CN102560259A

CN102560259A - 一种低成本大膨胀率膨胀管用twip钢及钢管制备方法

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Publication number: CN102560259A
Application number: CN2012100126369A
Authority: CN
Inventors: 李春福; 宋开红; 何继宁; 王绍先; 江屏; 申文竹; 杨阳; 袁静
Original assignee: Southwest Petroleum University
Current assignee: Southwest Petroleum University
Priority date: 2012-01-16
Filing date: 2012-01-16
Publication date: 2012-07-11
Anticipated expiration: 2032-01-16
Also published as: CN102560259B

Abstract

本发明涉及一种低成本大膨胀率膨胀管用TWIP钢及钢管制备方法，其化学成分的质量百分数为：C：0.30～0.65%，Mn：15～30%，Cr：0.10～1.0%，Al：0.01～0.20%，Si：0.10～1.0%，Re：0.030~0.30%，S≤0.002%，P≤0.005%，其余为铁。本发明通过合金层错能指导下的成分设计，真空冶炼，稀土铝铁合金脱氧，添加适量Cr、Si元素和微量的稀土元素，获得了具有低的硫、磷含量和一定的晶粒尺度，基体为奥氏体、具有孪生诱发塑性效应的大膨胀率膨胀管用钢，并通过热挤压制成大膨胀率大尺寸可膨胀套管。

Description

一种低成本大膨胀率膨胀管用TWIP钢及钢管制备方法

技术领域

本发明属于金属材料和石油天然气工业领域，涉及到含有C、Mn及合金化元素Cr、Si和Re的TWIP钢，本钢材适用于制作大膨胀率可膨胀管。

背景技术

可膨胀管技术(马洪涛.国外膨胀管技术的发展与应用[J].国外油田工程，2006，2(22)：20-24)是在井下利用机械或液压的方法，通过膨胀锥由上到下或由下往上运动，使套管钢材发生永久塑性变形，使膨胀后的套管达到贴紧井壁的目的。其是近几年发展起来的针对石油天然气工业中的钻井、完井和修井的先进工艺技术，也有人将其称为21世纪地学领域中的登月技术，认为可膨胀管技术是21世纪石油天然气工业中的关键性技术之一。对于可膨胀管技术而言，最富有革命性和挑战性的是单一井径钻井技术。单一井径钻井技术是利用相同的钻柱结构形成相同井径的井眼，逐级下入膨胀管膨胀到设计尺寸，实现油气井全井一套管柱，井眼尺寸相同，且不改变后续施工工艺的一项新技术。等井径钻井技术通过膨胀锥的膨胀使管材发生塑性形变(膨胀率大于30％)，实现全井井眼尺寸相同，从而获得最大通径，节省完井固井费用、为后续试油、增产措施实施和修井作业等提供足够的井眼通径。等井径井技术是膨胀管技术的顶端精髓技术。由于钻井装备提供的膨胀动力限制，作为等井径钻井技术的膨胀管材必须具有较低的屈服强度、较高的抗拉强度、较低的屈强比和很高塑性延伸率，以及高的加工硬化率；使得膨胀后的钢管的强度应该不低于API5CT中的J55、N80或P110套管管材的水平。因此，大膨胀率大尺寸的单一井径井技术用的可膨胀管就成了必须解决的问题。

但是，目前使用的可膨胀钢管，包括现有的API套管钢管中选择使用的K55、J55、L80套管以及Shell开发的LSX-80可膨胀套管，甚至包括我国近年开发的不锈双相钢和TRIP钢可膨胀管套管(徐瑞萍.可膨胀管材料的研究与开发[D].天津大学硕士学位论文，2006，2)，在保证强度的同时，往往屈服强度较高、膨胀率不足25％；高于此膨胀率的大尺寸膨胀套管材料的选择问题一直没有得到很好地解决。

大膨胀率可膨胀管的制备涉及材料选择、金属加工、机械设计等多个领域。其中最重要的是可膨胀管材料的选择与开发(徐瑞萍.可膨胀管材料的研究与开发[D].天津大学硕士学位论文，2006，2；张恒.实体管井下温变形膨胀的物理冶金问题及有限元分析[D].西南石油大学博士学位论文，2010，6)。为了表达可膨胀套管材料的综合性能，通常利用“强塑积”概念作为可膨胀管材料选用设计开发准则，“强塑积”用字母k表示，等于材料在正常状态下的拉伸强度Rm和断后伸长率A的乘积，即：

k＝Rm·A (1)

式中Rm的单位为MPa，A的单位为％，则强塑积k的单位就是MPa％。并提出k＝30000MPa％作为可膨胀管材料开发选择的判据。

目前，处于高强度钢前沿的强塑性性能较好的钢种有双相钢、相变诱发塑性钢和孪生诱发塑性钢等。其中强塑性性能配合最好的钢种是孪生诱发塑性钢(TWIP)。在孪生诱发塑性钢中，常规的TWIP钢0.2C-25Mn-3Al-3Si(Grassel O，Kruger L，Frommeyer G，at el.High strengthFe-Mn-(Al-Si)TRIP/TWIP steels development-properties-application[J].International Journal ofPlasticity，2000.16：1391-1409)由于合金中含有较高的Al元素，使得合金的冶炼浇铸困难；含有较高Cr(5-10％)、Ni(0.5-3％)元素抗酸性腐蚀的可膨胀管用TWIP钢(宋开红.单一井径井大膨胀率膨胀套管用TWIP钢研究[D].西南石油大学博士学位论文，2011，6)，由于合金元素Cr、Ni含量较高，价格较贵，对于一般非酸性腐蚀环境，显然并不合适。而第二类TWIP钢(黎倩等.汽车用TWIP钢的探索研究[J].金属热处理，2008，5(33)：1-4；李大赵等.汽车用TWIP钢的基础研究现状[J].钢铁研究学报，2009，2(21)：1-5)，合金中仅含有碳锰强化元素，成本较低，钢材的强度和塑性都很好，因此这类TWIP钢是一般非严重酸性腐蚀环境可膨胀管用钢的恰当选择。但常规的第二类TWIP钢Fe-0.6C-23Mn(Scott C，A llain S，FaralM，et al.Thedevelopm ent of a new Fe-Mn-Causten itic steel for autom otive app licat ion s[J].LaRevu e deM etallurgie-C IT，2006，(6)：293-302)，合金由于含碳量较高，钢材的屈服强度较高(450Mpa)，膨胀所需的动力较大，因此对于制备大膨胀率大尺寸的单一井径井技术可膨胀管显然也不恰当。

已有的研究已经证明，合适的奥氏体层错能范围是TWIP钢的一个重要特性。层错能是金属合金的一个重要物理特性，直接影响材料的力学性能、相稳定性等。TWIP效应的产生与奥氏体的层错能有重要关系。Grassel(Grassel O，Kruger L，Fromm eyer G.H igh strength Fe-Mn-(Al Si)TRIP/TW IP steels developm entproperties-application[J].Int J.Plasticity.2000，16：1391-1409)等发现，当γ_fcc→α、γ_fcc→α→ε_M，hcp马氏体转变吉布斯自由能ΔG≤-220J/mol，且层错能≤16mJ/m²时，在应力作用下奥氏体发生TRIP效应，在高应变区会产生应变诱发马氏体相变，延迟钢的缩颈，从而提高了钢的塑性。而当γ_fcc→ε_M，hcp马氏体转变吉布斯自由能为正值且大约在110～250J/mol之间，层错能大约为25mJ/m²时，在应力作用下发生TWIP效应，通过形变孪晶的形成来延迟钢的缩颈。由于奥氏体本身塑性良好，大量机械孪晶的形成又产生了一定量的塑性变形，因此TWIP钢具有极好的塑性。过低的层错能(＜20mJ/m²)，就可能诱发马氏体相变；而过高的层错能(＞40mJ/m²)，也不利于孪晶的形成。金属合金的层错的高低与合金元素的种类密切相关，一般说来，Mn、Al元素属于提高合金层错能的元素，Si、Cr元素属于降低合金层错能的元素(陆惠菊，朱娜琼，何燕霖，李麟.18Mn-Si系TWIP钢层错能的计算与实验[J]材料热处理学报，32(2011)，12：155-158)，由于在合金中加入一定的Si含量，和降低的Mn含量，使得0.6C-18Mn-Si钢，在不同应变量的形变过程中，产生TRIP效应，形成TWIP/TRIP钢。虽然这种具有TWIP/TRIP效应的钢的屈服强度只有不足200MPa，抗拉强度可达到1000MPa以上，延伸率可达到50％，但是由于TRIP效应，使得形变后期膨胀力增大，因此也是不恰当的。

由于单一井径井技术的大尺寸、低屈服强度和大膨胀率的要求，应该尽量的保证膨胀过程套管的形变全部在奥氏体区内完成。因此，对于低成本的TWIP钢，采用具有较低的含碳量，恰当的含Mn量和加入降低层错能的元素，达到设计出具有恰当的层错能、保证钢材形变出现TWIP效应、具有较低屈服强度的良好的塑性低成本的TWIP钢是大膨胀率单一井径井用大尺寸膨胀管用钢的一个恰当的选择。钢成分设计要求是加工处理后为单一的奥氏体组织，且其在形变过程中诱发孪晶，抑制马氏体相变。目前TWIP钢的成分设计通常是采用基于层错能的计算的合金成分设计。

在钢的合金元素中，铬元素是对提高钢材的抗腐蚀性能最为有效的合金元素，少量的铬元素(1-5％)会大幅度的提高油套管钢的抗腐蚀性能，稀土在钢中的作用被归纳为净化作用、变质作用和合金化作用等三个方面。稀土在TWIP钢中主要起净化作用，降低钢的S、P含量，提高钢材的洁净程度(王龙妹等.微量稀土元素在钢中的作用机理与应用研究[J].稀土，2003，5(24)：1-3；姜茂发等.钢中稀土与铌、钒、钛等微合金元素的相互作用[J].稀土，2001，4(22)：37-40)。

由于单一井径井大尺寸大膨胀率膨胀管用钢在膨胀过程中，要求钢管的壁厚均匀、椭圆度小，因此，采用目前热轧无缝钢管制备技术，按照目前API标准的规定均不能满足膨胀管技术很难达到要求，因此本发明采用先进金属加工技术，热挤压技术制备单一井径井大尺寸大膨胀率膨胀套管。

发明内容

本发明的目的在于提供一种低成本大膨胀率膨胀管用TWIP钢，具有较低的含碳量以及恰当的含Mn量，增加了少量的Cr和Si元素，降低合金的层错能，改善了TWIP钢的抗腐蚀性能，并且添加了稀土元素的净化处理，使得本发明钢具有良好的综合机械性能、较好的加工性能和较好的抗腐蚀性能。

本发明的另一目的还在于提供该大膨胀率膨胀管用TWIP钢的钢管制备方法，该方法原理可靠，操作简便，实用性强，可广泛应用于可膨胀管技术中。

为了实现上述技术目的，本发明提供以下技术方案。

通过合金成分的层错能设计，电炉冶炼、稀土铝铁合金脱氧，控制浇铸，开坯后直接热挤、热轧或与固溶后冷轧结合退火热处理，获得具有纯净度高的、抗拉强度为700～1100MPa、屈服强度为300～550MPa、延伸率为40～85％、强塑积≥40000MPa％、加工硬化指数为0.35～0.6的，低成本、具有良好膨胀性能、孪生诱发塑性的大膨胀率膨胀套管和膨胀筛管用钢。并通过热挤压这种先进的金属加工技术制成无缝钢管，最终经过950～1050℃淬火水冷得到基体为90％以上的奥氏体的膨胀套管。

本发明的低成本大膨胀率膨胀管用TWIP钢，其化学成分按质量百分数为：C：0.30～0.65％，Mn：15～30％，Cr：0.10～1.0％，Al：0.01～2.0％，Si：0.10～1.0％，Re：0.030～0.30％，S≤0.002％，P≤0.005％，其余为铁。

本发明中，加入15～30％的Mn是为提高奥氏体的稳定性，0.30～0.65％的C含量是为了配合一定的Mn含量以保证钢材获得稳定的室温奥氏体组织，同时也可以增加钢材的固溶强化效果，保证钢材的强度；少量的Cr元素加入是为了改善钢材的抗腐蚀性能。

本发明中，加入少量的合金元素Cr、Si中的一种或二种，是为了改善钢材的抗油气田腐蚀的性能和调整合金的层错能，以保证通过C和Mn的配合，使得本发明合金可以保证在室温条件下和形变过程中呈现稳定的奥氏体组织。

本发明中，加入0.03～0.30％的Re元素，利用的是稀土在钢中的深度净化钢液作用、有效变质、强效合金化，可深度降低该钢中氧和硫的含量，降低磷、硫、氢等低熔点元素的有害作用，包括改善这些元素在晶界上的偏聚程度，提高钢的韧性。微量稀土元素还可起到细化晶粒组织、改善夹杂物分布、固溶强化和净化钢液的作用。

由于本发明在钢中采用较低的碳含量，添加适量的扩大γ相区的Mn和Si合金元素，添加少量的Cr元素提高合金的抗腐蚀性能，添加微量的稀土元素净化钢材，提高钢材的洁净度。与已有的其它膨胀管用钢的专利相比较(CN101065503A、CN101580916A、CN101660086A、US20090308499)，本发明钢材的强度等级已经超过第二类TWIP钢的高强度的水准，钢中碳的含量低于第二类的TWIP钢，本发明钢材的基体组织为奥氏体，奥氏体含量大于或等于90％，其抗拉强度为700～1100MPa，屈服强度为300～550MPa，延伸率为40～85％，加工硬化指数高达0.35～0.6，适用于制备大膨胀率的膨胀管。

该大膨胀率膨胀管用TWIP钢的钢管制备方法，依次包括以下步骤：

1)以工业纯铁和铁合金为原料，采用真空冶炼、稀土铝铁合金脱氧，出钢温度1500～1600℃，浇铸温度1450～1550℃，获得具有大量等轴晶组织的钢锭；

2)将钢锭经过1100～1150℃、48h扩散退火后开坯；

3)热挤压温度范围为1250-1100℃，制成规定尺寸的无缝管材，热挤后空冷；

4)经热挤压的无缝钢管最终采用950～1050℃淬火水冷至室温，以保证其基体组织为奥氏体含量大于或等于90％。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

1)本发明通过适当降低第二类TWIP钢中的C含量和一定的Mn含量相配合，微合金化元素V、Nb、Ti的单一或复合加入，以及添加微量Re的合金设计，采用工业纯铁和锰铁等铁合金为原料，经过真空冶炼、稀土铝铁合金脱氧，获得存在含有微合金化元素和稀土元素的纯净钢液，改善了钢液的流动性和润湿性及杂质存在形态；

2)本发明通过对TWIP合金成分的层错能设计，适量的C、Mn配合和微合金化元素的添加，以及热挤压后最终在950～1050℃的淬火水冷，获得具有大于或等于90％的稳定的奥氏体组织，这有利于在随后的膨胀形变过程中钢管大膨胀率的发生；

3)本发明在保证钢材强度的前提下，钢的S、P含量进一步降低、洁净度进一步提高，这有利于合金韧性和初始形变时的应变速率n值的提高，具有满足油气田开发条件下套管的膨胀性能要求；

4)经过热挤压，以及950～1050℃的淬火后制成的不同规格的可膨胀套管，其抗拉强度为700～1100MPa，屈服强度为300～550MPa，断后延伸率为40～85％，、加工硬化指数高达0.35～0.6，膨胀率大于30％以上。

附图说明

图1是实例1钢材的拉伸曲线

图2是实例1钢材的真应力真应变曲线

图3是实例1钢材进行1050℃水冷+300℃回火处理后XRD测试结果

图4是实例1钢材进行1050℃水冷+300℃回火处理后光学显微镜照片

图5是实例1钢材进行1050℃水冷+300℃回火处理后SEM照片

图6是实例1钢材进行1050℃水冷+300℃回火形变30％后光学显微镜照片

图7是实例1钢材进行1050℃水冷+300℃回火形变30％后SEM照片。

具体实施方式

实施例1

大膨胀率膨胀管用TWIP钢，其化学成分按质量百分数为：C含量0.32％、Mn含量18.84％、Cr含量为0.87％、Al含量为0.016％、Si含量为0.53％、Re含量为0.032％、P含量为0.0039％、S含量为0.0018％，其余为铁。

钢材经电炉冶炼、稀土铝铁合金脱氧，1500～1600℃出钢、1450～1550℃浇铸，开坯后于1250～1100℃热挤压成无缝钢管，或经过1250～850℃热轧成无缝钢管后空冷，或经过热轧、冷轧成一定厚度的钢板再经过高频直缝焊技术制成焊缝管，最后进行950～1050℃淬火水冷制成一定规格的可膨胀套管。力学性能测试结果为：抗拉强度R_m：968.4MPa，屈服强度R_P0.2：316MPa，断后延伸率A：59.5％，强塑积k：57620MPa％。

图1为本发明实施范例1的钢材经过热挤压空冷后进行1050℃水冷淬火，在经300℃回火处理后钢材的拉伸曲线，图2为与图1对应的真应力真应变曲线以及不同塑形区域的加工硬化指数n的计算结果。由上述两图可以看出实例1钢具有较低的屈服强度和很高的抗拉强度，及高的加工硬化率。由于加工硬化指数n等于(或近似等于)单向拉伸时材料最大均匀伸长应变的大小(细颈点应变)。应变分布不均是金属材料成形中的一个重要特点，n值的大小实际上反映了材料的应变均化能力，加工硬化指数n值对材料成形极限曲线具有明显的影响，n值大，材料的成形极限曲线高；材料的拉胀性能就愈好。

图3为本发明实施范例1的钢经过热挤压空冷后进行1050℃水冷淬火，在经300℃回火处理后XRD测试结果，由XRD的测试结果可以看出其基体组织是由奥氏体构成。

由图4和图5可以看出实例1钢经过固溶处理后基体为奥氏体组织，晶体的晶粒度为5级，晶粒内部含有大量退火孪晶。

图6和图7为形变30％后的钢材的组织照片，图6为光学显微镜观察的结果，图7为电子显微镜观察结果。由图6和图7可以看出拉伸变形后，晶体内部产生大量的二次以上的高次孪晶，造成晶粒碎化，这是该钢材具有很高的断后延伸率的原因。

实施例2

大膨胀率膨胀管用TWIP钢，其化学成分按质量百分数为：C含量0.45％、Mn含量20.06％、Cr含量为0.74％、Al含量0.018％、Si含量0.63％、Re含量为0.033％、P含量为0.0045％、S含量为0.0019％，其余为铁。

钢材经电炉冶炼、稀土铝铁合金脱氧，1500～1600℃出钢、1450～1550℃浇铸，开坯后于1250～1150℃热挤压成无缝钢管，最后进行950～1050℃淬火水冷制成一定规格的可膨胀套管。力学性能测试结果为：抗拉强度R_m：878MPa，屈服强度R_P0.2：325MPa，断后延伸率A：66.58％，强塑积k：58457MPa％。

实施例3

大膨胀率膨胀管用TWIP钢，其化学成分按质量百分数为：C含量0.335％、Mn含量19.44％、Cr含量为0.42％、Al含量0.015％、Si含量为0.69％、Re含量为0.031％、P含量为0.0049％、S含量为0.0018％，其余为铁。

钢材经电炉冶炼、稀土铝铁合金脱氧，1500～1600℃出钢、1450～1550℃浇铸，开坯后于1250～1150℃热挤压成无缝钢管，或经过1250～850℃热轧成无缝钢管后空冷，或经过热轧、冷轧成一定厚度的钢板再经过高频直缝焊技术制成焊缝管，最后进行950～1050℃淬火水冷制成一定规格的可膨胀套管。力学性能测试结果为：抗拉强度R_m：1065.6MPa，屈服强度R_P0.2：535MPa，断后延伸率A：67％，强塑积k：71355MPa％。

实施例4

大膨胀率膨胀管用TWIP钢，其化学成分按质量百分数为：C含量0.34％、Mn含量19.4％、Cr含量为0.24％、Al含量0.012％、Si含量为0.29％、Re含量为0.031％、P含量为0.0031％、S含量为0.0018％，其余为铁。

钢材经电炉冶炼、稀土铝铁合金脱氧，1500～1600℃出钢、1450～1550℃浇铸，开坯后于1250～1150℃热挤压成无缝钢管，或经过1250～850℃热轧成无缝钢管后空冷，或经过热轧、冷轧成一定厚度的钢板再经过高频直缝焊技术制成焊缝管，最后进行950～1050℃淬火水冷制成一定规格的可膨胀套管。力学性能测试结果为：抗拉强度R_m：946MPa，屈服强度R_P0.2：333MPa，断后延伸率A：55.4％，强塑积k：52408MPa％。

Claims

1.一种低成本大膨胀率膨胀管用TWIP钢，其特征在于：其化学成分的质量百分数为：C：0.30～0.65%，Mn：15～30%，Cr：0.10～1.0%，Al：0.01～0.20%，Si：0.10～1.0%，Re：0.030~0.30%，S≤0.002%，P≤0.005%，其余为铁。

2.一种低成本大膨胀率膨胀管用TWIP钢的钢管制备方法，其特征在于：它包括以下步骤：

（1）以工业纯铁和铁合金为原料，采用真空冶炼、稀土铝铁合金脱氧，出钢温度1500～1600℃，浇铸温度1450～1550℃，获得具有大量等轴晶组织的钢锭；

（2）将钢锭经过1100～1150℃、48h扩散退火后开坯；

（3）热挤压温度为1250-1100℃，制成规定尺寸的无缝管材，热挤后空冷；

（4）经热挤压的无缝钢管采用950～1050℃淬火水冷至室温。

3.根据权利要求1、2所述的一种低成本大膨胀率膨胀管用TWIP钢及钢管制备方法，其特征在于：该膨胀管用TWIP钢的钢管基体组织为奥氏体含量大于或等于90%。