CN109207839A

CN109207839A - 一种高强高韧射孔枪管及其制造方法

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Publication number: CN109207839A
Application number: CN201710514089.7A
Authority: CN
Inventors: 董晓明; 张忠铧; 孙文; 赵存耀
Original assignee: Baoshan Iron and Steel Co Ltd
Current assignee: Baoshan Iron and Steel Co Ltd
Priority date: 2017-06-29
Filing date: 2017-06-29
Publication date: 2019-01-15

Abstract

本发明公开了一种高强高韧射孔枪管，其化学元素质量百分比为：C：0.05‑0.11％、Si：0.1‑0.4％、Mn：1‑1.8％、Cr：0.1‑1％、Mo：0.31‑0.8％、Nb：0.01‑0.04％、V：0.01‑0.15％、Ti：0.02‑0.05％、B：0.0015‑0.005％、Al：0.01‑0.05％、Ca：0.001‑0.004％、余量为Fe和不可避免的杂质。此外，本发明还公开了一种上述高强高韧射孔枪管的制造方法，包括步骤：(1)冶炼；(2)浇铸成圆坯：结晶器采用电磁搅拌工艺；(3)将圆坯制成钢管；(4)热处理。本发明所述的高强高韧射孔枪管强度高韧性好，能具有良好的经济效益。

Description

一种高强高韧射孔枪管及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种钢产品及其制造方法，尤其涉及一种射孔枪管及其制造方法。

背景技术

射孔是石油勘探与开发系统工程中极其重要的一项技术，是提高油气井采收率的重要手段之一。射孔作业中射孔枪管作为弹架对射孔方向进行定位，保护射孔火工器件不受井内流体浸泡、承受压力和减轻射孔作业时对井下套管的损害，并在爆炸过程中保护油层套管。由于其工作条件恶劣，枪管除了受介质腐蚀、井温及压力的影响外，主要威胁来自射孔弹发射时产生的高压及巨大冲击波，因此对其质量、强度和韧性尤其是横向冲击韧性要求非常严格。

高强度射孔枪管不仅抗压能力强，可抵御深井和射孔弹发射时产生的高压环境，而且其抗膨胀变形能力强，有效防止卡井，此外，射孔枪管的强度提高也可以降低枪体壁厚，提高射孔质量。射孔枪管在要求高强度的同时也需具有高的韧性匹配，因为高强度射孔枪管韧性不足，尤其是横向冲击韧性低时会导致射孔孔眼毛刺高甚至枪体开裂，造成卡井等事故。所以射孔枪管的设计需要兼顾强度和韧性，在满足高强度的同时尽可能提高韧性指标，提高射孔作业质量和使用安全性。

评价射孔枪管抗射孔开裂性能重要的指标为Akv/Ys即为横向冲击韧性与屈服强度的比值大小，保证良好的射孔质量需要Akv/Ys≥0.12J/MPa。

公开号为CN103352169A，公开日为2013年10月16日，名称为“射孔枪管管体用无缝钢管材料及其热处理方法”的中国专利文献公开了一种射孔枪管管体用无缝钢管材料，该专利文献所公开的技术方案所涉及的射孔枪管强度达到150钢级，但是其工艺复杂，需要采用两次调质热处理，生产成本较高。

公开号为CN103614631A，公开日为2014年3月5日，名称为“含稀土射孔枪管体材料及其制备方法”的中国专利文献公开了一种含稀土射孔枪管体材料，该专利文献所公开的技术方案采用加入稀土元素以改善夹杂物形态，提高韧性指标。但是此专利文献所涉及的枪管强度和韧性均较低，无法满足高强度枪管的性能要求。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种高强高韧射孔枪管，为保证射孔具有良好的射孔性能，需要综合考虑材料的横向冲击韧性高和强度，强度越高，需要的横向冲击韧性越高，因此在材料设计上需要同时提高强度和韧性。

为了实现上述目的，本发明提出了一种高强高韧射孔枪管，其化学元素质量百分比为：

C：0.05-0.11％、Si：0.1-0.4％、Mn：1-1.8％、Cr：0.1-1％、Mo：0.31-0.8％、Nb：0.01-0.04％、V：0.01-0.15％、Ti：0.02-0.05％、B：0.0015-0.005％、Al：0.01-0.05％、Ca：0.001-0.004％、余量为Fe和不可避免的杂质。

在本发明所述的技术方案中，在钢种设计上通过微合金化的成分设计，降低碳的质量百分比，以减少脆性的Cr、Mo以及Fe的碳化物的形成，利用在回火过程中形成的V、Nb和Ti细小的析出物获得良好的析出强化效果以及Cr、Mo元素的固溶强化效果，同时提高射孔枪管的强度和韧性，显著的提高射孔质量。

因此，本案发明人对本发明所述的高强高韧射孔枪管的各化学元素进行设计，设计原理如下所述：

C：在本发明所述的高强高韧射孔枪管中，C为析出物形成元素，可以提高钢的强度，当C的质量百分比低于0.05％时，会使淬透性降低，从而降低韧性，材料强度难以达到110-135ksi，当C的质量百分比高于0.11％时，会与Cr、Mo形成大量脆性的析出物，并显著加重钢的偏析，造成韧性显著降低，难以达到高韧性的要求。因此，本发明所述的高强高韧射孔枪管把C的质量百分比限定在0.05-0.11％。

Si：Si固溶于铁素体以提高钢的屈服强度，不宜过高，Si的质量百分比太高会使加工和韧性恶化，但当Si的质量百分比低于0.1％会使钢容易氧化。因此，本发明所述的高强高韧射孔枪管把Si的质量百分比限定在0.1-0.4％。

Mn：Mn为奥氏体形成元素，可以提高钢的淬透性，由于在本钢种体系中碳的质量百分比较低，需要提高Mn的质量百分比。当Mn的质量百分比小于1％时，显著降低钢的淬透性，降低马氏体比例从而降低韧性；当Mn的质量百分比大于1.8％时，将显著增加钢中的组织偏析，影响热轧组织的均匀性和冲击性能。因此，本发明所述的高强高韧射孔枪管把Mn的质量百分比限定在1-1.8％。

Cr：在本发明所述的技术方案中，Cr是强烈提高淬透性元素，强析出物形成元素，回火时析出析出物提高钢的强度，但Cr的质量百分比高于1％时容易在晶界析出粗大M₂₃C₆析出物，降低韧性，Cr的质量百分比低于0.1％时，则淬透性不足。因此，本发明所述的高强高韧射孔枪管把Cr的质量百分比限定在0.1-1％。

Mo：在本发明所述的技术方案中，Mo主要是通过析出物及固溶强化形式来提高钢的强度及回火稳定性，在本钢种体系中由于碳的质量百分比较低，添加0.8％以上的Mo时，容易产生偏析组织，而当Mo的质量百分比低于0.31％时强度无法达到155ksi高强度的要求，因此，本发明所述的高强高韧射孔枪管把Mo的质量百分比限定在0.31-0.8％。

Nb：在本发明所述的高强高韧射孔枪管中，Nb是细晶和析出强化元素，可弥补因碳降低而引起的强度的下降，当Nb的质量百分比小于0.01％时，作用不明显，当Nb的质量百分比高于0.04％时，容易形成粗大的Nb(CN)，从而降低韧性。因此，本发明所述的高强高韧射孔枪管将Nb的质量百分比限定在0.01-0.04％。

V：在本发明所述的技术方案中，V是典型的析出强化元素，可弥补因碳降低而引起的强度的下降，当V的质量百分比小于0.01％时强化效果难以使材料达到155ksi，当V的质量百分比高于0.15％时容易形成粗大的V(CN)，从而降低韧性，因此，本发明所述的高强高韧射孔枪管把V的质量百分比限定在0.01-0.15％。

Ti：在本发明所述的高强高韧射孔枪管中，Ti是强碳氮化物形成元素，显著细化奥氏体晶粒，可弥补因碳的质量百分比降低而引起的强度的下降，若Ti的质量百分比高于0.05％，易形成粗大的TiN，降低材料韧性，因此，本发明所述的高强高韧射孔枪管把Ti的质量百分比限定在0.02-0.05％、

B：在本发明所述的技术方案中，B也可以显著提高淬透性，在本发明所述的高强高韧射孔枪管的低C设计中，B可以解决因C降低所带来的淬透性差的问题。而当B的质量百分比低于0.0015％时，B的提高淬透性作用不显著，而当B的质量百分比高于0.005％时，易形成BN脆性相，降低材料韧性。因此，本发明所述高强高韧射孔枪管将B的质量百分比限定在0.0015-0.005％。

Al：Al为良好的脱氧固氮元素，可细化晶粒，在本发明所述的技术方案中，采用将Al的质量百分比控制在0.01～0.05％。

Ca：在本发明所述的高强高韧射孔枪管中，Ca可以净化钢液，促使MnS球化，提高冲击韧性，但Ca的质量百分比过高时易形成粗大的非金属夹杂物。因此，本发明所述的高强高韧射孔枪管将Ca的质量百分比限定在0.001-0.004％。

P、S：P和S是钢中的有害杂质元素，因此，应尽量降低钢中的P、S的质量百分比，在本发明所述的技术方案中，将P、S的质量百分比控制在P：≤0.015％、S：≤0.003％。

进一步地，在本发明所述的高强高韧射孔枪管中，其微观组织具有弥散分布的V、Nb和Ti的析出相，该析出相的尺寸为20-50nm。

由于本发明所述的技术方案中，碳的质量百分比较低，碳与微合金形成碳化物，依靠获得的V、Nb和Ti析出相以提高强度，这种析出相尺寸较小(例如尺寸为20-50nm)，弥散分布，强化效果显著并且不降低韧性。另外，所加入的Mn、Cr、Mo等合金元素可结合的碳的质量百分比很少，基本上以固溶态存在，从而，防止形成粗大的在晶界分布的脆性Cr和Mo的碳化物(例如尺寸为100-150nm)，依靠C、rMo的固溶强化可提高强度而不降低韧性，从而保证本发明所述的高强高韧射孔枪管具有良好的射孔性能。

根据对不同析出物透射电镜分析结果来看，主要起强化作用的Cr、Mo、V、Nb等的析出物在尺寸和形态上不同，Cr元素主要存在形态为Cr₂₃C₆，此种析出物易于在晶界聚集，尺寸较大，一般在150-250nm；Mo元素主要存在形态为Mo₂C，此种析出物也易于在晶界聚集，晶内也有析出，尺寸中等，一般在100-150nm；V、Nb和Ti元素主要存在形态为(V,Nb,Ti)(C,N)，此种析出物在晶内均匀析出，尺寸细小，一般在20-50nm；按史密斯解理裂纹成核模型，晶界上析出物厚度或直径增加，解理裂纹既易于形成又易于扩展，故使脆性增加。分布于基体中的Cr和Mo粗大析出物，可因本身开裂或其与基体界面上脱离形成微孔，微孔连接长大形成裂纹，最后导致断裂。因此要获得较高的韧性指标，析出物的尺寸要控制在100nm以下，种类主要是(V,Nb,Ti)(C,N)的析出物，尽量减少出现150-250nm的Cr和Mo的析出物。

进一步地，在本发明所述的高强高韧射孔枪管中，其微观组织为回火索氏体，晶粒尺寸为9级以上。

进一步地，在本发明所述的高强高韧射孔枪管中，其横向夏比冲击功与屈服强度的比值Akv/Ys≥0.12J/MPa。

进一步地，在本发明所述的高强高韧射孔枪管中，其屈服强度为758-1034MPa，抗拉强度≥862MPa，0度横向夏比冲击功≥120J。

本发明的另一目的在于提供上述的高强高韧射孔枪管的制造方法，采用该制造方法所获得的射孔枪管射孔性能高，并且该制造方法热处理工艺简单，易于大生产实施。

为了达到上述目的，本发明提出了上述的高强高韧射孔枪管的制造方法，包括步骤：

(1)冶炼；

(2)浇铸成圆坯：结晶器采用电磁搅拌工艺；

(3)将圆坯制成钢管；

(4)热处理：奥氏体化温度为920-960℃，保温30-60min后淬火，然后以500-600℃的温度回火，保温时间30-80min。

上述方案中，在步骤(1)中，在一些实施方式中，冶炼可采用钢水经电炉冶炼，通过炉外精炼、真空脱气和氩气搅拌后，再经过Ca处理进行夹杂物变性，降低O、H的质量百分比。

进一步地，在本发明所述的制造方法中，在所述步骤(3)中，先进行均热，均热温度为1200-1270℃；然后穿孔，穿孔温度为1180-1250℃；然后轧制，轧制温度为980℃-1080℃；然后进行再加热，再加热温度为940-1000℃；然后进行张力减径，张力减径温度为880-950℃。

进一步地，在本发明所述的制造方法中，在所述步骤(2)中，控制钢水过热度小于30℃。

进一步地，在本发明所述的制造方法中，在所述步骤(2)中，结晶器电磁搅拌的电流为550-600A，频率为5-15Hz，从而降低管坯枝晶偏析。

与现有射孔枪管用钢相比，本发明所述的高强高韧射孔枪管具有以下有益效果：本发明所述的高强高韧射孔枪管能够用于制造110ksi钢级以上具有优良强韧性配合和强度均匀性的射孔枪管，最终金相组织为回火索氏体组织，晶粒尺寸9级以上，屈服强度758-1034MPa，抗拉强度≥862MPa，0度横向夏比冲击功≥120J，横向夏比冲击功与屈服强度的比值Akv/Ys≥0.12J/MPa。

此外，本发明所述的高强高韧射孔枪管采用低碳低合金钢成分体系的合金成本低，强度高韧性好，能具有良好的经济效益，同时所述的制造方法中热处理工艺简单，易于大生产实施。

附图说明

图1为实施例1的高强高韧射孔枪管的微观组织图。

图2为对比例2的常规枪管的微观组织图。

具体实施方式

下面将结合说明书附图和具体的实施例对本发明所述的高强高韧射孔枪管及其制造方法做进一步的解释和说明，然而该解释和说明并不对本发明的技术方案构成不当限定。

实施例1-5和对比例1-5

表1列出了实施例1-5的高强高韧射孔枪管以及对比例1-5的常规枪管中的各化学元素的质量百分比。

表1.(wt％，余量为Fe和除了P、S以外的其他不可避免的杂质元素)

实施例1-5的高强高韧射孔枪管以及对比例1-5的常规枪管包括步骤：

(1)冶炼；

(2)浇铸成圆坯：结晶器采用电磁搅拌工艺，电磁搅拌的电流为550-600A，频率为5-15Hz，控制钢水过热度小于30℃；

(3)将圆坯制成钢管：先进行均热，均热温度为1200-1270℃；然后穿孔，穿孔温度为1180-1250℃；然后轧制，轧制温度为980℃-1080℃；然后进行再加热，再加热温度为940-1000℃；然后进行张力减径，张力减径温度为880-950℃；

表2列出了实施例1-5的高强高韧射孔枪管以及对比例1-5的常规枪管的制造方法中的具体工艺参数。

表2.

实施例1-5的高强高韧射孔枪管和对比例1-5的常规枪管进行了性能测定，性能测试结果列于表3。

表3.

由表3可以看出，各实施例所述的高强度高韧性射孔枪管强度达到100ksi钢级以上，横向0度冲击韧性超过120J以上，各实施例的横向夏比冲击功与屈服强度的比值Akv/Ys≥0.12J/MPa，屈服强度为758-1034MPa，抗拉强度≥862MPa，0度横向夏比冲击功≥120J

结合表1至表3可以看出，对比例1和2化学成分超出本案所要求的范围，对比例1的C的质量百分比低，淬透性低，热处理之后常规枪管的管体强度偏低。对比例2的C、Cr和Mo元素的质量百分比较高，横向冲击功显著降低。对比例3不含有B和Ti元素，淬透性差，导致常规枪管横向冲击功降低。对比例4的Mn的质量百分比偏低，淬透性差，导致常规枪管强度和横向冲击功降低。对比例5的Mn和S的质量百分比偏高，易形成MnS夹杂物，也容易产生成分偏析，降低了常规枪管的横向冲击韧性。

图1为实施例1的高强高韧射孔枪管的微观组织图。

如图1所示，实施例1的高强高韧射孔枪管，其微观组织具有弥散分布的V、Nb和Ti的析出相，该析出相的尺寸为20-50nm，为回火索氏体，晶粒尺寸为9级以上。

图2为对比例2的常规枪管的微观组织图。

如图2所示，对比例2的常规枪管的微观组织析出相组织粗大。

需要注意的是，以上列举的仅为本发明的具体实施例，显然本发明不限于以上实施例，随之有着许多的类似变化。本领域的技术人员如果从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种高强高韧射孔枪管，其特征在于，其化学元素质量百分比为：

2.如权利要求1所述的高强高韧射孔枪管，其特征在于，其微观组织具有弥散分布的V、Nb和Ti的析出相，该析出相的尺寸为20-50nm。

3.如权利要求1所述的高强高韧射孔枪管，其特征在于，其微观组织为回火索氏体，晶粒尺寸为9级以上。

4.如权利要求1所述的高强高韧射孔枪管，其特征在于，其横向夏比冲击功与屈服强度的比值Akv/Ys≥0.12J/MPa。

5.如权利要求4所述的高强高韧射孔枪管，其特征在于，其屈服强度为758-1034MPa，抗拉强度≥862MPa，0度横向夏比冲击功≥120J。

6.如权利要求1-5中任意一项所述的高强高韧射孔枪管的制造方法，其特征在于，包括步骤：

(1)冶炼；

(2)浇铸成圆坯：结晶器采用电磁搅拌工艺；

(3)将圆坯制成钢管；

7.如权利要求6所述的制造方法，其特征在于，在所述步骤(3)中，先进行均热，均热温度为1200-1270℃；然后穿孔，穿孔温度为1180-1250℃；然后轧制，轧制温度为980℃-1080℃；然后进行再加热，再加热温度为940-1000℃；然后进行张力减径，张力减径温度为880-950℃。

8.如权利要求6所述的制造方法，其特征在于，在所述步骤(2)中，控制钢水过热度小于30℃。

9.如权利要求6所述的制造方法，其特征在于，在所述步骤(2)中，电磁搅拌的电流为550-600A，频率为5-15Hz。