CN103266216B - 一种调质态石油钢管强度错配热处理工艺 - Google Patents

一种调质态石油钢管强度错配热处理工艺 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种调质态石油钢管强度错配热处理工艺，属于金属工程材料技术领域。该工艺包括第一阶段整管调质处理；第二阶段管端调质处理。该工艺可以实现调质态石油钢管管体和管端的强度错配，管端强度和韧性均高于管体，管端和管体之间的过渡区强度及韧性均高于管体但低于管端，钢管形成强度错配的性能分布，同时伴随着韧性的错配分布。强度错配分布消除了现有产品管端因螺纹结构产生应力集中而易于变形甚至断裂的薄弱点，提高了钢管的服役安全性。

Description

一种调质态石油钢管强度错配热处理工艺
技术领域
本发明涉及金属工程材料技术领域，特别涉及一种调质态石油钢管强度错配热处理工艺。
背景技术
在石油行业中应用的钢管主要包括钻杆、油管、套管。按照现行的工业标准，钻杆及部分小口径的油管和套管具有管端加厚及热处理工序，使其能够用于承受载荷的错配。就大多数油管、套管而言，管体和管端具有统一的外径和壁厚，在管端加工螺纹并与接箍连接后成为终端产品。在对这些油管、套管进行最终热处理时都是整体调制处理，经过这样的处理之后，管体和管端通常具有同样的强度，但是，由于接箍的强度高于管体和管端，加上管端螺纹连接部位的应力集中效应，管端很容易发生变形，甚至断裂、脱扣等失效，导致油田生产的经济损失。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出了一种能够消除管端强度薄弱点，实现钢管高强度合理错配的调质态石油钢管强度错配热处理工艺。
本发明提供的调质态石油钢管强度错配热处理工艺包括以下步骤：
S1：第一阶段整管调质处理；
S2：第二阶段管端调质处理；其中，
S21：采用感应加热炉，将步骤S1所得的钢管首次入炉进行奥氏体化处理，入炉管端长度为200mm～300mm，加热温度为880℃～940℃，保温1min～3min后出炉，
S22：将步骤S21所得的钢管进行水冷，
S23：将步骤S22所得的钢管二次入炉进行回火处理，入炉管端长度为350mm～400mm，加热温度为580℃～630℃，保温3min～5min后出炉，
S24：对步骤S23所得的钢管进行水冷。
作为优选，所述步骤S1包括以下步骤：
S11：将钢管整体加热至880℃～940℃，保温45min～90min，
S12：将步骤S11所得的钢管整体入水，完成奥氏体化和淬火，
S13：将步骤S12所得的钢管整体加热至580℃～660℃，保温45min～90min，完成回火，
S14：将步骤S13所得的钢管入水冷却，完成冷却。
作为优选，所述步骤S11中，对钢管整体加热采用的加热炉是通用的整体加热炉。
作为优选，所述步骤S23中回火温度上限低于所述步骤S13中回火温度上限。
作为优选，所述步骤S22中，对步骤S21所得的钢管进行水冷是采用内喷外淋的方式完成的。
作为优选，所述步骤S24中，对步骤S23所得的钢管进行水冷是采用内喷外淋的方式完成的。
本发明提供的调质态石油钢管强度错配热处理工艺可以实现调质态石油钢管管体和管端的强度错配，管端强度和韧性均高于管体，管端和管体之间的过渡区强度及韧性均高于管体但低于管端，钢管形成强度错配的性能分布，同时伴随着韧性的错配分布。强度错配分布消除了现有产品管端因螺纹结构产生应力集中而易于变形甚至断裂的薄弱点，提高了钢管的服役安全性。
附图说明
图1为本发明实施例1～4提供的调质态石油钢管强度错配热处理工艺路线示意图；
图2为钢管的不同部位结构示意图；
图3为采用本发明实施例1～4提供的调质态石油钢管强度错配热处理工艺处理的钢管的不同部位屈服强度结果示意图；
图4为采用本发明实施例1～4提供的调质态石油钢管强度错配热处理工艺处理的钢管的不同部位冲击韧性结果示意图；
图5为采用本发明实施例1～4提供的调质态石油钢管强度错配热处理工艺处理的钢管的不同部位晶粒度级别结果示意图；
图6为采用本发明实施例1～4提供的调质态石油钢管强度错配热处理工艺处理的钢管的管体部分金相结构图；
图7为采用本发明实施例1～4提供的调质态石油钢管强度错配热处理工艺处理的钢管的过渡区部分金相结构图；
图8为采用本发明实施例1～4提供的调质态石油钢管强度错配热处理工艺处理的钢管的管端部分金相结构图。
具体实施方式
为了深入了解本发明，下面结合附图及具体实施例对本发明进行详细说明。
参见附图1，本发明提供的调质态石油钢管强度错配热处理工艺包括以下步骤：
S1：第一阶段整管调质处理。其中，S11：将钢管整体加热至880℃～940℃，保温45min～90min。其中，对钢管整体加热采用的加热炉是通用的整体加热炉。S12：将步骤S11所得的钢管整体入水，完成奥氏体化和淬火。S13：将步骤S12所得的钢管整体加热至580℃～660℃，保温45min～90min，完成回火。S14：将步骤S13所得的钢管入水冷却，完成冷却。
S2：第二阶段管端调质处理。其中，S21：采用感应加热炉，将步骤S1所得的钢管首次入炉进行奥氏体化处理，入炉管端长度为200mm～300mm，加热温度为880℃～940℃，保温1min～3min后出炉。S22：对步骤S21所得的钢管进行水冷。S23：将步骤S22所得的钢管二次入炉进行回火处理，入炉管端长度为350mm～400mm，加热温度为580℃～630℃，保温3min～5min后出炉。其中，所述步骤S23中回火温度上限低于所述步骤S13中回火温度上限，其作用是控制材料回火中第二相粒子长大和粗化，进一步提高材料的强度和韧性。S24：对步骤S23所得的钢管进行水冷。其中，对步骤S21所得的钢管进行水冷是采用内喷外淋的方式完成的，对步骤S23所得的钢管进行水冷也是采用内喷外淋的方式完成的。在这一阶段，采用内喷外淋的方式进行水冷能够稳定材料组织不会继续发生变化，保证材料的强度和韧性性能指标。
本发明提供的调质态石油钢管强度错配热处理工艺第一阶段整管调质工艺目的是获取整体钢管的调质状态，为第二阶段热处理提供基础。回火后采用入水冷却，是防止材料组织继续变化，稳定组织与性能。第二阶段热处理中采用快速感应加热方式，其作用是保证管端材料的晶粒度可以增加至少2.0级，同时提高材料的强度和韧性；回火时入炉管端长度高于奥氏体化时入炉管端长度至少50mm，是因为奥氏体化加热过程中，管端和管体之间存在25～35mm长的过渡区，该过渡区在管端奥氏体化的同时处于奥氏体和铁素体两相之间的相变区，发生不完全奥氏体化，这部分过渡区同样需要回火处理。在过渡区之外远离管端的部分虽有温度自然升高，但由于管端热处理时间短，不会影响材料的组织和性能。
采用本发明实施例1～4提供的调质态石油钢管强度错配热处理工艺处理的钢管在热处理过程中的工艺参数及不同部位的性能参数如表1～2和附图2～8所示。
表1实施例1～4热处理工艺参数
表2实施例1～4得到的钢管不同部位性能参数
从表2可以看出，本发明提供的调质态石油钢管强度错配热处理工艺可以实现调质态石油钢管管体和管端的强度错配。在屈服强度性能参数上，实施例1，管端强度为620MPa，过渡区强度为570MPa，管体强度为560MPa；实施例2，管端强度为710MPa，过渡区强度为650MPa，管体强度为635MPa；实施例3：管端强度为850MPa，过渡区强度为796MPa，管体强度为785MPa；实施例4：管端强度为980MPa，过渡区强度为910MPa，管体强度为890MPa。在管端和管体的冲击韧性性能参数上，实施例1，管端韧性为120J，过渡区韧性为95J，管体韧性为85J；实施例2：管端韧性为145J，过渡区韧性为110J，管体韧性为105J；实施例3：管端韧性为148J，过渡区韧性为106J，管体韧性为96J；实施例4：管端韧性为156J，过渡区韧性为120J，管体韧性为110J。将上述数据采用附图3～5加以更加直观地显示，可以看出，管端强度和韧性均高于管体，管端和管体之间的过渡区强度及韧性均高于管体但低于管端，钢管形成强度错配的性能分布，同时伴随着韧性的错配分布。强度错配分布消除了现有产品管端因螺纹结构产生应力集中而易于变形甚至断裂的薄弱点，提高了钢管的服役安全性。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种调质态石油钢管强度错配热处理工艺，其特征在于，所述石油钢管是油管或者套管，包括以下步骤：
S1：第一阶段整管调质处理；
S2：第二阶段管端调质处理；其中，
S21：采用感应加热炉，将步骤S1所得的钢管首次入炉进行奥氏体化处理，入炉管端长度为200mm～300mm，加热温度为880℃～940℃，保温1min～3min后出炉，
S22：对步骤S21所得的钢管进行水冷，
S23：将步骤S22所得的钢管二次入炉进行回火处理，入炉管端长度为350mm～400mm，加热温度为580℃～630℃，保温3min～5min后出炉，
S24：对步骤S23所得的钢管进行水冷。
2.根据权利要求1所述的工艺，其特征在于，所述步骤S1包括以下步骤：
S11：将钢管整体加热至880℃～940℃，保温45min～90min，
S12：将步骤S11所得的钢管整体入水，完成奥氏体化和淬火，
S13：将步骤S12所得的钢管整体加热至580℃～660℃，保温45min～90min，完成回火，
S14：将步骤S13所得的钢管入水冷却，完成冷却。
3.根据权利要求2所述的工艺，其特征在于，所述步骤S11中，对钢管整体加热采用的加热炉是通用的整体加热炉。
4.根据权利要求2所述的工艺，其特征在于，所述步骤S23中回火温度上限低于所述步骤S13中回火温度上限。
5.根据权利要求1所述的工艺，其特征在于，所述步骤S22中，对步骤S21所得的钢管进行水冷是采用内喷外淋的方式完成的。
6.根据权利要求1所述的工艺，其特征在于，所述步骤S24中，对步骤S23所得的钢管进行水冷是采用内喷外淋的方式完成的。
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