CN103160730A - 一种大膨胀量焊管及其制造方法 - Google Patents

Abstract

一种大膨胀量焊管及其制造方法，属于焊管钢技术领域。该焊管的化学成分质量百分数为：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%，余量为Fe及不可避免的杂质；也可以再添加：Ni：0.1wt%~0.6wt%、Cr：0.1wt%~0.6wt%、Cu：0.1wt%~0.5wt%、Nb：0.01wt%~0.1wt%、V：0.01wt%~0.1wt%、Ti：0.01wt%~0.02wt%中的一种或几种。采用转炉炼钢、控制轧制和控制冷却后，对钢带进行卷板加工，通过HFW焊接制成膨胀毛坯管，最后通热处理，使组织中得到体积分数大于5%的残余奥氏体。优点在于，保证了材料具有较高强度水平的同时，兼具较高的塑性，均匀延伸率达到20%以上。其各项力学性能指标满足API及其他相关标准要求。

Description

一种大膨胀量焊管及其制造方法

技术领域

本发明属于焊管钢技术领域，尤其涉及一种大膨胀量焊管及其制造方法。

背景技术

可膨胀管技术是降低石油开采钻井完井成本的一项新兴技术，被称为“21 世纪石油钻采行业的核心技术”之一，正在日益引起业界的广泛关注。可膨胀管是一种下井后经过机械扩张变形膨胀的新型套管，可广泛用于钻井、完井、采油、修井等作业中，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。可膨胀管技术最核心的优点在于采用该技术可以节约井眼尺寸。实际工程应用已经表明，可膨胀管技术能够大幅度地降低钻采成本和缩短施工周期。

可膨胀管材的研究是可膨胀管技术中最为关键的一个问题，在很大程度上制约着可膨胀管技术的发展。由于膨胀管的作业环境一般在海洋和深井中，首先要求膨胀管材料具有较高的强度；同时，因为膨胀管在井下被径向膨胀的过程中要发生大的永久性的塑性均匀变形，所以，膨胀管应该具有足够的塑性变形能力。膨胀后，管材的力学性能、尺寸精度等应符合API5CT 或者有关标准的规定。在综合分析了当前国内的膨胀管技术之后，不难发现，当今的膨胀管材料研究存在以下技术问题：

一是管材用料的合金成分较高，贵金属及稀有金属用量较多，直接导致了管材用钢的碳当量偏高，不利于管材的焊接。例如，如中国专利CN1594631A 公开了一种石油油井用膨胀合金材料，该合金材料中使用了我国稀缺的Cr、Ni、Zr 等金属，并在材料中添加了0.1wt% 的战略性金属——稀土；中国专利CN1011144376A 中公开的一种连续膨胀管中，其合金材料中也同样使用了我国稀缺的Cr、Mo、Ni、和Cu等稀有金属；中国专利CN 102534369 A 中公开了一种石油天然气开采用N80钢级膨胀管用材料中，加入了Nb等较贵重的微合金元素Nb；中国专利CN 102517511 A 中公开的高膨胀率石油套管用钢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。贵金属及稀有金属的使用，从原材料上提高了膨胀管的生产成本，不利于该项技术的推广。同时，由于这些专利中所涉及材料的合金成分复杂，合金元素的含量较高，在无形中提高了该材料的碳当量，对管材的焊接也会造成不良影响。

其次，制造工艺复杂，工艺成本高。例如，中国专利CN 102534369A 中公开的一种石油天然气开采用N80钢级膨胀管的制备方法中，要经过两次两相区淬火+回火的工艺才能得到理想的强韧性匹配，繁杂的热处理工艺不利于大规模工业化生产，提高了工艺成本，降低了生产效率。

本发明中使用的是一种可以不添加其他任何合金元素的低碳、锰钢材料，经过一次退火处理后即能满足大膨胀量钢管的强塑性要求，大大降低了生产制造成本。

发明内容

本发明的目的在于提供一种大膨胀量焊管及其制造方法，具有高扩径能力及低生产成本的铁基石油膨胀焊管，通过合理的成分设计获得低成本的大膨胀量石油焊管用钢，并结合合理的钢板制造工艺和钢管热处理工艺使得膨胀管管材达到预期的强度和塑性标准，保证管材膨胀前后的力学性能均能满足API 及其它有关标准要求。

本发明的大膨胀量焊管的化学成分（按重量百分比）为：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%，余量为Fe及不可避免的杂质；也可以在此基础之上添加一种或几种其他化学元素：Ni：0.1wt%~0.6wt%、Cr：0.1wt%~0.6wt%、Cu：0.1wt%~0.5wt%、Nb：0.01wt%~0.1wt%、V：0.01wt%~0.1wt%、Ti：0.01wt%~0.02wt%。

所述的大膨胀量焊管材料的显微组织为：回火马氏体（或回火贝氏体）+铁素体+残余奥氏体，残余奥氏体体积分数≥5%。

所述的大膨胀量焊管材料热处理后力学性能指标为：屈服强度400~700MPa，抗拉强度500~900MPa，延伸率30%~60%,均匀延伸率>20%，加工硬化指数0.15~0.3。

本发明的制造方法的工艺步骤为：

（1）钢的冶炼及凝固：适用于转炉、电炉或感应炉冶炼，采用连铸生产铸坯或模铸生产铸锭。

（2）控制轧制：铸坯加热到1100~1250℃，保温2小时~10小时， 开轧温度1200℃~1000℃，终轧温度800~950℃.

（3）控制冷却：根据具体的性能要求，可分别采用空冷或加速冷却的冷却方法，分别得到粒状贝氏体和“马氏体+贝氏体”组织。

（4）ERW制管：卷板加工后采用HFW焊接成型，并对焊接过程中焊管的内、外焊缝毛刺处进行砂轮打磨，清除毛刺。

（5）热处理：采用电阻炉将毛坯管加热到两相区（Ac1以上0℃~40℃范围），使之部分奥氏体化，保温2~15小时，使C、Mn等合金元素充分配分，然后随炉冷却或者空冷到室温，得到大量富碳的残余奥氏体。

本发明各主要化学成分的作用如下：

C:钢中的碳对最终逆转变奥氏体、马氏体的碳含量与体积分数有着重要的影响。只有保证有足够的碳，才会形成足够的富碳残余奥氏体并能够稳定至室温。在某一两相区温度，随着含碳量的增加，奥氏体中的碳的浓度增加。奥氏体稳定性增强，使较多的奥氏体稳定保留到室温，提高逆转变奥氏体的体积分数。但是碳含量较高时，焊接性能变差。所以应选择合理的碳含量，在保证有足够残余奥氏体的同时避免Fe3C 形成造成的脆性，并改善焊接性能。

添加锰可降低马氏体转变温度Ms，增加残余奥氏体的含量，尤其是当钢中含有2~3%的锰时，还可以有效地提高残余奥氏体分解的抗力。但是Mn含量太高的话会使残余奥氏体的稳定性大大提高，以致存在较高的塑性变形时残余奥氏体也不会发生相变，对提高工件的延展性不利；同时Mn含量过高，提高了材料碳当量，对焊接性能不利。

硅通常不作为合金元素加入，是一种脱氧剂，当Si 以固溶体的形式存在与奥氏体中时，可以提高钢的强度和硬度，其作用强于Mn、Ni、Cr、V、Mo 等。Si 作为非碳化物形成元素，在碳化物中的溶解度极低，在Q&P 钢等温过程中，能够强烈抑制Fe3C 的形成，使碳进一步积聚于未转变的奥氏体中，促使马氏体开始转变温度MS 降至室温以下，有利于形成富碳的残余奥氏体。

铝和硅一样，也是非碳化物形成元素，能够强烈抑制Fe3C 的形成，使未转变奥氏体富碳。虽然铝的固溶强化效果弱于硅，但是在Q&P 钢中，可以添加铝元素以降低硅的副作用。另外，采用铝代硅不影响钢的涂镀和焊接工艺，所以在要求涂镀和焊接的钢中常用铝代替硅。

硫在一般状况下也是钢中的有害元素，含硫较高的钢在高温下进行压力加工时，容易脆裂，通常叫做热脆性，会降低钢的延展性和韧性，在锻造和轧制时容易造成裂纹，同时，硫还回降低钢的耐腐蚀能力，恶化钢的焊接性能。

通常状况下，磷是钢中的有害合金元素，钢中的磷含量超过一定值时会在晶界处析出，破坏晶界强度，损坏其延展性，使钢的可塑性及韧性明显下降，该类情况在低温下尤为严重，这种现象叫做冷脆性，过高的磷含量会使钢的焊接性能变坏，同时降低钢的塑性，使其冷弯性能变坏。

本发明的生产方法通过将钢管加热到两相区进行保温处理。在两相区内，保温时间比较长，配分比较充分，所以奥氏体化中的富碳量和锰量较高；在随后的随炉冷却或者空冷过程中，奥氏体稳定性较高，有利于常温下在钢中得到较多的残余奥氏体。

显微组织分析表明，本发明方法生产的大膨胀量石油套管用低C、Mn钢中除了在铁素体与马氏体之间存在部分粒状和针状的残余奥氏体之外，在原奥氏体晶界处以及铁素体晶粒内部还存在着部分颗粒状残余奥氏体。

由于软相铁素体的存在以及残余奥氏体在相变过程中产生的形变诱发相变塑性（Trip）效应，获得的多相钢比现有的常规调制钢具有更高的塑性。

本发明可以根据具体的强塑性要求，适当调整化学成分和两相区加热温度、保温时间等，获得最优化的多相组织配比，满足不同的使用性能要求。

本发明主要适用于低C、Mn钢，也可以选择性加入其他一些Mo、Cr、Ni、V、Nb、V、Ti合金元素。

本发明的低C、Mn钢结合适当的两相区退火工艺，使管材获得了“回火马氏体+铁素体+残余奥氏体”的多相组织，保证了钢管在具有较高强度水平的同时，兼具较高的塑性变形能力。有效解决了以往膨胀管制造中所存在的成本高、焊接性能差、生产工艺复杂等技术难题，对我国焊管以及石油工业的发展具有重要

的意义。

具体实施方式

实施例1~实施例4

（1）钢的冶炼

本发明钢由实验室真空感应炉冶炼，浇注锭型为200公斤园锭，共冶炼4炉钢，化学成分见表1。

表1  发明钢的化学成分，余量为Fe及不可避免的杂质

（2）钢的锻造及热轧

实施例1~4#钢经过1200℃加热，保温2-5小时，进行锻造开坯。锻造温度范围950℃，锻后空冷。最终锻造成尺寸为40mm*80mm*100mm的坯料。将上述锻造坯料经1200加热，保温3小时后，坯料开轧温度在1100℃，由实验热轧机经过7道次轧制，终轧温度850℃，钢板轧后空冷或直接水淬到室温。

（3）实验室制管

对上述钢板进行卷板加工，在实验室焊接成毛坯管。

（4）两相区退火

把毛坯管放入电阻式加热炉中，以5℃/S的加热速度加热到650℃，保温8小时后，随炉冷却到室温。

（5）力学性能

经测试，4种实施成分膨胀管材的力学性能列于表2。其各项力学性能指标完全满足API及其他相关标准要求。

表2   各实施例膨胀管材的力学性能

实施例5~实施例9

（1）钢的冶炼

本发明钢由实验室真空感应炉冶炼，详细化学成分如表3所示。

表3  详细的化学成分，余量为Fe及不可避免的杂质

（2）钢的锻造及热轧

实施例钢锭经过1100~1250℃加热，保温2-5小时，进行锻造开坯。锻造温度范围800~1150℃，锻后空冷。最终锻造成尺寸为40mm*80mm*100mm的坯料。将上述锻造坯料经1100~1250加热，保温2~5小时后，坯料开轧温度在1050~1100℃，由实验热轧机经过7道次轧制，终轧温度800~900℃，钢板轧后空冷或直接水淬到室温。

（3）实验室制管

对上述钢板进行卷板加工，在实验室焊接成毛坯管。

（4）两相区退火

把毛坯管放入电阻式加热炉中，以5℃/S的加热速度分别加热到610℃、630℃和650℃，再分别保温不同时间后，随炉冷却到室温。详细的热处理工艺列于表4。

表4   详细的热处理工艺

（5）力学性能

经测试，5种实施成分膨胀管材的力学性能列于表5。其各项力学性能指标完全满足API及其他相关标准要求。

表5  各实施管材的力学性能

Claims (3)

1.一种大膨胀量焊管，其特征是，化学成分质量百分数为：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%，余量为Fe及不可避免的杂质；

所述的大膨胀量焊管的显微组织为：回火马氏体或回火贝氏体+铁素体+残余奥氏体；其中，残余奥氏体含量≥5%；

热处理后力学性能指标为：屈服强度400~700MPa，抗拉强度500~900MPa，延伸率30%~60%,均匀延伸率>20%，加工硬化指数0.15~0.3。

2.根据权利要求1所述的大膨胀量焊管，其特征是，再添加：Ni：0.1wt%~0.6wt%、Cr：0.1wt%~0.6wt%、Cu：0.1wt%~0.5wt%、Nb：0.01wt%~0.1wt%、V：0.01wt%~0.1wt%、Ti：0.01wt%~0.02wt%中的一种或几种。

3.一种权利要求1所述的大膨胀量焊管的制造方法，其特征在于：工艺步骤为：

（1）钢的冶炼及凝固：适用于转炉、电炉或感应炉冶炼，采用连铸生产铸坯或模铸生产铸锭；

（2）控制轧制：铸坯加热到1100~1250℃，保温2小时~10小时， 开轧温度1200℃~1000℃，终轧温度800~950℃；

（3）控制冷却：采用空冷或加速冷却的冷却方法，分别得到粒状贝氏体或“马氏体+贝氏体”组织；

（4）ERW制管：采用HFW焊接成型，并对焊接过程中焊管的内、外焊缝毛刺处进行砂轮打磨，清除毛刺。

（5）热处理：采用电阻炉将毛坯管加热到两相区Ac1以上0℃~40℃范围，保温2~15小时，然后随炉冷却或者空冷到室温。