CN106702289A - 一种高均匀变形性能、高钢级sew膨胀管及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高均匀变形性能、高钢级SEW膨胀管及其制造方法，所述膨胀管化学成分的质量百分比为：C 0.08～0.25％、Si 0.1～0.6％、Mn 0.6～2.5％、P≤0.015％、S≤0.003％、Ni 0.1～0.6％、Cr 0.3～1.0％、Mo 0.1～0.6％、Cu 0.1～0.6％、Nb 0.01～0.06％、B 0.001～0.003％，余量为Fe及不可避免的杂质。通过HFW焊接制成母管，然后全管体中频感应加热和热张力减径，随即将高温热张减管坯空冷到某特定温度后旋转通过在线控冷装置直接水冷到室温，最后进行中低温去应力回火处理，使组织中得到体积分数大于20％以上的M-A组元且呈细小颗粒状弥散分布。本发明克服了现有技术不足，避免了无缝膨胀管的尺寸精度差、传统HFW焊接膨胀管的焊缝与母材组织性能差异大、高合金汽车钢材质膨胀管制造成本高且焊缝质量100％无缺陷的可靠性差等诸多不利于膨胀作业过程全管体均匀变形的因素。

Description

一种高均匀变形性能、高钢级SEW膨胀管及其制造方法

技术领域

本发明属于焊接钢管技术领域，尤其涉及一种高均匀变形性能、高钢级SEW膨胀管及其制造方法。

背景技术

实体膨胀管原先主要应用于套损井修复、油田堵水及层系封堵、老油田二次开发的加深/侧钻、钻遇垮塌和漏失层等复杂情况时用作应急套管等，目前，随着复杂地层井、大斜度井、成熟井、贫化井及深井、高温高压井的日益普遍，其应用方式已从之前的应急手段转变为常规的、有计划性选择的解决方案。由于膨胀管技术具有优化井身结构、降低钻采成本、节约作业时间、快速恢复生产、提高单井产量等诸多不可比拟的优势，特别是等井径膨胀管钻井技术，可降低一半左右的综合钻采成本，因此在油气勘探、开发中发挥越来越重要的作用，尤其对未来海上油气的规模化开采具有非常重要的意义。

为满足修井、侧钻及完井等不同作业类型的膨胀施工工艺要求，实现膨胀过程的全管体均匀塑性变形，膨胀管材应具备：①高尺寸精度(尤其壁厚均匀度和圆度)：采用HFW焊接制管工艺比先天性尺寸精度差的无缝制管方式更具有优势；②全管体组织性能均一：采用SEW焊管(对HFW焊接母管中频感应加热后进行热张力减径的无缝化处理)比传统HFW焊管(仅进行焊后的焊缝热处理)更具有全管体组织性能均一化优势；③管体焊缝100％无缺陷：为避免因焊缝质量问题导致膨胀过程沿焊缝处开裂，进而造成作业失败的严重后果，须从管材的化学成分上进行低碳、低锰及低合金化设计以确保优良的可焊性；④高均匀延伸率：这是确保膨胀管高均匀塑性变形的重要性能指标之一。总之，独特的低碳、低合金化成分设计及简易的热处理工艺路线相匹配是使SEW膨胀管材兼具良好的可焊性、高均匀变形性能及低制造成本的重要保证。

在综合分析了当前国内的膨胀管制造技术之后，并未发现国内将以上几个重要因素综合考虑并成功实施的相关报道，主要存在以下问题。一是采用先天性尺寸精度差的无缝钢管用作膨胀管；例如，申请号为200910187461.3的中国专利，无缝膨胀管的外径不均度指标仅＜2％，远低于SY/T 5989-2012《直缝电阻焊套管》标准规定的焊管外径不均度≤0.50％的要求。二是采用传统HFW焊接钢管用作膨胀管，虽然管体尺寸精度高，但由于没有引入全管体形变热处理工艺(即HFW焊管热张力减径)，因此母材与焊缝的组织性能仍存在较大差异；比如，申请号为201210009842.4的中国专利，对焊接好的管坯直接进行离线热处理，从说明书附图可看出母材和焊缝区的微观组织仍存在明显差异。三是原料多直接采用拥有高塑性变形性能的第三代汽车钢(例如TRIP钢、TWIP钢或Q&T钢等)的高合金成分设计，为了确保通过简易的热处理工艺使得室温下得到残余奥氏体组织，使其受塑性变形影响诱发产生相变而转变为马氏体，进而钢材局部硬度提高及继续变形困难，导致颈缩被推迟即变相的提高了塑性，因此该类材料普遍含有非常不利于焊接的Si、Al、P等元素总含量较高(≥1％)且还常常含有中高含量的Mn，因此原料的可焊性差、焊缝100％无缺陷的可靠性差，极易在焊接过程产生大量的气孔、夹杂、偏析、分层等焊接缺陷，因此TRIP钢或Q&T钢等在汽车工业上主要采用激光焊接且板材的壁厚较薄(普遍≤3.0mm)，而油田用膨胀管的壁厚普遍达6.35～15.70mm，难以采用该焊接方法制造；例如，中国专利CN 102345077A公开了一种高强塑积的大膨胀率膨胀管用钢及其制备方法，该原料成分加入了高达10～26％的Mn和0.05～0.3％的战略性稀土元素Re；又如，中国专利CN 102517511B公开的实质上是一种低碳硅锰型相变诱发塑性钢膨胀管的制造方法，其采用直缝电阻焊制管的实施例1、8和11的原料含有高达2.0％Si或4.0％Mn，这在目前国内外的高频焊接水平上是难以达到的高度。最后，为实现组织调控目标而采用的热处理工艺普遍较为复杂，直接导致了成本增加和不利于规模化推广；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管坯加热到1000～1150℃、保温30～60分钟后空冷，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℃、保温30～60分钟后空冷，最后还要全管体加热到两相区700～750℃、保温30～60分钟再空冷。

本发明中使用一种添加极少量合金及微合金元素的低碳低合金材料，经过成型焊接、热张力减径及特殊热处理工艺生产焊缝100％无缺陷的高焊缝质量可靠性、全管体高均匀变形性能的高钢级SEW膨胀管。

发明内容

本发明目的在于提供一种高均匀变形性能、高钢级SEW膨胀管的制造方法，通过合理的低碳低合金化原料成分设计和“HFW成型焊接+焊管热张力减径+特殊热处理”制造工艺实现，具有制造方法简易、全管体均匀变形性能优良、可满足膨胀管相关作业技术要求等优点，有利于工业化推广应用。

本发明的高均匀变形性能、高钢级SEW膨胀管的化学成分(按重量百分比为)：C 0.08～0.25％、Si 0.1～0.6％、Mn 0.6～2.5％、P≤0.015％、S≤0.003％、Ni0.1～0.6％、Cr 0.3～1.0％、Mo 0.1～0.6％、Cu 0.1～0.6％、Nb 0.01～0.06％、B0.001～0.003％，余量为Fe及不可避免的杂质。

所述高均匀变形性能、高钢级膨胀管的显微组织为：铁素体+退化珠光体+M-A组元，其中M-A组元含量≥20％。

热处理后力学性能最高可达API 5CT-95ksi钢级水平，具体指标为：屈服强度480～670MPa，抗拉强度650～900MPa，断后伸长率30～43％，均匀延伸率≥16％。

本发明的制造方法的主要工艺步骤为：

(1)HFW母管制备：以所述合金化成分设计的热轧卷板为原料，采用精密冷弯成型及HFW焊接制成母管，同时对焊缝内、外毛刺进行清除。

(2)热张力减径：HFW母管经中频感应加热炉快速透热至780～980℃，进行热张力减径得到所需规格的管坯，然后将高温热张减管坯空冷至350～600℃后旋转通过在线控冷装置直接水冷到室温。

(3)热处理：对经以上处理后的钢管进行去应力回火处理，回火温度150～300℃，保温时间1～2h，然后空冷到室温。

(4)管加工：最后进行全管体无损探伤、管内喷砂涂油、管端丝扣加工等处理，最终制成了所述的膨胀管。

本发明的合金设计思想是在C-Mn钢的基础上加Mo元素来明显提高奥氏体的稳定性，抑制先共析铁素体生成，所需Mo元素的含量为0.1～0.6％。其次，钢管中的M-A组元(即马奥岛)是获得低屈强比的关键，所以要保证钢中有一定的C元素含量，控制在0.08～0.25％。再次，还要加入一定量的Ni、Cr和Cu元素来满足钢管的耐腐蚀性能的要求，同时它们都是奥氏体稳定元素，有很强的固溶强化作用，其加入量都控制在0.1～0.6％，Cr元素含量可以稍高一些，即0.3～1.0％。此外，还要加入Nb元素进行微合金化，用以稳定奥氏体并阻止先共析铁素体晶粒长大，使得到的铁素体晶粒细小，添加量为0.01～0.06％。最后，加入极微量的B元素，虽然该元素在钢中的溶解度虽然极低，但不同的B含量及其在不同的合金化体系下的作用机制却十分复杂，在本发明中硼主要是通过与Nb、Cu等元素的复合作用来达到改善晶粒形貌、去除杂质、提升塑性并得到中低温转变组织的目的，即不仅可以降低连铸坯的化学不均匀性、细化柱状晶体和最终形成细散的金相组织，而且还可减轻时效硬化作用，降低极限抗拉强度和屈服点并提高塑性指标(伸长率和相对收缩率)，综合考虑硼的添加量约0.001～0.003％就会改善达到良好的效果，大于0.003％会使钢中产生的硼相并沿奥氏体晶界析出，产生热脆现象，反而降低了塑性。

本发明采用全管体热处理技术主要是HFW母管经中频感应加热炉快速透热至780～980℃，进行热张力减径得到所需规格的管坯，然后将高温热张减管坯空冷至350～600℃后旋转通过在线控冷装置直接水冷到室温，得到所需的组织。由于M-A组元的残余奥氏体增碳后易形成挛晶马氏体，在界面上易产生应力集中而导致微裂纹，并沿M-A组元边界扩展成为裂纹源，所以M-A组元的韧性很低且数量越多就脆化越严重，因此需要再进行适当的低温去应力回火处理，从而实现良好的高强塑性及合理的韧性匹配。

本发明可以根据管材的具体要求，适当调整化学成分和热处理工艺参数，以获得最优化的组织配比和形貌。

本发明克服了现有技术不足，避免了无缝膨胀管的尺寸精度差、传统HFW焊接膨胀管的焊缝与母材组织性能差异大、高合金汽车钢材质膨胀管的焊缝质量100％无缺陷可靠性低等诸多不利因素，在解决管材高塑性与高强度矛盾的同时，充分兼顾了管材的制造成本，即采用合理的低碳低合金化的原料成分设计及简易的热处理工艺路线，避免了高合金化原料设计、多道次且复杂的热处理工艺等带来的能耗及成本增加。本发明获得的高均匀延伸率、高钢级SEW膨胀管尺寸精度高、全管体(母材及焊缝)组织性能均一，显微组织分析结果表明M-A组元含量20％以上，膨胀前最高可满足API Spec 5CT-95ksi钢级标准，膨胀后可达P110钢级水平，其均匀延伸率≥16％，明显优于传统的淬火-回火钢，与常规TRIP钢等基本相当，可以满足套损补贴、裸眼完井、老井侧钻等膨胀管作业技术要求，对我国膨胀管石油钻采新技术、新装备的发展进步具有十分重要意义。

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 0.15、Si 0.35、Mn 1.1、P 0.011、S 0.001、Ni 0.25、Cr 0.58、Mo 0.26、Cu 0.31、Nb 0.03、B 0.0017，余量为Fe及不可避免的杂质。

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7.3mm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860℃，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；然后将高温热张减管坯空冷至480℃后旋转通过在线控冷装置直接水冷到室温；最后，对经以上处理后的钢管进行去应力回火处理，回火温度250℃，保温时间1.5h后空冷到室温。

经检测，膨胀管屈服强度629MPa，抗拉强度880MPa，屈强比0.71，断后延伸率36％，均匀延伸率16.4％，0℃横向全尺寸冲击功56J。

实施例2

本实施例热轧钢卷的化学成分为(质量百分数，％)：C 0.10、Si 0.45、Mn 0.9、P 0.013、S 0.002、Ni 0.39、Cr 0.71、Mo 0.44、Cu 0.30、Nb 0.05、B 0.0022，余量为Fe及不可避免的杂质。

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930℃，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；然后将高温热张减管坯空冷至550℃后旋转通过在线控冷装置直接水冷到室温；最后，对经以上处理后的钢管进行去应力回火处理，回火温度200℃，保温时间2h后空冷到室温。

经检测，膨胀管屈服强度520MPa，抗拉强度763MPa，屈强比0.68，断后延伸率39％，均匀延伸率16.7％，0℃横向全尺寸冲击功59J。

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。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。

Claims (3)

1.一种高均匀变形性能、高钢级SEW膨胀管，其特征是，化学成分质量百分数为：C 0.08～0.25％、Si 0.1～0.6％、Mn 0.6～2.5％、P≤0.015％、S≤0.003％、Ni 0.1～0.6％、Cr 0.3～1.0％、Mo 0.1～0.6％、Cu 0.1～0.6％、Nb 0.01～0.06％、B0.001～0.003％，余量为Fe及不可避免的杂质。

2.根据权利要求1所述的一种高均匀变形性能、高钢级SEW膨胀管，其特征是：

所述高均匀变形性能、高钢级膨胀管的显微组织为：铁素体+退化珠光体+M-A组元，其中M-A组元含量≥20％；

热处理后力学性能最高为API 5CT-95ksi钢级水平，指标为：屈服强度480～670MPa，抗拉强度650～900MPa，断后伸长率30～43％，均匀延伸率≥16％。

3.根据权利要求1或2所述的一种高均匀变形性能、高钢级SEW膨胀管的制造方法，其特征是，工艺步骤为：

(1)HFW母管制备：以所述合金化成分设计的热轧卷板为原料，采用精密冷弯成型及HFW焊接制成母管，同时对焊缝内、外毛刺进行清除；

(2)热张力减径：HFW母管经中频感应加热炉快速透热至780～980℃，进行热张力减径得到所需规格的管坯，然后将高温热张减管坯空冷至350～600℃后旋转通过在线控冷装置直接水冷到室温；

(3)热处理：对经以上处理后的钢管进行去应力回火处理，回火温度150～300℃，保温时间1～2h，然后空冷到室温；

(4)管加工：最后进行全管体无损探伤、管内喷砂涂油、管端丝扣加工等处理，最终制成了所述的膨胀管。