CN102465234A - 一种低合金n80钢级实体可膨胀管材料的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种低合金N80钢级实体可膨胀管材料的制备方法；以质量百分比计，C：0.15～0.32％；Si：0.1～0.5％；Mn：1.2～2.0％；Y：0.2～1％；P≤0.015％；S≤0.010％；Ca：0.003～0.005％；Al：0.01～0.02％；N：≤0.005％；或添加Cr：0.10～0.40％；Mo：0.10～0.3％；Ni：0.10～0.25％；Cu：0.10～0.2％中的一种或多种，或添加0.01～0.05％的V或0.01～0.03％的Ti合金元素，余量为Fe；经冶炼，精炼，真空脱气，Ca处理，淬火回火；总延伸率超过35％，屈服强度≥470MPa。

Description

一种低合金N80钢级实体可膨胀管材料的制备方法
技术领域
本发明涉及一种低合金N80钢级实体可膨胀管材料的制备方法，适合于制造加工油田用实体可膨胀管，且扩管后具有优良的强度与韧性。
背景技术
实体可膨胀管技术作为一种钻井、完井和修井的新技术，能够大幅度地降低钻采成本和缩短施工周期。该技术的出现从根本上改变了未来深井及复杂地质条件的钻井采油工艺，被称为是石油钻采行业的一次技术革命。
可膨胀管技术膨胀机理复杂，涉及到复杂的金属变形机理及金属力学问题，需要研究的内容非常多，但其关键技术主要包括三大方面，即可膨胀管材料的选用，套管之间的螺纹连接以及膨胀后的密封、膨胀工具及膨胀工艺等，其中可膨胀套管材料的研究是一大技术难题，它制约着可膨胀管技术的发展。
作为一种性能优良的可膨胀管材料，其应具有优良的膨胀性能且要求材料在膨胀之后仍具有良好的韧性和强度。研究表明，就膨胀管的材料本身性质而言，决定膨胀管可膨胀性能的最为主要的参数是材料的均匀延伸率，均匀延伸率越大，膨胀管的可膨胀性能越好。
发明内容
本发明的目的是提供一种实体可膨胀管材料的制备方法，通过成分设计和热处理制备工艺，使合金钢的最终组织为细小均匀的回火索氏体，材料的屈服强度达470MPa以上，均匀延伸率超过25％，延伸率超过35％。
本发明中获得了强度和韧性均优良的实体可膨胀管材料，其关键在于：
在成分设计和冶金工艺上，综合考虑材料强度、塑性、韧性的合理匹配，采用低中碳锰钢，添加Cr、Mo、Ni、Cu中的一种或几种，起到少量多元复合合金化的作用；添加V、Ti等微合金化元素以细化晶粒；采用低P、S，Al脱氧的纯净钢，采用Ca处理工艺改善钢中夹杂物形态，以提高塑韧性；添加适量的稀土元素钇，有利于提高钢的淬透性、细化晶粒组织、变质夹杂物，有利于强度和韧性的同时提高；严格控制N元素含量，改善膨胀管膨胀过程中的应变时效性能。
在热处理工艺方面，该发明把淬火温度控制在780-850℃左右，回火温度控制在700-720℃左右，采用与通常热处理偏低的淬火温度，主要是为了控制材料的晶粒尺寸细小，便于提高强度和塑韧性；同时采用与通常热处理偏高的回火温度是为了得到了在铁素体基体上弥散分布着碳化物的独特组织。这种特有的细小的回火索氏体组织，使材料具备了适当的强度和良好的塑韧性。
本发明的要点如下：
(1)为了得到一种强塑性均优良的实体可膨胀管材料，其成分特点如下：
C：0.15～0.32％；Si：0.1～0.5％；Mn：1.2～2.0％；Y：0.2～1％；P≤0.015％；S≤0.010％；Ca：0.003～0.005％；Al：0.01～0.02％；N：≤0.005％；或在此基础上添加Cr：0.10～0.40％；Mo：0.10～0.3％；Ni：0.10～0.25％；Cu：0.10～0.2％中的一种或多种，或添加0.01～0.05％的V或0.01～0.03％的Ti合金元素，余量为Fe。
(2)对技术方案(1)所提供的材料设计，经氧吹转炉冶炼，炉外精炼，真空脱气，Ca处理，使钢中P、S等杂质和H、O、N等有害气体得到有效控制。
(3)采用的热处理工艺为790℃～840℃淬火和700℃～720℃回火，保温时间为2～3h。可以得到强塑性均优良的可膨胀管材料。其热处理后的组织为细小均匀的回火索氏体，平均晶粒尺寸不大于15μm。材料的屈服强度达470MPa以上，均匀延伸率超过25％，总延伸率超过35％。
(4)上述材料在经过10～15％的塑性变形后仍具有良好的塑性。屈服强度达560MPa以上，均匀延伸率超过10％，总延伸率超过20％。本发明具备如下性能特点：
本发明的可膨胀管材料经过适当的制备工艺后具有优良的强塑性，均匀延伸率≥25％，总延伸率超过35％，屈服强度≥470MPa；在经过10～15％的塑性变形后屈服强度达560MPa以上，达到API 80ksi钢级水平；同时具有良好的塑性，均匀延伸率超过10％，总延伸率超过20％。
具体实施方式
实施例1
合金成分：C：0.23％；Si：0.21％；Mn：1.5％；Y：0.3％；P：0.013％；S：0.04％；V：0.03％；Ni：0.23％；Cu：0.2％；Ca：0.003％；Al：0.015％；N：0.005％；余量为Fe。
制备工艺：830℃淬火，720℃回火，保温2h。
表1实施例1的拉伸性能及组织
Figure BSA00000352211000041
实施例2
合金成分：C：0.25％；Si：0.18％；Mn：1.3％；Y：0.5％；P：0.011％；S：0.007％；Cr：0.16％；Mo：0.27％；Ti：0.03％；Ca：0.005％；Al：0.018％；N：0.004％；余量为Fe。
制备工艺：810℃淬火，710℃回火，保温2.5h。
表2实施例2的拉伸性能及组织
Figure BSA00000352211000042
实施例3
合金成分：C：0.3％；Si：0.27％；Mn：1.1％；Y：0.8％；P：0.01％；S：0.005％；Cr：0.23％；Ni：0.20％；Ti：0.02％；Ca：0.004％；Al：0.011％；N：0.003％；余量为Fe。
制备工艺：790℃淬火，710℃回火，保温3h。
表3实施例3的拉伸性能及组织
Figure BSA00000352211000051
实施例4
合金成分：C：0.20％；Si：0.32％；Mn：1.7％；Y：0.7％；P：0.009％；S：0.003％；Cr：0.14％；Mo：0.15％；V：0.05％；Ca：0.004％；Al：0.016％；N：0.004％；余量为Fe。
制备工艺：830℃淬火，720℃回火，保温2h。
表4实施例4的拉伸性能及组织
Figure BSA00000352211000052
实施例5
合金成分：C：0.17％；Si：0.27％；Mn：1.85％；Y：0.7％；P：0.012％；S：0.006％；Ni：0.18％；Cu：0.15％；Ti：0.01％；Ca：0.0035％；Al：0.019％；N：0.0045％；余量为Fe。
制备工艺：840℃淬火，720℃回火，保温2h。
表5实施例5的拉伸性能及组织
Figure BSA00000352211000061
实施例6
合金成分：C：0.15％；Si：0.35％；Mn：2.0％；Y：1.0％；P：0.010％；S：0.004％；Cr：0.10％；Ni：0.19％；V：0.04％；Ca：0.004％；Al：0.013％；N：0.0035％；余量为Fe。
制备工艺：840℃淬火，720℃回火，保温2h。
表6实施例6的拉伸性能及组织
实施例7
合金成分：C：0.20％；Si：0.21％；Mn：1.45％；Y：0.2％；P：0.014％；S：0.005％；Mo：0.15％；Ni：0.18％；Cu：0.15％；Ti：0.02％；Ca：0.005％；Al：0.012％；N：0.0043％；余量为Fe。
制备工艺：830℃淬火，720℃回火，保温2h。
表7实施例7的拉伸性能及组织
Figure BSA00000352211000071
实施例8
合金成分：C：0.23％；Si：0.28％；Mn：1.23％；Y：1.0％；P：0.008％；S：0.003％；Cr：0.13％；Mo：0.25％；V：0.01％；Ca：0.003％；Al：0.013％；N：0.0038％；余量为Fe。
制备工艺：830℃淬火，715℃回火，保温2h。
表8实施例8的拉伸性能及组织
Figure BSA00000352211000072
实施例9
合金成分：C：0.32％；Si：0.21％；Mn：1.2％；Y：0.7％；P：0.012％；S：0.009％；Mo：0.15％；Cu：0.12％；V：0.01％；Ca：0.0047％；Al：0.014％；N：0.0033％；余量为Fe。
制备工艺：790℃淬火，715℃回火，保温3h。
表9实施例9的拉伸性能及组织
Figure BSA00000352211000081
实施例10
将实施例8中材料的进行两步加载，并测量其变形行为。第一次加载到一定变形量后卸载，使残余应变为12％左右，放置1小时再进行第二次加载直至拉断，进行测量，得到二次加载试验结果。
Figure BSA00000352211000082
实施例11
将实施例6中材料的进行两步加载，并测量其变形行为。第一次加载到一定变形量后卸载，使残余应变为15％左右，放置1小时再进行第二次加载直至拉断，进行测量，得到二次加载试验结果。

Claims (1)

1.一种低合金N80钢级实体可膨胀管材料的制备方法，其特征在于：以质量百分比计，C：0.15～0.32％；Si：0.1～0.5％；Mn：1.2～2.0％；Y：0.2～1％；P≤0.015％；S≤0.010％；Ca：0.003～0.005％；Al：0.01～0.02％；N：≤0.005％；或在此基础上添加Cr：0.10～0.40％；Mo：0.10～0.3％；Ni：0.10～0.25％；Cu：0.10～0.2％中的一种或多种，或添加0.01～0.05％的V或0.01～0.03％的Ti合金元素，余量为Fe；
经氧吹转炉冶炼，炉外精炼，真空脱气，Ca处理，使钢中P、S杂质和H、O、N等有害气体得到有效控制；
采用热处理工艺为790℃～840℃淬火和700℃～720℃回火，保温时间为2～3h。
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