CN109536852A - 一种膨胀管用trip钢的钢管制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种膨胀管用TRIP钢的钢管制备方法，TRIP钢化学成分的质量百分比：C:0.1％～0.2％，Mn:2.0％～2.5％，Si:1.0％～2.0％，Cr:0.1％～1.0％，V:0.05％～0.15％，Re:0.03％～0.2％，P≤0.015％，S≤0.005％，其余为铁和不可避免杂质；制备方法：S1冶炼钢锭；S2对钢锭进行热处理；S3热挤压制备无缝管材；S4对无缝管材进行热处理。制备的TRIP钢管的抗拉强度700～1000Mpa，屈服强度为350～500Mpa，延伸率超过20％，屈强比0.525，加工硬化指数n最大值达0.65；制备的TRIP钢管的基体组织为铁素体、贝氏体和残余奥氏体组成的复相组织。该制备方法制备的钢管具有复合相、综合性能良好，达到了膨胀管的使用要求。

Description

一种膨胀管用TRIP钢的钢管制备方法
技术领域
本发明属于钢铁冶金及石油天然气工业领域，尤其涉及一种膨胀管用TRIP钢的钢管制备方法。
背景技术
随着石油工业的发展，资源的不断消耗导致了石油的勘探开发难度也日益增大，因此膨胀管的应用成为解决石油钻采问题的有效途径。近些年来处于探索发展阶段的膨胀管技术是一项大有前景的石油钻采技术。在钻井或完井施工作业中，利用机械压力或液压将膨胀工具沿轴向在套管内部运动，用冷加工的方式使整根套管沿径向膨胀变形，从而达到节省套管与套管之间环形空间、扩大钻井直径的目的。该项技术被认为是21世纪石油钻采行业的核心技术之一。当前膨胀管技术被美国石油权威、壳牌公司比作是石油钻采行业的“登月工程”。作为21世纪石油天然气的关键技术即膨胀管技术可在钻井过程优化井内结构，减少套管层次，降低钻井成本，提高工作效率，对于深井，超深井的钻进可减小井眼锥度，实现勘探开发的目的；封隔缩颈、坍塌或井漏；修补磨损的技术套管，在牺牲技术套管的承压能力，保证了后期的施工安全作业。膨胀管技术拥有以上这些优点，使该技术正在大规模普及应用，同时也使等井径井技术成为可能。等井径钻井技术是通过膨胀锥的膨胀使管材发生塑性变形，实现单一膨胀管膨胀后与井径相同，从而获得最大通径。然而等井径井这一目标面临选材问题和井下膨胀稳定性问题。
膨胀管的膨胀过程实质上是金属材料在井下塑性变形过程。整个膨胀过程都在井下的复杂密闭环境中进行的，对膨胀管用钢多方面性能的要求相对也更为苛刻。主要体现在：①在实际钻井工程中，不同井况井下套管膨胀的极限不同，套管补贴所需的膨胀率在15％左右，复杂钻井应用以及等井径井技术则需要管材膨胀率在30％左右；膨胀管井下膨胀时的膨胀驱动力应该不大于现有的钻机可提供的动力。②膨胀管井下膨胀后的性能，包括锚定悬挂强度、钢管的抗拉强度、屈服强度以及延伸率等其它力学性能指标仍能够达到API5CT中对于石油套管钢材的性能要求。③膨胀管应具有较低Bauschinger效应或设法消除、减弱材料的Bauschinger效应，以满足套管膨胀后的抗挤毁强度不产生明显的降低。④膨胀管应控制钢管壁厚不均度和外径不圆度，以满足膨胀管均匀膨胀的膨胀极限要求和锚定膨胀管的技术要求。
目前的膨胀管主要是由石油套管改制而成，只是力学性能符合API标准规范，其膨胀过程的稳定性欠佳。现在使用的主要有L-80、K-55、J-55以及壳牌公司花了近6年的时间开发的LSX-80膨胀管材等石油管材。就国内而言，膨胀管选材还是在API套管中寻找，停留在J55钢的低强度级别范围内，材料的膨胀率均小于25％，不满足复杂钻井及等井径井技术中对膨胀管的性能要求。已有少量膨胀管材研发集中在不锈钢类双相钢等一些小尺寸钢管上面。天津大学的许瑞萍(徐瑞萍.可膨胀管材料的研究与开发[D].天津：天津大学，2006：2-13)等研发另一种低合金的膨胀合金—双相钢。采用两相区加热和等温淬火的综合热处理方式，使钢材的显微组织含有大量铁素体并夹杂部分马氏体奥氏(F+MA)，利用软相铁素体使钢材的塑性提高，利用马氏体奥氏体混合组织提高材料的强度。力学性能测试显示，其强度达到650MPa，延伸率达到33％，满足膨胀管材料的设计要求，成功地研制出了可以大批量推广的且价格较低的膨胀管材料。但是却未见到相应可膨胀管材料的膨胀试验报道。西南石油大学杨洋等人(杨洋.可膨胀管用材料的设计与开发[D]。西南石油大学硕士论文.2013)开发设计了具有TWIP效应的奥氏体钢，其各元素成分百分比：0.6％C,20％Cr,0.10％Nb,0.1％RE。经拉伸试验可得TWIP钢抗拉强度能达到1065.6MPa，延伸率可达67.07％，其强塑积高达71470MPa％，但是采用固定式膨胀锥对TWIP样管进行了膨胀试验，膨胀锥半锥角选为10°,TWIP钢样管在膨胀20％的过程中管材边缘处出现裂纹,最终的膨胀没能获得成功，因此膨胀管材的选择问题一直没能解决。
大膨胀率可膨胀管的制备设计、金属加工、机械设计等多个领域，其在材料领域中膨胀管材料选择与开发设计尤为重要。高强钢中主要有烘烤硬化钢(BH),马氏体钢(M),高强度低合金钢(HSLA)、双相钢(DP)、复相钢(CP)及相变诱发塑性钢(TRIP)，与常规的软钢相比，这些钢种不仅具有高强度而且具有高的断后伸长率，尤其是TRIP钢独特的强韧化机制。为了说明可膨胀套管材料的综合性能，通常利用“强塑积”即拉伸强度Rm与断后伸长率A的乘积这一概念作为选材标准，TRIP钢的强塑积达21000Mpa％。山东建筑大学陈辉等人(陈辉.C、Mn配分对TRIP效应钢组织与性能影响的研究[d].济南：山东建筑大学，2014.)所研制设计的TRIP试验钢的化学成分:0.15C-1.5Mn-1.5Si-0.5Cu,Fe余量(wt.％)，通过淬火-配分工艺生产一种以马氏体+残余奥氏体为主要组织，具有相变诱发塑性(TransformationInduced plasticity-TRIP)效应的第三代高强钢。工艺中的碳配分过程能够提高奥氏体稳定性，使奥氏体保留到室温(残余奥氏体)，而残余奥氏体在应力作用下转变为马氏体，马氏体为TRIP钢提供超高强度，但是损失了一定塑韧性，断后伸长率不足15％，显然此类钢种不适于膨胀管的选材，因为这将导致后期膨胀相当困难而且管材易破裂以至于膨胀失败。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提供一种膨胀管用TRIP钢的钢管制备方法，由该制备方法制备的钢管具有复合相、综合性能良好，能较好达到膨胀管的使用要求。
本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：
一种膨胀管用TRIP钢的钢管制备方法，其特征在于：TRIP钢化学成分的质量百分比：C:0.1％～0.2％，Mn:2.0％～2.5％，Si:1.0％～2.0％，Cr:0.1％～1.0％，V:0.05％～0.15％，Re:0.03％～0.2％，P≤0.015％，S≤0.005％，其余为铁和不可避免杂质；
钢管的制备方法，包括如下步骤：
S1冶炼钢锭：以工业纯铁、铁合金、电解锰石墨、多晶硅、钒为原材料，采用真空冶炼，冶炼温度为1500～1650℃，浇注温度为1500℃，使钢锭获得大量的等轴晶组织；
S2对钢锭进行热处理：进行扩散退火，温度为1050～1100℃，保温时间为48小时；
S3热挤压制备无缝管材：热挤压温度控制在1100～1200℃，制成规定尺寸的无缝管材，之后进行空冷；
S4对无缝管材进行热处理：采用临界区退火和中温等温淬火，临界区加热温度为740℃，保温80分钟后在400℃的箱式电阻炉中等温80分钟，之后取出油冷至室温；
制备的TRIP钢管的抗拉强度为700～1000Mpa，屈服强度为350～500Mpa，延伸率超过20％，屈强比0.525，加工硬化指数n最大值达0.65；制备的TRIP钢管的基体组织为铁素体、贝氏体和残余奥氏体组成的复相组织。
本发明的优点和积极效果是：
1、本发明通过优化主要相的组成来设计，在真空中频感应炉中冶炼，其熔炼真空度可达到10-3Pa，铝铁合金为脱氧剂，控制浇铸，开坯后对钢锭进行扩散退火。控制热挤压温度，经挤压成型后的无缝管材结合退火和中温等温淬火处理获得具有纯净度高的、抗拉强度为700～1000Mpa、延伸率超过20％、屈强比为0.525，基体室温组织为铁素体、贝氏体和残余奥氏体组成的复相TRIP钢，其屈强比明显低于一般的微合金化高强度成形钢板(一般高于0.8)，能够很好的满足可膨胀管技术对材料强度和塑性的要求，利于膨胀过程中大管材膨胀率的发生，管材膨胀可达40％以上。
2、本发明中加入2％～2.5％的Mn能极好的提高钢的淬透性，Mn是奥氏体形成元素，在钢中能起到固溶强化作用；0.10％～0.20％的C固溶于奥氏体中，可以扩大γ区增加残余奥氏体的数量，使铁素体和贝氏体转变的C曲线右移推迟铁素体和贝氏体的转变，降低了Ms点；Si元素既可以抑制冷却过程中渗碳体的形成，也可以增加残余奥氏体的稳定性；少量的Cr元素可以改善钢的抗腐蚀性能，微量的钒可以提高钢的强度等性能。
3、本发明中微量的稀土元素(0.03％～0.20％)在钢中起到净化钢液作用，强效合金化，可深度降低钢中的氧和硫含量，降低磷、硫、氢等低熔点元素的有害作用，也包含改善这些元素在晶界上的偏聚程度，提高TRIP钢的韧性。同时，微量的稀土元素还可以起到细化晶粒组织、改善杂质分布、固溶强化的作用。
4、本发明中在钢中采用低的含碳量，添加适量的扩大γ区的Mn与Si合金元素，添加少量的Cr元素，提高了合金的抗腐蚀性能，以及微量的钒与稀土元素提高了TRIP钢的综合性能。相比于其他专利的膨胀管用钢(见专利CN102560259、CN107138553A、CN101065503A)，该TRIP钢的基体组织为铁素体、贝氏体和残余奥氏体组成的复相组织，其抗拉强度700～1000Mpa，屈服强度为350～500Mpa，延伸率超过20％，屈强比0.525，加工硬化指数n最大值达0.65，适合膨胀管的制备。
5、本发明在保证钢材强度的前提下，钢的S、P含量进一步降低、洁净度进一步提高，这有利于合金韧性和初始形变时的应变速率n值的提高，满足了井下膨胀管的性能要求。
附图说明
图1是本发明实施例1钢临界区退火+中温等温淬火工艺图；
图2是本发明实施例1钢的应力-应变曲线；
图3是本发明实施例1钢X射线衍射图谱；
图4是本发明实施例1钢拉伸试验前金相组织；
图5是本发明实施例1钢拉伸试验前的SEM形貌。
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。
实施例1
膨胀管用TRIP钢，其化学成分按质量百分数为：C含量0.12％，Mn含量2.0％，Si含量1.5％，V含量0.08％，Cr含量0.40％，Re含量0.035％，余量为铁和不可避免杂质。钢管制备方法：以工业纯铁和铁合金、电解锰石墨、多晶硅、钒等为原材料，在真空中频感应炉中冶炼，其熔炼真空度可达到10-3Pa，冶炼温度为1500～1650℃，浇注温度约为1500℃，使钢锭获得大量的等轴晶组织。对钢锭进行扩散退火，温度为1050～1100℃，保温时间为48小时。热挤压制备无缝管材，热挤压温度控制在1100～1200℃，制成规定尺寸的无缝管材，之后进行空冷。经热挤压成型的无缝管材采用临界区退火和中温等温淬火，临界区加热温度为740℃，保温80分钟后在400℃的箱式电阻炉中等温80分钟，之后取出油冷至室温。力学性能测试结果其抗拉强度700～1000Mpa，屈服强度为350～500Mpa，延伸率超过20％，屈强比0.525，加工硬化指数最大值达0.65，膨胀率高达40％。
图1所示是TRIP钢临界区退火+中温等温淬火工艺图。图2是TRIP钢的应力-应变曲线，其抗拉强度800Mpa，屈服强度为420Mpa，延伸率超过20％，屈强比0.525，明显低于一般的微合金化高强度成形钢板(一般高于0.8)。图3为TRIP钢X射线衍射图谱,TRIP钢的XRD物相分析结果，经分析可知在TRIP中，除了有体心立方结构外，还存在着少量的面心立方结构。体心立方结构的存在表征了TRIP钢组织中含有铁素体和贝氏体，两者占多数；面心立方结构的存在证明了TRIP钢组织中含有少量的残余奥氏体。图4为TRIP钢拉伸试验前的金相组织，图中浅色部分为基体铁素体组织，较深色部分为贝氏体组织，而弥散分布于晶界上的亮白色部分为残余奥氏体。采用Image-Pro Plus 6.0软件分别计算各相组织的体积百分数，可得基体铁素体占72.7％，贝氏体占22.1％，残余奥氏体占5.2％。如图5TRIP钢拉伸试验前的SEM形貌，更直观地反映了TRIP钢中铁素体、贝氏体和残余奥氏体三相组织共存的状况。当发生形变时，外加载荷即会成为奥氏体发生ε马氏体相变的驱动力，使得位于晶界上的残余奥氏体转变为ε马氏体发生TRIP效应。
实施例2
膨胀管用TRIP钢，其化学成分按质量百分数为：C含量0.15％，Mn含量2.2％，Si含量1.7％，V含量0.10％，Cr含量0.60％，Re含量0.05％，余量为铁和不可避免杂质。钢管的制备方法与实施例1相同，同样能得到相应的组织和性能。
实施例3
膨胀管用TRIP钢，其化学成分按质量百分数为：C含量0.15％，Mn含量2.4％，Si含量1.9％，V含量0.12％，Cr含量0.80％，Re含量0.06％，余量为铁。钢管的制备方法与实施例1相同，同样能得到相应的组织和性能。
上述实施案例表明本发明可获得具有铁素体、贝氏体和残余奥氏体组成的复相组织、满足膨胀管性能要求的TRIP钢材质的钢管。
尽管为说明目的公开了本发明的实施例和附图，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的，因此，本发明的范围不局限于实施例和附图所公开的内容。

Claims (1)

1.一种膨胀管用TRIP钢的钢管制备方法，其特征在于：TRIP钢化学成分的质量百分比：C:0.1％～0.2％，Mn:2.0％～2.5％，Si:1.0％～2.0％，Cr:0.1％～1.0％，V:0.05％～0.15％，Re:0.03％～0.2％，P≤0.015％，S≤0.005％，其余为铁和不可避免杂质；
钢管的制备方法，包括如下步骤：
S1冶炼钢锭：以工业纯铁、铁合金、电解锰石墨、多晶硅、钒为原材料，采用真空冶炼，冶炼温度为1500～1650℃，浇注温度为1500℃，使钢锭获得大量的等轴晶组织；
S2对钢锭进行热处理：进行扩散退火，温度为1050～1100℃，保温时间为48小时；
S3热挤压制备无缝管材：热挤压温度控制在1100～1200℃，制成规定尺寸的无缝管材，之后进行空冷；
S4对无缝管材进行热处理：采用临界区退火和中温等温淬火，临界区加热温度为740℃，保温80分钟后在400℃的箱式电阻炉中等温80分钟，之后取出油冷至室温；
制备的TRIP钢管的抗拉强度为700～1000Mpa，屈服强度为350～500Mpa，延伸率超过20％，屈强比0.525，加工硬化指数n最大值达0.65；制备的TRIP钢管的基体组织为铁素体、贝氏体和残余奥氏体组成的复相组织。
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CN110951947A (zh) * 2019-11-12 2020-04-03 江阴康瑞成型技术科技有限公司 易打孔、易切削用不锈钢棒及其生产工艺

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