CN107620012B - 一种低碳高锰合金钢hfw膨胀套管母管及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及钢管制造技术领域，具体公开一种低碳高锰合金钢HFW膨胀套管母管及其制造方法。所述低碳高锰合金钢HFW膨胀套管母管，原料为低碳高锰合金卷板，以所述低碳高锰合金卷板的总质量为100%计，包括如下重量百分比的下列元素组分：C：0.1‑0.2%、Mn：2.0‑3.0%、Si：0.1‑0.3%、P≤100ppm、S≤60ppm、Cr+Mo+Ni：0.8‑1.5%、Nb+V+Ti＜0.15%，余量为Fe。本发明所提供的低碳高锰合金钢HFW膨胀套管母管，壁厚均匀，焊缝无异常组织，焊缝性能优异，各项指标均满足API 5CT标准的要求。

Description

一种低碳高锰合金钢HFW膨胀套管母管及其制造方法

技术领域

本发明涉及钢管制造技术领域，尤其涉及一种低碳高锰合金钢HFW膨胀套管母管及其制造方法。

背景技术

20世纪90年代膨胀套管技术的提出，成为了石油天然气钻采领域 一次新的革命。2000年我国开始引进该技术，但目前国内外还只是普遍选用一般传统的钢铁材料进行应用，缺乏针对性研发，始终没有在材料研发上取得突破。

油水井套管是油气产出的通道，套管的完好是油气田实现油气产量硬增长的关键环节。随着我国各个油田进入开发后期，井筒维护、剩余油的挖潜、套损井的治理已经称为各油田特别是老油田二次开发的重点工作。膨胀管技术与常规技术相比具有强度高、密封可靠、修复后通径大等优点，特别适用于套损井修复。膨胀管补贴技术为套损井复产提供了有力支撑，对老油田的挖潜改造有重大经济价值。等井径技术是膨胀套管技术的发展方向，该技术可以在钻井过程中保持无内径损失钻进，实现全井采用同一尺寸的套管完井，从而消除井眼锥度，降低建井成本，拓展现有钻探区域。

相关研究发现套管膨胀时会发生应变集中，引起套管的壁厚不均度在原基础上恶化，所以壁厚不均度常被当作膨胀套管的一个重要控制指标，此外，套管还存在有焊缝异常组织，焊缝性能差等问题。目前膨胀套管母管的生产工艺主要为无缝钢管与HFW（高频焊接）钢管。但是HFW钢管的壁厚与外观尺寸精度控制优于无缝钢管，且经过后续全管体热处理可以缩小焊缝与母材的组织性能。

发明内容

针对现有存在的套管的壁厚不均，焊缝组织异常，焊缝性能差等问题，本发明提供一种低碳高锰合金钢HFW膨胀套管母管及其制造方法。

为达到上述发明目的，本发明实施例采用了如下的技术方案：

一种低碳高锰合金钢HFW膨胀套管母管，原料为低碳高锰合金卷板，以所述低碳高锰合金卷板的总质量为100%计，包括如下重量百分比的下列元素组分：C ：0.1-0.2%、Mn：2.0-3.0%、Si：0.1-0.3%、P≤100ppm、S≤60ppm、Cr+Mo+Ni：0.8-1.5%、Nb+V+Ti＜0.15%，余量为Fe。

相对于现有技术，本发明提供的低碳高锰合金钢HFW膨胀套管母管，壁厚均匀，焊缝无异常组织，焊缝性能优异，各项指标均满足API 5CT标准的要求。

进一步地，本发明还提供了所述低碳高锰合金钢HFW膨胀套管母管的制造方法。该制造方法，至少包括以下步骤：

（1）以低碳高锰合金钢卷板为原料，经过剪切对焊、成型、高频焊接处理，得到HFW焊接管坯；

（2）将所述HFW焊接管坯进行热处理；

（3）将热处理后的管坯进行定径矫直、定尺切管、机械平头、水压试验、探伤处理，得到低碳高锰合金钢HFW膨胀套管母管。

相对于现有技术，本发明提供的低碳高锰合金钢HFW膨胀套管母管的制造方法，针对本发明的合金设计，采用特定的热处理工艺调控组织，实现组织和性能的精细化控制；成型技术能够合理的控制卷板在成型过程中屈服与抗拉强度的变化；高频焊接，提高了焊接功率的使用范围，提高焊接速度，同时降低生产成本；热处理工艺消除焊缝异常组织，提高焊缝性能；利用本发明所述的方法制造出的HFW膨胀套管母管各项指标均满足API 5CT标准的要求。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明所述的低碳高锰合金钢HFW膨胀套管母管的制造方法的技术路线图；

图2是本发明实施例中所提供的HFW膨胀套管母管的金相检查结果示意图；

图3是本发明实施例中所提供的HFW膨胀套管母管的管体夏比冲击试验柱状图；

图4是本发明实施例中所提供的HFW膨胀套管母管的管体横纵向屈服强度柱状图;

图5是本发明实施例中所提供的HFW膨胀套管母管的管体横纵向抗拉强度柱状图;

图6是本发明实施例中所提供的HFW膨胀套管母管的管体横纵向均匀延伸率分布柱状图;

图7是本发明实施例中所提供的HFW膨胀套管母管的管体横纵向屈强比分布柱状图;

图8是本发明实施例中所提供的HFW膨胀套管母管的焊缝抗拉强度分布图；

图9是本发明实施例中所提供的HFW膨胀套管母管的焊缝屈服强度分布图；

图10是本发明实施例中所提供的HFW膨胀套管母管的焊缝均匀延伸率分布图；

图11是本发明实施例中所提供的HFW膨胀套管母管的焊缝夏比冲击图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施例提供一种低碳高锰合金钢HFW膨胀套管母管，该低碳高锰合金钢HFW膨胀套管母管，原料为低碳高锰合金卷板，以所述低碳高锰合金卷板的总质量为100%计，包括如下重量百分比的下列元素组分：C ：0.1-0.2%、Mn：2.0-3.0%、Si：0.1-0.3%、P≤100ppm、S≤60ppm、Cr+Mo+Ni：0.8-1.5%、Nb+V+Ti＜0.15%，余量为Fe。

本发明实施例提供的低碳高锰合金钢HFW膨胀套管母管，壁厚均匀，焊缝无异常组织，焊缝性能优异，各项指标均满足API 5CT标准的要求。

本发明在提供该低碳高锰合金钢HFW膨胀套管母管的前提下， 还进一步提供了该低碳高锰合金钢HFW膨胀套管母管的制造方法。

在一实施例中，该制造方法至少包括以下步骤：

（1）以低碳高锰合金钢卷板为原料，经过剪切对焊、成型、高频焊接处理，得到HFW焊接管坯；

（2）将所述HFW焊接管坯进行热处理；

（3）将热处理后的管坯进行定径矫直、定尺切管、机械平头、水压试验、探伤处理，得到低碳高锰合金钢HFW膨胀套管母管。

剪切对焊：合理的设定焊接电流与电压，保证焊接对头进入精成型机组后不会因为受力断裂。

成型：带钢经过FFX轧机后形成HFW钢管管坯，卷板进入轧机后，容易形成加工硬化效应，为了避免由于成型过程导致的管体纵向屈服强度升高，抗拉强度下降的现象，生产前，根据生产钢管的规格进行成型参数计算，本发明采用成型工序中开口角度为4°，挤压量为5.0-7.0mm，使成型对拉伸性能的影响降至最低。

高频焊接：根据高锰卷板本身带状组织严重的特点，导致钢管焊接后焊缝性能降低，焊接参数不能基于以往的油气输送用HFW焊管的参数；故选择合适的焊接成型工艺参数尤为重要。

热处理：在线用中频感应加热对焊缝区域进行焊后热处理达到焊缝组织细化和消除应力集中，匹配焊接速度的热处理温度选择至关重要。

定径矫直：为了保证钢管在成型、热处理、空冷和水冷以后，钢管的外型尺寸满足标准要求，因此要对钢管进行定径矫直，使钢管具有良好的外形尺寸精度和直度。

定尺切管：采用数控铣切法将焊接后的钢管按用户要求进行定尺长度切割。

机械平头：膨胀套管母管要求平端交货，因此需要进行机械平头。

水压试验：对钢管进行逐根静水压试验，试验压力不低于标准要求的最小试验压力值，在整个试压过程中不允许有渗漏或爆裂现象。

探伤：根据标准要求对焊接后的钢管内外焊缝及焊缝两侧热影响区部分进行100%的检查。

下面对上述制备方法做进一步的解释说明：

优选地，低碳高锰合金钢HFW膨胀套管母管的制造方法，制造过程包括如下步骤：

（1）将低碳高锰合金钢卷板，进行拆卷矫平处理，得到带钢，将所述带钢进行剪切对焊、板边加工、母材探伤、成型、高频焊接处理，得到HFW焊接管坯；

（2）将所述HFW焊接管坯进行在线探伤、在线热处理，待管体温度≤340℃后，进行水冷热处理；

（3）将水冷处理后的管坯进行定径矫直、在线喷标、定尺切管、理化试验、机械平头、水压试验、超声波焊缝探伤、管端探伤处理，得到低碳高锰合金钢HFW膨胀套管母管。

具体地，板边加工：采用铣边方式，将钢带两边单侧去掉5～10mm，以保证去除卷板因钢坯及轧制过程中的板边缺陷，同时使成型前的钢带宽度均匀、边部质量良好，为焊接做好准备。

具体地，母材探伤：焊接前对卷板母材进行超声波分层检验。

具体地，水冷：经过正火后的焊缝为了得到良好的金相组织，必须先经过缓慢冷却，待组织不再发生转变后再进行迅速水冷却。

具体地，在线喷标：为保证钢管可追溯性，在钢管表面标记钢管的管号和生产日期。

具体地，理化试验：按检验批次对钢管进行化学成分分析、压扁试验、拉伸试验、夏比冲击试验等，确保钢管的理化性能满足API 5CT标准的要求。

优选地，成型方式为FFX轧辊成型，带钢经过FFX轧机后形成HFW钢管管坯，能够合理的控制卷板在成型过程中屈服与抗拉强度的变化。

优选地，高频焊接方式为接触焊，提高了焊接功率的使用范围，提高焊接速度。

进一步优选地，高频焊接的焊接功率为350～550KW，焊接速度为13±2m/min。

优选地，在线热处理工序中只对焊缝区域进行正火处理，达到焊缝组织细化和消除应力集中的目的，消除焊缝异常组织，提高焊缝性能。

进一步优选地，正火处理的温度为700-1000℃。

本方法工艺简单，针对本发明的合金设计，采用特定的热处理工艺调控组织，实现组织和性能的精细化控制；成型技术能够合理的控制卷板在成型过程中屈服与抗拉强度的变化；高频焊接，提高了焊接功率的使用范围，提高焊接速度，同时降低生产成本；热处理工艺消除焊缝异常组织，提高焊缝性能；利用本发明所述的方法制造出的HFW膨胀套管母管各项指标均满足API 5CT标准的要求。

为了更好的说明本发明实施例提供的低碳高锰合金钢HFW膨胀套管母管及其制造方法，下面通过实施例做进一步的举例说明。

实施例1

一种低碳高锰合金钢HFW膨胀套管母管

低碳高锰合金钢HFW膨胀套管母管采用化学成分的含量为：C ：0.1-0.2%、Mn：2.0-3.0%、Si：0.1-0.3%、P≤100ppm、S≤60ppm、Cr+Mo+Ni：0.8-1.5%、Nb+V+Ti＜0.15%，余量为铁的低碳高锰合金钢卷板为原料。

低碳高锰合金钢HFW膨胀套管母管的制造方法，制造过程包括如下步骤：

（1）将低碳高锰合金钢卷板，进行拆卷矫平处理，卷板经开卷、矫平，得到带钢；将所述带钢进行剪切对焊，采用气体保护焊方式将两个带钢的头尾进行焊接；采用铣边方式，将钢带两边单侧去掉5～10mm；对母材进行超声波分层检验后；以开口角度为4°，挤压量为5.0-7.0mm，在FFX轧机中进行成型处理；以焊接功率为350～550KW，焊接速度为13±2m/min的接触焊进行高频焊接处理，得到HFW焊接管坯；

（2）将所述HFW焊接管坯进行在线探伤后，、在线热处理，用中频感应加热以700～1000℃的正火温度对焊缝区域进行焊后热处理，缓慢空冷，待管体温度≤340℃后，进行水冷热处理；

（3）将水冷处理后的管坯进行定径矫直、在线喷标、定尺切管、理化试验、机械平头、水压试验、超声波焊缝探伤、管端探伤处理，得到低碳高锰合金钢HFW膨胀套管母管。

为了更好的说明本发明实施例提供的低碳高锰合金钢HFW膨胀套管母管的特性，对采用上述方法生产出来的规格为244.5×11.99的HFW膨胀套管母管，按照API 5CT标准对钢管的金相、管体夏比冲击、管体横纵向屈服强度、管体横纵向抗拉强度、管体横纵向均匀延伸率、管体横纵向屈强比、焊缝抗拉强度、焊缝均匀延伸率、焊缝夏比冲击进行逐项检查、试验，结果如图2-11所示。

由以上数据可得，本发明实施例所提供的低碳高锰合金钢HFW膨胀套管母管的上述各项指标均满足API 5CT标准的要求。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种低碳高锰合金钢HFW膨胀套管母管，其特征在于：原料为低碳高锰合金卷板，以所述低碳高锰合金卷板的总质量为100％计，包括如下重量百分比的下列元素组分：C：0.1-0.2％、Mn：2.0-3.0％、Si：0.1-0.3％、P≤100ppm、S≤60ppm、Cr+Mo+Ni：0.8-1.5％、Nb+V+Ti＜0.15％，余量为Fe，

所述套管母管采用如下制造方法制备：

(1)以低碳高锰合金钢卷板为原料，经过剪切对焊、铣边、成型、高频焊接处理，得到HFW焊接管坯，高频焊接的焊接功率为350～550KW，焊接速度为13±2m/min；

(2)将所述HFW焊接管坯进行热处理，热处理工序中只对焊缝区域进行正火处理，正火处理的温度为700-1000℃，待管体温度≤340℃后，进行水冷处理；

(3)将处理后的管坯进行定径矫直、定尺切管、机械平头、水压试验、探伤处理，得到低碳高锰合金钢HFW膨胀套管母管。

2.如权利要求1所述的低碳高锰合金钢HFW膨胀套管母管的制造方法，其特征在于：制造过程至少包括如下步骤：

(1)以低碳高锰合金钢卷板为原料，经过剪切对焊、成型、高频焊接处理，得到HFW焊接管坯；

(2)将所述HFW焊接管坯进行热处理；

(3)将热处理后的管坯进行定径矫直、定尺切管、机械平头、水压试验、探伤处理，得到低碳高锰合金钢HFW膨胀套管母管。

3.如权利要求2所述的低碳高锰合金钢HFW膨胀套管母管的制造方法，其特征在于：制造过程包括如下步骤：

(1)将低碳高锰合金钢卷板，进行拆卷矫平处理，得到带钢，将所述带钢进行剪切对焊、板边加工、母材探伤、成型、高频焊接处理，得到HFW焊接管坯；

(2)将所述HFW焊接管坯进行在线探伤、在线热处理，待管体温度≤340℃后，进行水冷热处理；

(3)将水冷处理后的管坯进行定径矫直、在线喷标、定尺切管、理化试验、机械平头、水压试验、超声波焊缝探伤、管端探伤处理，得到低碳高锰合金钢HFW膨胀套管母管。

4.如权利要求2或3所述的低碳高锰合金钢HFW膨胀套管母管的制造方法，其特征在于：所述成型方式为FFX轧辊成型。

5.如权利要求2或3所述的低碳高锰合金钢HFW膨胀套管母管的制造方法，其特征在于：所述高频焊接方式为接触焊。

6.如权利要求5所述的低碳高锰合金钢HFW膨胀套管母管的制造方法，其特征在于：所述高频焊接的焊接功率为350～550KW，焊接速度为13±2m/min。

7.如权利要求3所述的低碳高锰合金钢HFW膨胀套管母管的制造方法，其特征在于：所述在线热处理工序中只对焊缝区域进行正火处理。

8.如权利要求7所述的低碳高锰合金钢HFW膨胀套管母管的制造方法，其特征在于：所述正火处理的温度为700-1000℃。