CN104831175B

CN104831175B - 一种j55钢级sew膨胀套管及其制造方法

Info

Publication number: CN104831175B
Application number: CN201410690132.1A
Authority: CN
Inventors: 毕宗岳; 韦奉; 李远征; 张峰; 何石磊; 王涛; 唐俊; 李周波; 王军; 白鹤; 王亮; 周新义; 鲁碧为; 杨晓龙
Original assignee: Baoji Petroleum Steel Pipe Co Ltd
Current assignee: China Petroleum and Natural Gas Co Ltd; Baoji Petroleum Steel Pipe Co Ltd
Priority date: 2014-11-25
Filing date: 2014-11-25
Publication date: 2017-09-29
Anticipated expiration: 2034-11-25
Also published as: CN104831175A

Abstract

本发明公开了一种J55钢级SEW膨胀套管及其制造方法，将HFW焊接管坯经中频感应炉快速加热到960～1020℃，然后进入轧辊机组进行多道次全管体热张力减径，随后将仍在750～850℃高温的热张减管坯旋转通过在线控制冷却装置，快速冷却到250～450℃后空冷到室温。本发明采用一步法实现管材的高精度热成型和目标组织调控，显著降低了能耗等生产成本；经HFW焊接、全管体热张力减径及在线控制冷却后，消除焊缝和母材的微观组织差异，实现全管体(母材及焊缝)组织性能均一，获得优良的均匀变形性能，同时消除了带状组织，获得了“大量铁素体+少量贝氏体/马氏体”为主的软硬相合理搭配的双相或多相组织，从而使J55钢级SEW膨胀套管具有较高的内径膨胀率。

Description

一种J55钢级SEW膨胀套管及其制造方法

技术领域

本发明属于金属材料领域，涉及特殊用途的非API石油套管，具体涉及一种新型J55钢级SEW(Hot Stretch-reducing Electric Welding，热张力减径电阻焊)膨胀套管的所采用的合金设计和制造方法

背景技术

膨胀管技术因其具有优化井身结构、降低钻采成本、节约作业时间、快速恢复生产、提高单井产量等优点倍受油田用户青睐，在油气勘探与开发中发挥越来越重要的作用。该技术在国外已成功应用于修井、完井、甚至钻井等作业，并取得了较好的效益；在国内，膨胀管技术也已成为修井和钻遇特殊地层处理的重要手段，并逐渐向裸眼补贴、侧钻完井等方向发展。目前，国内的膨胀管主要以20G无缝钢管或传统J55钢级HFW焊管为主。20G无缝管的塑性高，但尺寸精度低、强度和韧性差(0℃全尺寸试样夏比冲击吸收功≤10J)，尤其过低的冲击韧性使其在运输、吊装、安装和服役等过程中的抵抗冲击载荷能力差，极易在冲击作用下产生微裂纹，从而导致服役过程发生开裂甚至断裂，存在较大的安全隐患；传统J55钢级HFW焊管虽然尺寸精度高，但由于焊缝和母材组织性能差异大，难以保证实现整体均匀变形的目标，导致膨胀后管材沿焊缝严重弯曲，严重影响产品的使用性能。因此，20G无缝管和传统J55钢级HFW焊管仅局限于要求不高的套损补贴等简单应用，无法满足裸眼补贴、老井加深、侧钻完井等膨胀管作业技术要求。

膨胀套管要规模化推广应用，首要考虑的是成本因素，这是膨胀套管开发的首要瓶颈。国内将20G无缝管或传统J55 HFW焊管直接用作膨胀管，也是迫于作业成本考虑。因此，要开发低成本的膨胀套管，除了合金成分设计尽量经济化、不采用或少用贵重金属元素之外；其次制造工艺尽量简单，减少热处理道次、避免专门的离线热处理，将制管和热处理(组织调控)一步完成。在综合分析了当前国内的膨胀套管制造技术之后，并未发现国内将以上两者统一起来综合考虑并成功实施的相关报道，存在以下问题。一是管材的合金成本高，贵重合金元素用量多。例如，中国专利CN102560259A公开了一种低成本大膨胀率膨胀管用TWIP钢及钢管制备方法，该管材成分加入了高达15～30％的Mn和0.03～0.3％的战略性稀土元素Re；中国专利CN102517511A公开了一种高膨胀率石油套管用钢及其用于制造石油套管的方法中，也加入了Nb、V、Ti等贵重微合金化元素；中国专利CN102345077A公开了一种具有高强塑积的大膨胀率膨胀管用钢及其制备方法，其合金材料除了高Mn、高Cr外，还加入稀土元素Re和Mo、Ni等稀有金属。合金成分高及贵重金属的使用，不但成本增加，而且无形中提高了材料碳当量，影响了管材的可焊性，无法确保获得100％无任何缺陷的焊缝性能，进而致使钢管在膨胀作业过程中极易沿焊缝处开裂而下井失败，具有重大的安全作业隐患。二是热处理工艺复杂，能耗高。例如，中国专利CN102534166 A公开了一种高扩径性能的J55钢级ERW膨胀管制备方法，包括了三道离线热处理，首先ERW管坯加热1000～1150℃并保温30～60分钟后空冷到室温，其次再全管体加热到管材奥氏体化相变温度A_c3之上50～100℃并保温30～60分钟后空冷到室温，最后还要全管体加热到两相区700～750℃保温30～60分钟后空冷到室温；中国专利CN102022086 A公开了一种经济型膨胀管用无缝油井管及其制造方法，也包括了对钢管进行专门的加热到两相区后保温近60min的离线热处理。为实现组织调控目标，对钢管进行多道次的离线热处理工艺会显著增加能耗和制造成本，不利于规模化生产和产品推广。

本发明中使用一种仅添加极少量Cr、B的低碳或超低碳锰钢材料，经过一步法(钢带成型焊接、全管体中频感应快速加热、热张力减径及后续在线控制冷却)生产强塑性满足作业技术要求的新型J55钢级SEW膨胀套管，大大降低了制造成本。

发明内容

本发明目的在于提供一种J55钢级SEW膨胀套管及其制造方法，通过合理的化学成分设计和采用“HFW焊接+全管体中频感应快速加热+热张力减径+在线控制冷却”制造工艺一步法生产新型J55钢级SEW膨胀套管，来代替无缝钢管和传统HFW焊管，具有制造方法简单实用、产品的整体均匀变形性能优良，可满足内陆及海洋的套损补贴、裸眼补贴、老井加深和侧钻完井等膨胀管作业技术要求等优点，有利于规模化推广应用。

本发明提供一种J55钢级SEW膨胀套管，所述J55钢级SEW膨胀套管的化学成分以质量百分比计为：C 0.03～0.20％、Si 0.1～0.3％、Mn 0.8～1.5％、Cr 0.3～1.5％、B0.0005～0.0015％、P≤0.020％、S≤0.005％、余量为Fe。

所述J55钢级SEW膨胀套管是按照如下步骤制成：将HFW焊接管坯经中频感应炉快速加热到960～1020℃，然后进入轧辊机组进行多道次全管体热张力减径，随后将仍在750～850℃高温的热张减管坯旋转通过在线控制冷却装置，快速冷却到250～450℃后空冷到室温。

所述J55钢级SEW膨胀套管的制造方法，步骤如下：将HFW焊接管坯经中频感应炉快速加热到960～1020℃，然后进入轧辊机组进行多道次全管体热张力减径，随后将仍在750～850℃高温的热张减管坯旋转通过在线控制冷却装置，快速冷却到250～450℃后空冷到室温，制成J55钢级SEW膨胀套管。

本发明的具体方法是：冶炼热轧合金成分以质量百分数计为C 0.03～0.20％、Si0.1～0.3％、Mn 0.8～1.5％、Cr 0.3～1.5％、B 0.0005～0.0015％、P≤0.020％；S≤0.005％、Fe余量的钢卷，并通过冷弯成型和HFW焊接制成焊管管坯，再将该管坯经中频感应炉整体快速加热到960～1020℃，然后进入轧辊机组进行多道次全管体热张力减径得到所需规格的高温管坯，最后将仍在750～850℃高温的热张减管坯旋转通过在线控制冷却装置，快速冷却到250～450℃后空冷到室温，消除了带状组织，获得“大量铁素体+少量贝氏体/马氏体”为主的软硬相合理搭配的双相或多相组织，使其具有较高的整体均匀塑性变形能力，满足膨胀施工工艺要求，并使膨胀后的力学性能达到API Spec 5CT—J55钢级的标准要求(即屈服强度达到379～552MPa、抗拉强度≥517MPa)。

本发明充分兼顾了膨胀套管的低制造成本及高使用性能这两个方面的矛盾，利用SEW焊管代替尺寸精度差(尤其是壁厚均匀度)无缝钢管和传统HFW焊管(由于未采用HFW管坯热张力减径工艺，因此母材与焊缝组织性能差异大)，克服了现有技术不足，避免膨胀施工过程的不均匀变形；同时采用直接对热张减后仍在高温的钢管进行在线控制冷却的工艺技术，避免了钢管冷却到室温后再单独进行多道次离线热处理带来的能耗及成本增加，其制造方法简单实用、经济且产品的整体均匀变形性能优良。本发明得到的新型J55钢级SEW膨胀套管可满足内陆及海洋的套损补贴、裸眼补贴、老井加深和侧钻完井等膨胀管作业技术要求，将逐步取代无缝膨胀管和传统HFW焊接膨胀管，具有广阔的规模化应用前景。

本方法的特征在于：通过合理的化学成分设计和经HFW焊接、全管体中频感应快速加热、热张力减径及在线控冷后，消除了焊缝和母材的微观组织差异，实现全管体(母材及焊缝)组织性能均一，获得优良的整体均匀变形性能，同时消除了带状组织，获得“大量铁素体+少量贝氏体/马氏体”为主的软硬相合理搭配的双相或多相组织，使其具有较高的内径膨胀率，可满足膨胀管作业技术要求，实现规模化应用。HFW是一种通过高频电流的集肤效应和临近效应把管坯边缘加热溶化、并施以挤压而锻合的焊接方法，其在焊接过程中不填充金属，具有焊接速度快、生产效率高等优点，广泛应用于石油天然气领域，但是焊缝和热影响区是薄弱环节，致使HFW焊管应用范围受到一定限制；热张力减径技术是将管材重新加热至奥氏体相变区，进行形变热处理，实现焊缝组织初步优化；加上后续全管体在线控冷技术，利用管材形变后的余热经生产线上的在线控冷装备进行强制冷却，获得“大量多边形铁素体+少量的细小马氏体(/贝氏体)”的双相或多相组织，使管材的塑韧性得到大幅提高，同时也缩短了工艺流程，节省了能源。

附图说明

图1为热张力减径前焊接母管的焊缝和母材试样的金相组织；

图2为热张力减径后、在线控冷前的焊缝和母材试样的金相组织；

图3为热张力减径及在线控冷后的焊缝及母材试样的金相组织。

具体实施方式

实施例1

本实施例热轧钢卷的化学成分为(质量百分数，％)：C 0.06、Si 0.22、Mn 1.16、Cr1.07、B 0.0008、P 0.014、S 0.004，余量为Fe。

生产步骤如下：首先，将以上成分的热轧钢卷经纵剪、铣边、排辊冷弯成型和高频电阻焊，制成外径Φ193.7mm、壁厚7.8mm的焊接母管；其次，将该HFW焊接母管经中频感应加热炉整体快速加热至1010℃，随即进入多道轧辊机组进行全管体热张力减径，得到外径Φ139.7mm、壁厚8.15mm的热张减管坯；最后，将温度仍在825℃左右高温的热张减管坯旋转穿过在线控制冷却装置快速冷却至360℃，然后空冷至室温。

经检测，膨胀套管屈服强度450～465MPa，抗拉强度560～580MPa，屈强比0.80，断后延伸率39～41％，均匀延伸率14.3～15.1％，0℃横向全尺寸冲击功111～124J。

实施例2

本实施例热轧钢卷的化学成分为(质量百分数，％)：C 0.11、Si 0.17、Mn 1.12、Cr0.52、B 0.0011、P 0.008、S 0.002，余量为Fe。

生产步骤如下：首先，将以上成分的热轧钢卷经纵剪、铣边、排辊冷弯成型和高频电阻焊，制成外径Φ193.7mm、壁厚7.34mm的焊接母管；其次，将该HFW焊接母管经中频感应加热炉整体快速加热至995℃，随即进入多道轧辊机组进行全管体热张力减径，得到外径Φ139.7mm、壁厚7.72mm的热张减管坯；最后，将温度仍在810℃左右高温的热张减管坯旋转穿过在线控制冷却装置快速冷却至390℃，然后空冷至室温。

经检测，膨胀套管屈服强度405～420MPa，抗拉强度540～550MPa，屈强比0.76，断后延伸率44～46％，均匀延伸率15.9～17.4％，0℃横向全尺寸冲击功149～166J。

实施例3

本实施例热轧钢卷的化学成分为(质量百分数，％)：C 0.18、Si 0.25、Mn 1.28、Cr0.31、B 0.0006、P 0.005、S 0.002，余量为Fe。

生产步骤如下：首先，将以上成分的热轧钢卷经纵剪、铣边、排辊冷弯成型和高频电阻焊，制成外径Φ193.7mm、壁厚7.9mm的焊接母管；其次，将该HFW焊接母管经中频感应加热炉整体快速加热至980℃，随即进入多道轧辊机组进行全管体热张力减径，得到外径Φ139.7mm、壁厚8.38mm的热张减管坯；最后，将温度仍在795℃左右高温的热张减管坯旋转穿过在线控制冷却装置快速冷却至405℃，然后空冷至室温。

经检测，膨胀套管屈服强度505～520MPa，抗拉强度620～640MPa，屈强比0.81，断后延伸率36～38％，均匀延伸率12.7～13.3％，0℃横向全尺寸冲击功125～132J。

本发明的新型J55钢级SEW(Hot Stretch-reducing Electric Welding，热张力减径电阻焊)膨胀套管的制造方法，其以合理的化学成分设计的低碳或超低碳低合金钢热轧卷板为原料，采用“HFW(High Frequency Welding，高频焊)焊接+全管体中频感应快速加热+热张力减径+在线控制冷却”制造工艺一步法生产新型J55钢级SEW膨胀套管，来代替无缝钢管和传统HFW焊管，即将HFW焊接管坯经中频感应炉快速加热到960～1020℃，然后进入轧辊机组进行多道次全管体热张力减径，随后将仍在750～850℃高温的热张减管坯旋转通过在线控制冷却装置，快速冷却到250～450℃后空冷到室温。效果是：采用“HFW高频焊接+热张力减径+在线控制冷却”制造工艺对HFW焊管进行整体在线形变热处理，一步法实现管材的高精度热成型和目标组织调控，显著降低了能耗等生产成本；经HFW焊接、全管体热张力减径及在线控制冷却后，消除焊缝和母材的微观组织差异，实现全管体(母材及焊缝)组织性能均一，获得优良的均匀变形性能，同时消除了带状组织，获得了“大量铁素体+少量贝氏体/马氏体”为主的软硬相合理搭配的双相或多相组织，从而使J55钢级SEW膨胀套管具有较高的内径膨胀率。相比于尺寸精度差且需多道次反复加热热轧无缝钢管，或HFW焊接后仅焊缝热处理的传统HFW焊管(焊缝与母材组织性能差异大)，或制管后须离线热处理的膨胀钢管，本发明制造方法简单实用、经济且产品的整体均匀变形性能优良，可满足内陆及海洋的套损补贴、裸眼补贴、老井加深和侧钻完井等膨胀管作业技术要求，实现规模化应用。

上述实施例，只是本发明较佳实施例，并非用来限制本发明实施范围，故凡以本发明权利要求所述内容所做的等效变化，均应包括在本发明权利要求范围之内。以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员,在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的方法及技术内容作出些许的更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims

1.一种J55钢级SEW膨胀套管的制造方法，其特征在于，步骤如下：将HFW焊接管坯经中频感应炉快速加热到960～1020℃，然后进入轧辊机组进行多道次全管体热张力减径，随后将仍在750～850℃高温的热张减管坯旋转通过在线控制冷却装置，快速冷却到250～450℃后空冷到室温，获得“大量多边形铁素体+少量的细小马氏体/贝氏体”的双相或多相组织，制成J55钢级SEW膨胀套管；所述J55钢级SEW膨胀套管的化学成分以质量百分比计为：C0.03～0.20％、Si 0.1～0.3％、Mn 0.8～1.5％、Cr 0.3～1.5％、B 0.0005～0.0015％、P≤0.020％、S≤0.005％、余量为Fe。