容
本发明提供一种膨胀管用油井管及其制造方法，该膨胀管用油井管适于在油井和汽井内对油井管扩管并进行井口修整的膨胀管技术(Expandable Tubular Technology)，且扩管前的屈服强度为482～689MPa(70～100ksi)，扩管后的韧性优良。
此外，扩管前的强度是为了防止往油井中插入钢管到扩管之间发生断裂、因内压引起的爆裂、因外压引起的压坏所需要的强度，是在通常的油井设计中所使用的强度水平。
本发明者就影响扩管后韧性的钢的化学成分、制造方法进行了详细的研究。结果发现，最为有效的方法是：使降低了添加C量的马氏体成为回火组织。
本发明就是根据上述的见解而完成的，其要点如下：
(1)一种扩管后的韧性优良的膨胀管用油井管，其特征在于：以质量％计，含有C：0.08～0.14％、Si：0.8％以下、Mn：0.3～2.5％、P：0.03％以下、S：0.01％以下、Ti：0.005～0.03％、Al：0.1％以下、N：0.001～0.01％以下、B：0.0005～0.003％，还含有Mo：0.05～0.6％、Cr：0.1～1.0％、Ca：0.001～0.01％中的1种以上，余量由铁和不可避免的杂质构成，用下式(1)表示的A值为1.8以上，并且由回火马氏体组织构成；
A＝2.7C+0.4Si+Mn+0.45Ni+0.45Cu+0.8Cr+2Mo…(1)
其中，C、Si、Mn、Ni、Cu、Cr、Mo分别为各元素的含量[质量％]。
(2)技术方案(1)所述的扩管后的韧性优良的膨胀管用油井管，其特征在于：以质量％计，进一步含有Nb：0.01～0.3％、Ni：0.1～1％、Cu：0.1～1.0％、V：0.01～0.3％之中的1种或2种以上。
(3)技术方案(1)或(2)所述的扩管后的韧性优良的膨胀管用油井管，其特征在于：以质量％计，进一步含有REM：0.002～0.02％。
(4)技术方案(1)～(3)的任一项所述的扩管后的韧性优良的膨胀管用油井管，其特征在于：所述膨胀管用油井管所含有的S量为0.003质量％以下。
(5)上述(1)～(4)的任一项所述的扩管后的韧性优良的膨胀管用油井管，其特征在于：所述膨胀管用油井管是对电焊钢管进行淬火和回火而制造的。
(6)上述(1)～(5)的任一项所述的扩管后的韧性优良的膨胀管用油井管，其特征在于：所述膨胀管用油井管的壁厚的最小值为平均壁厚的95％以上。
(7)一种扩管后的韧性优良的膨胀管用油井管的制造方法，其特征在于：对于以质量％计，含有C：0.08～0.14％、Si：0.8％以下、Mn：0.3～2.5％、P：0.03％以下、S：0.01％以下、Ti：0.005～0.03％、Al：0.1％以下、N：0.001～0.01％以下、B：0.0005～0.003％，还含有Mo：0.05～0.6％、Cr：0.1～1.0％、Ca：0.001～0.01％中的1种以上，余量由铁和不可避免的杂质构成，且用下式(1)表示的A值为1.8以上的钢制管坯，将其从Ac3点+30℃以上的温度区域淬火，并在350～720℃进行回火，由此设计为回火马氏体组织；
A＝2.7C+0.4Si+Mn+0.45Ni+0.45Cu+0.8Cr+2Mo…(1)
其中，C、Si、Mn、Ni、Cu、Cr、Mo分别为各元素的含量[质量％]。
8)技术方案(7)所述的扩管后的韧性优良的膨胀管用油井管的制造方法，其特征在于：所述钢制管坯以质量％计，进一步含有Nb：0.01～0.3％、Ni：0.1～1.0％、Cu：0.1～1.0％、V：0.01～0.3％之中的1种或2种以上，而且满足A＝2.7C+0.4Si+Mn+0.45Ni+0.45Cu+0.8Cr+2Mo≥1.8。
(9)技术方案(7)或(8)所述的扩管后的韧性优良的膨胀管用油井管的制造方法，其特征在于：所述钢制管坯以质量％计，进一步含有REM：0.002～0.02％，而且满足A＝2.7C+0.4Si+Mn+0.45Ni+0.45Cu+0.8Cr+2Mo≥1.8。
(10)技术方案(7)～(9)的任一项所述的扩管后的韧性优良的膨胀管用油井管的制造方法，其特征在于：所述钢制管坯为电焊钢管。
具体实施方式
本发明者就影响扩管性和扩管后韧性的钢的化学成分、制造方法进行了详细的研究。结果发现，对扩管性而言，作为均匀组织的回火马氏体组织是优良的，对提高扩管后的韧性而言，使降低了添加C量的马氏体成为回火组织是最为有效的。但是，一般在降低添加C量时，其淬透性降低，在淬火时容易生成铁素体，如果生成哪怕是少量的铁素体，则扩管时也会从那部分产生龟裂。在专利文献1所记载的发明中，说明了必须在钢管强度降低的同时减少C量。但是，对于不添加B的低C钢而言，其淬透性较低，即使进行淬火处理，无论如何也不能得到马氏体。为使壁厚为10mm左右的钢管实质上成为马氏体，必须含有使A值达到1.8以上的合金。
另一方面，如果在用于扩管的膨胀管用油井管中添加B，则即使是低C也可以通过淬火处理而得到马氏体，从而可以制作高强度的扩管性优良且扩管后的韧性优良的膨胀管用油井管。
这样的钢管的造管方法并没有必要进行特别的规定，无论是无缝钢管还是焊接钢管都是可以的，但特别优选的是偏厚程度优良的电焊钢管。
其次，就化学成分的限定理由进行说明。化学成分范围基本上限定为：在上述的制造条件下，油井用钢管是所要求的屈服强度为482～689MPa、且厚度为7～15mm的高强度钢，而且钢管的扩管性优良，扩管后的韧性也优良。此外，油井中的温度由于在0℃以上，所以要考虑在0℃下的韧性。
C提高淬透性，是提高钢的强度所必须的元素，为得到目标的强度，所必须的下限为0.03％。但是，如果C量过多，则由于扩管后的韧性降低，所以将其上限设定为0.14％。
Si是为了脱氧和提高强度而添加的元素，但是，如果添加较多，则使低温韧性显著劣化，所以将其上限设定为0.8％。钢的脱氧无论是Al还是Ti，都是可以充分进行的，未必须要添加Si。因此，下限没有限定，但通常作为杂质含有0.1％以上。
Mn在提高淬透性、和确保高强度方面是不可缺少的元素。其下限为0.3％。但是，当Mn过多时，则马氏体大量地生成而使强度过高，所以将上限设定为2.5％。
再者，在本发明钢中，作为必须的元素还含有B和Ti。
B提高低C钢的淬透性，是通过淬火而得到马氏体组织的必须元素。在0.0005％以下时，淬透性的提高效果并不充分，而含量超过0.003％时，则由于在晶界析出而使韧性降低，所以设定为0.0005～0.003％。但是，为了使B有助于淬透性的提高，必须防止BN的生成，为此需要以TiN的形式将N固定。即使在N较低的情况下，Ti最低也必要添加0.005％，另一方面，如果大量添加而使其超过0.03％，则由于析出粗大的TiN和TiC而使韧性降低。再者，为了以TiN的形式将N固定，优选满足Ti≥3.4N。
Al通常是作为脱氧材料而在钢中含有的元素，对组织的微细化也有效。但是，如果Al量超过0.1％，则由于Al系非金属夹杂物增加而损害钢的纯度，所以将上限设定为0.1％。但是，脱氧用Ti或Si也是可以的，未必须要添加Al。因此，下限没有限定，但通常作为杂质含有0.001％以上。
N形成TiN，抑制钢坯再加热时的奥氏体晶粒的粗大化，从而提高母材的低温韧性。为此，必须的最小量为0.001％。但是，如果N量过多，则由于TiN粗大化，将产生表面瑕疵、韧性劣化等弊病，所以其上限必须抑制在0.01％。
再者，在本发明中，将作为杂质元素的P、S量分别设定为0.03％、0.01％以下。其主要原因在于更进一步提高母材的低温韧性，特别是改善焊接区的韧性。P量的降低在减轻连续铸造钢坯的中心偏析的同时，还防止晶界的破坏，从而使低温韧性得以提高。另外，S量的降低具有降低因热轧而延伸的MnS、从而提高延展性和韧性的效果。特别地，如果将S量降低到0.003％以下，则韧性变得最好。两者都是越少越优选，但必须根据特性和成本的平衡来决定。
其次，就添加Nb、Ni、Mo、Cr、Cu、V的目的进行说明。添加这些元素的主要目的在于：不损害本发明钢的优良特征而谋求强度、韧性的进一步提高和能够制造的钢材尺寸的扩大。
Nb所具有的效果是：与B共存而提高B的淬透性增加效果。进而抑制淬火时晶粒的粗大化，从而使韧性得以提高。在低于0.01％时，其效果并不充分，当过量地添加而超过0.3％时，则回火时NbC大量析出，反而使韧性降低，所以将其设定为0.01～0.3％。
添加Ni的目的在于提高淬透性。Ni与Mn、Cr、或Mo的添加相比较，低温韧性的劣化较少。这样的效果在Ni小于0.1％时并不充分。另一方面，当添加量过多时，则回火中容易产生逆相变，所以将其上限设定为1.0％。
Mo是为提高钢的淬透性、从而获得高强度而添加的。另外，Mo与Nb共存，在控制轧制时抑制奥氏体的再结晶、以及使淬火前的奥氏体组织微细化方面也是有效的。该效果在Mo小于0.05％时并不充分。另一方面，过量地添加Mo将大量生成马氏体，以致使强度过高，所以将其上限设定为0.6％。
Cr使母材、焊接区的强度增加，但是，该效果在Cr小于0.1％时并不充分，所以将其设定为下限。另一方面，当Cr量过多时，则回火时在晶界生成粗大的炭化物而使韧性降低，所以上限设定为1.0％。
添加Cu的目的在于提高淬透性。这样的效果在Cu小于0.1％时并不充分。另一方面，当添加量过多而超过1.0％时，则在热轧时容易产生瑕疵，所以设定为0.1～1.0％。
V具有与Nb大致同样的效果，但其效果比Nb弱，在添加量小于0.01％时，不能获得充分的效果。另一方面，当添加量过多时，则低温韧性发生劣化，所以将上限设定为0.3％。
其次，就添加Ca、REM的目的进行说明。Ca及REM用于控制硫化物(MnS等)的形态，从而提高低温韧性。该效果在Ca小于0.001％、REM小于0.002％时并不充分。另一方面，如果添加的Ca量超过0.01％、REM超过0.02％，则CaO-CaS或者REM-CaS大量地生成而成为大型聚集群和大型夹杂物，以致损害钢的纯度。为此，Ca添加量的上限限制为0.01％，或REM添加量的上限限制为0.02％。此外，Ca添加量的优选上限为0.006％。
再者，为确保充分的淬透性，防止淬火时铁素体的生成，从而提高扩管特性，A＝2.7C+0.4Si+Mn+0.45Ni+0.45Cu+0.8Cr+2Mo的A必须满足1.8以上。为参考起见，在不添加B的钢中，A的计算公式成为A＝2.7C+0.4Si+Mn+0.45Ni+0.45Cu+0.8Cr+Mo-1，为使A值为1.8以上，所需要的合金添加量增多，因而是不现实的。
再者，在表示A值的式中，C、Si、Mn、Ni、Cu、Cr、Mo为各元素的含量〔质量％〕。另外，当求算A值时，在选择含有的Ni、Cu、Cr、Mo的含量处于杂质水平的情况下，具体地说，在Ni、Cr、Cu的含量低于0.05％、Mo的含量低于0.02％的情况下，这些含量以0〔质量％〕进行计算。
其次，就化学成分以外的制造条件进行说明。
本发明将钢管的组织限定为低C的回火马氏体。这是本发明的最本质的方面，成为回火马氏体是被扩管的膨胀管用油井管的必要条件。也就是说，考虑到所希望的强度和韧性，有必要设定为以马氏体和贝氏体为主体的组织，但是，如果淬透性不够充分，从而在马氏体组织中部分地生成铁素体，则扩管时在柔软的铁素体部使应变集中，从而在较小的扩管率下便发生龟裂。另外，在贝氏体组织中成为混合组织，要得到均匀组织是很困难的。在此情况下，由于在比较柔软的部分使应变集中，所以也会在较低的扩管率下产生龟裂。另一方面，在通过淬火而得到均匀的马氏体后，为进行强度调整而回火的组织由于均匀性非常高，所以即使在高扩管率下也不会发生龟裂。为了获得马氏体，必须在奥氏体单相区域加热并进行急冷(淬火)。如果将加热温度设定为Ac3点，则成为奥氏体区域，但是，为充分获得B的淬透性提高效果，必须加热到Ac3点+30℃以上。在此，所谓急冷(淬火)，设想是在壁厚方向的整个位置进行大约为20℃/秒以上的冷却。被淬火的钢管为进行强度调整而回火。当回火温度低于350℃时，则组织不稳定，当超过720℃时，则生成奥氏体，所以回火温度设定为350～720℃。
为在高扩管率下不产生开裂，对扩管性而言，作为均匀组织的回火马氏体是优良的，但是，如果存在壁厚较薄的部分，则应变往往集中在该部分上，将会发生开裂而使扩管率降低。最薄壁厚部的壁厚当为平均壁厚的95％以上、优选为97％以上时，则对扩管性施加的影响非常小。为满足这些条件，优选的是通过冷加工成形而制作热线圈，从而壁厚变动较小的电焊钢管。此外，电焊钢管的焊接区及其附近在管子制造焊接时多少会使壁厚增加。因此，平均壁厚的测量优选避开以焊接区为中心的50mm的范围。
这样制作的钢管插入油井中，然后例如插入外径比钢管的内径还大的圆锥型塞柱，使其在钢管内从钢管的下部到上部移动，由此进行10～30％的扩管而使用。在此情况下，扩管率是将油井管的内径在扩管前后之差除以扩管前的内径，并用百分率来表示的。
实施例
用转炉冶炼含有表1所示的化学成分的钢，制作外径为193.7mm、壁厚为12.7mm的电焊钢管和无缝钢管。此外，在表1中，空白栏意味着成分元素的含量低于检测极限。对于这些钢管，按表2的条件实施了热处理。另外，对于这些钢管的壁厚，使其避开以焊接区为中心的50mm的范围，在圆周方向每隔10度，用超音波壁厚仪测量了36处的壁厚。求出这36处的壁厚的单纯平均值(称为平均壁厚)和最小值。最小壁厚率是将壁厚的最小值除以平均壁厚，并用百分率来求出的。
其后，在钢管内插入所具有的最大直径比内径大20％的圆锥型塞柱，将扩管率设定为20％而进行扩管，从而制作出内径为201.96mm的钢管。在插入塞柱时，为防止与钢管内表面的烧接，在塞柱表面涂布了含有二硫化钼的喷射式润滑材料。扩管后，详细观察钢管的表面而检查开裂的有无。
使用这样制作的钢管，为进行韧性评价而实施了夏比(Charpy)冲击试验。夏比冲击试验是根据JIS Z 2242，使用V型缺口试验片在0℃进行。
结果如表2所示。本发明的钢管均呈现出回火马氏体组织，不会发生扩管开裂，扩管后的韧性也高达140J以上。另一方面，No.11由于淬火温度低，其组织没有成为马氏体，而为贝氏体，因此发生了扩管开裂，而且扩管后韧性也低。No.12由于钢成分中的C较高，所以扩管后韧性较低。No.13因为没有添加B，所以成为铁素体和贝氏体的混合组织，因而发生扩管开裂，而且扩管后韧性也低。
再者，为评价扩管性能实施了缓冲加宽试验(flare test)。缓冲加宽试验是将顶角为60°的冲头挤进钢管，直到发生开裂为止，在开裂发生时，停止冲头的挤入。在此情况下，扩管率是将开裂发生时钢管的内径与试验前钢管的内径之差除以试验前的钢管的内径，并用百分率来表示。将扩管率设定为20％而进行扩管时，发生了开裂的比较例的缓冲加宽扩管率也低。另外，在成功地进行了扩管率为20％的扩管的钢管之中，No.7的无缝钢管由于其最小壁厚比低，所以缓冲加宽试验的扩管率稍微降低。
根据本发明，可以提供一种在油井管内扩管后，韧性优良的膨胀管用油井管。

Claims (10)

1.一种扩管后的韧性优良的膨胀管用油井管，其特征在于：以质量％计，含有
C：0.08～0.14％、
Si：0.8％以下、
Mn：0.3～2.5％、
P：0.03％以下、
S：0.01％以下、
Ti：0.005～0.03％、
Al：0.1％以下、
N：0.001～0.01％以下、
B：0.0005～0.003％，
还含有Mo：0.05～0.6％、Cr：0.1～1.0％、Ca：0.001～0.01％中的1种以上，
余量由铁和不可避免的杂质构成，用下式(1)表示的A值为1.8以上，并且由回火马氏体组织构成；
A＝2.7C+0.4Si+Mn+0.45Ni+0.45Cu+0.8Cr+2Mo  (1)
其中，C、Si、Mn、Ni、Cu、Cr、Mo分别为各元素以质量％计的含量。
2.根据权利要求1所述的扩管后的韧性优良的膨胀管用油井管，其特征在于：以质量％计，进一步含有
Nb：0.01～0.3％、
Ni：0.1～1.0％、
Cu：0.1～1.0％、
V：0.01～0.3％
之中的1种或2种以上。
3.根据权利要求1或2所述的扩管后的韧性优良的膨胀管用油井管，其特征在于：以质量％计，进一步含有REM：0.002～0.02％。
4.根据权利要求1～3的任一项所述的扩管后的韧性优良的膨胀管用油井管，其特征在于：所述膨胀管用油井管所含有的S量为0.003质量％以下。
5.根据权利要求1～4的任一项所述的扩管后的韧性优良的膨胀管用油井管，其特征在于：所述膨胀管用油井管是对电焊钢管进行淬火和回火而制造的。
6.根据权利要求1～5的任一项所述的扩管后的韧性优良的膨胀管用油井管，其特征在于：所述膨胀管用油井管的壁厚的最小值为平均壁厚的95％以上。
7.一种扩管后的韧性优良的膨胀管用油井管的制造方法，其特征在于：对于以质量％计含有
C：0.08～0.14％、
Si：0.8％以下、
Mn：0.3～2.5％、
P：0.03％以下、
S：0.01％以下、
Ti：0.005～0.03％、
Al：0.1％以下、
N：0.001～0.01％以下、
B：0.0005～0.003％，
还含有Mo：0.05～0.6％、Cr：0.1～1.0％、Ca：0.001～0.01％中的1种以上，
余量由铁和不可避免的杂质构成，且用下式(1)表示的A值为1.8以上的钢制管坯，将其从Ac3点+30℃以上的温度区域淬火，并在350～720℃进行回火，由此设计为回火马氏体组织；
A＝2.7C+0.4Si+Mn+0.45Ni+0.45Cu+0.8Cr+2Mo    (1)
其中，C、Si、Mn、Ni、Cu、Cr、Mo分别为各元素以质量％计的含量。
8.根据权利要求7所述的扩管后的韧性优良的膨胀管用油井管的制造方法，其特征在于：所述钢制管坯以质量％计，进一步含有
Nb：0.01～0.3％、
Ni：0.1～1.0％、
Cu：0.1～1.0％、
V：0.01～0.3％
之中的1种或2种以上。
9.根据权利要求7或8所述的扩管后的韧性优良的膨胀管用油井管的制造方法，其特征在于：所述钢制管坯以质量％计，进一步含有REM：0.002～0.02％。
10.根据权利要求7～9的任一项所述的扩管后的韧性优良的膨胀管用油井管的制造方法，其特征在于：所述钢制管坯为电焊钢管。
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