專利名稱：一種石油天然氣開采用p110級膨脹管的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于鋼鐵材料領(lǐng)域，尤其涉及一種石油天然氣開采用PllO級膨脹管的制備方法。
背景技術(shù)：
近年來，隨著石油鉆采工業(yè)的蓬勃發(fā)展，相關(guān)的勘探開發(fā)拓展到了海洋作業(yè)以及陸地超深井作業(yè)等復(fù)雜領(lǐng)域，海洋鉆探以及陸地超深井的開采這些全新課題的出現(xiàn)使得油氣勘探開發(fā)的難度日益增大。在這些領(lǐng)域中，傳統(tǒng)的油氣井作業(yè)方式受到了嚴(yán)重的限制，其原因在于，原有的技術(shù)套管是由多種尺寸的套管組成的，其井身結(jié)構(gòu)呈上大下小的錐形，隨著井深的增加，下入井眼中的套管層次也在不斷增加，從而使可利用的井眼直徑越來越小， 而大大增加了鉆井的成本，在深井超深井鉆井中，井眼直徑的不斷縮小甚至有可能導(dǎo)致無法最終鉆達(dá)目的層。在這種情況下，上世紀(jì)九十年代末，殼牌公司首先提出了可膨脹套管技術(shù)，并由Enventure公司在墨西哥灣的海洋深井作業(yè)中完成了世界上的首次膨脹管的商業(yè)應(yīng)用。膨脹管是一種具有良好塑性的金屬鋼管，可以廣泛應(yīng)用于鉆井、完井、采油以及修井等作業(yè)過程中，是21世紀(jì)石油鉆采行業(yè)的重大技術(shù)變革?？膳蛎浱坠芗夹g(shù)，就是通過在井下將鉆井管(膨脹管)往徑向膨脹，使其內(nèi)、外徑擴(kuò)大，實現(xiàn)使用同一尺寸的套管代替現(xiàn)行的多層次套管，以提高應(yīng)對多個復(fù)雜地層的鉆采能力，提高作業(yè)成功率，降低鉆井成本。該項技術(shù)的誕生，使得由下入井眼中的管柱所導(dǎo)致的井眼尺寸的減小達(dá)到最低限度，從而使得傳統(tǒng)上一些無法經(jīng)濟(jì)開采的深層油氣藏得以開采，大大降低了該類油氣田的開發(fā)成本， 同時可以極大地降低油氣井建井成本，據(jù)統(tǒng)計，采用該項技術(shù)可以降低44%的鉆井液用量、 42%的水泥用量、38%的套管用量和59%的鉆屑生成量(楊傳勇.國外可膨脹套管技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用.石油機械.2006，34 (10):74-76)。自問世以來，膨脹管技術(shù)在世界范圍內(nèi)得到了蓬勃的發(fā)展，下入長度不斷增加，工藝手段不斷進(jìn)步。目前，世界上多家石油公司均應(yīng)用了此項技術(shù)。例如威福德公司、殼牌和哈里伯頓合資的Enventure公司、哈里伯頓公司、貝克石油工具公司、斯倫貝謝公司以及READ油井服務(wù)公司等(彭在美，趙旭，竇樹柏，等.國外可膨脹套管技術(shù)的發(fā)展概況.焊管.2010，33(6):5-9)。我國于2000年開始引進(jìn)可膨脹套管技術(shù)，對于該項技術(shù)的研究，目前尚處于起步階段。在膨脹管材料的試制及性能研究方面， 國內(nèi)的西安石油大學(xué)、天津大學(xué)以及上海形狀記憶有限公司均開發(fā)了可膨脹管材并進(jìn)行了試驗；在可膨脹套管技術(shù)的下井試驗方面(李作會.膨脹管關(guān)鍵技術(shù)研究及首次應(yīng)用.石油鉆采工藝，2004，26(3):17-18)，2003年12月5日-2004年1月7日，勝利油田鉆井工藝研究院等單位在T61-C162井和W14C20井采用了 Envebture公司生產(chǎn)的Φ 107. 95mmX6. 35mm 實用可膨脹套管，膨脹后固井質(zhì)量都達(dá)到了優(yōu)良，兩口井至今一直正常生產(chǎn)，效益顯著。綜合以上信息，不難看出，在實際的應(yīng)用中，可膨脹套管技術(shù)技術(shù)是先進(jìn)的、可靠的和經(jīng)濟(jì)的， 膨脹管技術(shù)的開發(fā)，將會進(jìn)一步促進(jìn)我國HEW焊管領(lǐng)域的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)調(diào)整，是具有廣闊發(fā)展前景的重大技術(shù)變革。按照油田通用作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，膨脹管在膨脹前的外徑不可超過118mm。因此，為了減小
3膨脹管施工后對產(chǎn)油量和井下施工難度的影響，需要使用具有較大內(nèi)通徑的膨脹管，但若提高膨脹管的內(nèi)通徑，必須減小膨脹管的壁厚。對于一般材質(zhì)，膨脹管壁厚與管體能夠達(dá)到的強度是成正比的，犧牲壁厚勢必會降低管體的強度。具有高強度、高塑性的PllO鋼級以上級膨脹管的出現(xiàn)很好的解決了上述問題，因此，通過設(shè)計合理的成分、制定優(yōu)化的熱處理工藝，而實現(xiàn)Plio鋼級膨脹管的國產(chǎn)化具有十分重要的現(xiàn)實意義?？v觀當(dāng)前的PllO鋼級膨脹管成分以及有關(guān)生產(chǎn)工藝，生產(chǎn)出兼顧優(yōu)良的使用性能、服役性能以及低廉的生產(chǎn)成本三個方面的高鋼級膨脹管，是該領(lǐng)域中研發(fā)的最大難點，同時也是制約PllO高鋼級膨脹管鉆井技術(shù)發(fā)展的瓶頸之一。例如，公開號為CN 101353949A的中國專利，在成分里面加入了大量的Cr、Ni等貴金屬，原料的合金成本很高， 此外，該項專利沒有提及對膨脹管綜合性能至關(guān)重要的沖擊性能、均勻延伸率以及屈強比等性能；專利號為特開2003-105441的日本專利以及公開號為CN 101144141A的中國專禾IJ，合金成分里面也加入了 Ilwt %以上的Cr，致使膨脹管的生產(chǎn)成本較高，此外，上述專利對于膨脹管的沖擊性能、均勻延伸率以及屈強比等關(guān)鍵性能均未給予詳細(xì)說明。上述專利原料的合金成本較高，提升了膨脹管鉆井技術(shù)的成本，不利于PllO高鋼級膨脹管技術(shù)的推廣和發(fā)展。近年來，Q&P (quenching and Partitioning，淬火-分配)鋼因其自身所具有的高強度和高塑韌性等優(yōu)良力學(xué)性能而受到了國際社會的廣泛關(guān)注。利用Q&P兩步處理所獲得的鋼材具有的強度高、延伸性好、沖擊韌性優(yōu)良等特點，使其成為鋼鐵材料領(lǐng)域中耀眼的新星?，F(xiàn)有的研究，如"M. J. Santofimia, T. Nguyen-Minh, L. Zhao, R. Petrov, I. Sabirov, J. Sietsma. New low carbon Q&P steel containing film-like intercritical ferrite, Mater Sci Eng A, 2010，527，6429—6439” 和 “H. Y. Li, X. W. Lu, X. C. ffu, Y. A. Min, X. J. Jin. Bainitic transformation during the two-step quenching and partitioning process in a medium carbon steel containing silicon, Mater Sci Eng A, 2010, 527，6255-6259”均記載了利用Q&P兩步處理獲得高強、高塑、高韌鋼的方法，其工藝流程為熱軋一卷板后空冷至室溫一部分奧氏體化一淬火一配分(等同于低溫回火)一淬火，即將鋼熱軋之后，再將鋼部分奧氏體化，然后快冷到Ms-Mf點之間最終得到由板條狀的馬氏體、分布于其板條之間的薄膜狀的亞溫鐵素體以及具有較高穩(wěn)定性的殘余奧氏體組成的多相組織結(jié)構(gòu)。其中，Ms為鋼在淬火過程中過冷奧氏體開始轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體的溫度，該臨界溫度與鋼的含碳量、合金元素成分的高低、奧氏體晶粒大小、冷卻速度、鋼的應(yīng)力狀態(tài)以及塑性形變等因素有關(guān)，Mf為馬氏體相變的結(jié)束溫度。這兩個溫度均可以通過德國Baehr熱分析公司生產(chǎn)的DIL805A淬火膨脹儀對相關(guān)鋼材做溫度-熱膨脹曲線而得到。公開號為 CN101775470A、名稱為“低合金復(fù)相Q&P鋼的生產(chǎn)方法”的中國發(fā)明專利中所提到的幾類 Q&P鋼的合金元素含量適中，均勻延伸率以及斷后延伸率二值均較高，分別達(dá)到了 19%和 32%，抗拉強度和屈服強度分別達(dá)到了 605ΜΙ^和810MPa，其強塑積達(dá)到了 25920MPa%，實現(xiàn)了強度和塑性二者的優(yōu)良組合。綜上所述，從節(jié)約能源、降低成本、進(jìn)一步提高鋼材的強度、塑性以及焊接性，提高鋼材的綜合性能指標(biāo)、從而拓寬Q&P鋼的應(yīng)用領(lǐng)域等角度考慮，有必要將現(xiàn)有的Q&P鋼工藝與膨脹管的選材、制備及加工處理等環(huán)節(jié)結(jié)合起來，采用價格低廉的低碳錳硅鋼或低碳錳硅鋁鋼為原材料來制造膨脹管，簡化材料合金成分，少用甚至不用我國稀缺的貴金屬及稀有金屬，以提高管材的焊接能力并降低管材造價；使用改進(jìn)后的Q&P處理工藝對膨脹管進(jìn)行處理，提高膨脹管的綜合性能，使其性能達(dá)到甚至超過API的PllO級膨脹管標(biāo)準(zhǔn)，從而實現(xiàn)PllO鋼級高強膨脹管的國產(chǎn)化，將具有十分重要的現(xiàn)實意義。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提出一種具有較高擴(kuò)徑能力及較低生產(chǎn)成本的PllO鋼級膨脹管的成分設(shè)計以及熱處理工藝，通過合理的合金設(shè)計獲得較低生產(chǎn)成本的PllO鋼級膨脹管用鋼，并通過冶煉、軋制獲得相關(guān)合金板，對合金板進(jìn)行卷板加工，然后焊接制成膨脹管， 最后通過完全奧氏體化后淬火以及后續(xù)的亞溫回火-淬火-配分處理共兩套工序使膨脹管管材達(dá)到預(yù)期的強度標(biāo)準(zhǔn)和塑性變形能力，保證管材膨脹前后的力學(xué)性能均能滿足API及其它有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，從而使新的PllO鋼級膨脹管在強行等減徑的方式下，發(fā)生較大的塑性變形，使管材獲得較大的內(nèi)通徑，最終管體在壁厚被減小很多的情況下自身仍能保持較高的強度，從而解決現(xiàn)有膨脹管的薄壁厚和高強度之間的矛盾，實現(xiàn)Plio鋼級以上級膨脹管的國產(chǎn)化，提高我國焊管制造的整體水平，對我國石油工業(yè)的發(fā)展也具有重要的現(xiàn)實意義。一種石油天然氣開采用PllO級膨脹管，包括以下成分 0.lwt% 0. 3 wt% 的 C ；
0. 70 wt% 2. 0 wt% 的 Mn ； 0. 3 wt% l. 5 wt% 的 Si ； 0 wt% l. 0 wt% 的 Al ； 0.02 wt% 0. 1 wt% 的 Nb ； 0wt% 0. 02wt% 的 Ti ； 0wt% 0. 01wt% 的 S ； 0wt% 0. 015wt% 的 P ； 余量為狗。優(yōu)選的，包括
0.15wt% 0.25wt% 的 C ；
1.5wt% 2. 0% 的 Mn ；
1. 0wt% l. 5wt% 的 Si ； 0. 3 wt% l. 0 wt% 的 Al ； 0.05 wt% 0. 1 wt% 的 Nb ； 0.01wt% 0. 02wt% 的 Ti ； 余量為狗。優(yōu)選的，所述不可避免的雜質(zhì)為 0wt% 0. 005wt% 的 S ；
0wt% 0. 015wt% 的 P。本發(fā)明還提供一種PllO鋼級膨脹管的制備方法，包括
1)根據(jù)所述膨脹管的成分鑄造并軋制合金板；
2)對步驟1)所述合金板進(jìn)行卷板加工，然后焊接制成膨脹管；3)將步驟2)所述膨脹管置入電阻式加熱爐中進(jìn)行正火處理，以5°C/s的加熱速度加熱至設(shè)定溫度并保溫足夠時間使之完全奧氏體化，后將膨脹管迅速淬入常溫態(tài)的水中(冷速大約為60°C /s)淬至室溫，使管材得到完全馬氏體(完全淬火工藝)；
4)將經(jīng)過步驟3)淬火處理的膨脹管再次置于電阻式加熱爐中，以5°C/s的加熱速度加熱至T1I2之間的亞溫區(qū)(兩相區(qū))，其中T1=Ac3-SCTC, T2= AcrAcl+10°C, Ac3為鋼在平衡加熱時從珠光體剛好完全轉(zhuǎn)化為奧氏體的相變溫度，Aa*鋼在平衡加熱時剛好發(fā)生珠光體向奧氏體轉(zhuǎn)變時的溫度，當(dāng)管材達(dá)到設(shè)定溫度時，保溫足夠的時間使管材組織發(fā)生部分奧氏體化(亞溫回火工藝)；設(shè)定保溫溫度為750°C 780°C，保溫時間為15min ；
5)將膨脹管初次淬入液體淬火介質(zhì)中(可以考慮采用在線噴淋淬火，冷速大約為 30 0C /s^60°C /S)，使管材的溫度達(dá)到TfT4之間的溫度區(qū)間，其中T3低于Ms點、T4高于Mf 點，Ms為鋼在淬火過程中過冷奧氏體開始轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體的溫度，Mf為馬氏體相變的結(jié)束溫度，水淬終止溫度為300°C ^320°C ；根據(jù)淬火溫度的高低，將有不同比例的奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變；
6)將膨脹管迅速再次置于爐溫為T5(T5介于350°C、50°C之間)的電阻式加熱爐中， 在此溫度下保溫30(T900s，碳由馬氏體擴(kuò)散至奧氏體中，使奧氏體富碳；
7)最后，將膨脹管從爐中取出空冷或水淬至室溫，獲得由馬氏體、鐵素體、富碳?xì)堄鄪W氏體以及彌散析出的納米級碳化物的多相、多尺度組織構(gòu)成低合金高強、高韌、高塑鋼膨脹管。步驟5)、6)、7)合稱為淬火-配分工藝。進(jìn)一步的，步驟5)和6)之間的間隔時間不要超過5s，以免淬火過程中得以保留的那部分殘余奧氏體因管材溫度下降過多而無法穩(wěn)定存在，最終轉(zhuǎn)化為馬氏體或貝氏體而導(dǎo)致后續(xù)的配分工藝失效。按照本發(fā)明，所述對對所述合金板進(jìn)行卷板加工，然后焊接制成膨脹管優(yōu)選為 在焊接過程中對膨脹管的內(nèi)、外焊縫毛刺處進(jìn)行砂輪打磨，清除毛刺。按照本發(fā)明，所述對所述膨脹管進(jìn)行正火處理的加熱及保溫溫度優(yōu)選為 9000C ^9200C，保溫時間優(yōu)選為30min，所述液體淬火介質(zhì)是水、油或者不同濃度(2°/Γ Ο%) 的聚乙烯醇水溶液。本發(fā)明實施例公開了一種全新的PllO鋼級膨脹管，各主要化學(xué)成分的作用，具體為
鋼中含碳量對最終奧氏體、馬氏體的碳含量與體積分?jǐn)?shù)有著重要的影響。只有保證有足夠的碳，才會形成足夠的富碳?xì)堄鄪W氏體并能夠穩(wěn)定至室溫。在某一淬火溫度，隨著含碳量的增加，奧氏體的體積分?jǐn)?shù)在增加。碳含量較高時可以降低相變溫度，呈現(xiàn)納米級厚度組織，使鋼的性能得到優(yōu)化。但當(dāng)碳含量大于0. 5wt%時，會明顯出現(xiàn)淬火脆性以及馬氏體脆性，焊接性能變差。應(yīng)選擇合理的碳含量，在保證有足夠殘余奧氏體的同時避免!^e3C形成造成的脆性，并改善焊接性能。添加錳可降低馬氏體轉(zhuǎn)變溫度Ms，增加殘余奧氏體的含量，同時錳對鋼板的韌性影響不大，當(dāng)鋼中含有1. 5% 2. 5%的錳時，還可以有效地提高殘余奧氏體分解的抗力。 但太多含量的錳(>2.5%)會使殘余奧氏體的穩(wěn)定性大大提高，以致存在較高的塑性變形時殘余奧氏體也不會發(fā)生相變，對提高工件的延展性不利；另外錳含量的增加會使鋼板中帶狀組織增多。并且在熱處理后保存下來，最終鋼板中會含有一定量地帶狀組織，而貝氏體、 馬氏體等硬相在帶狀組織中聚集，使鋼板的脆性增加，塑性降低，力學(xué)性能下降。錳的含量取決于強度級別.一般強度從590MPa到780MPa時，錳的含量在1. 0%到1. 8%，通常錳含量一般在W 洲之間。硅通常不作為合金元素加入，它在常規(guī)含量范圍內(nèi)起輔助脫氧作用，含量小于1% 時對力學(xué)性能貢獻(xiàn)不大。當(dāng)Si以固溶體的形式存在與奧氏體中時，可以提高鋼的強度和硬度，其作用強于Mn、Ni、Cr、V、M0等。Si作為非碳化物形成元素，在碳化物中的溶解度極低， 在Q&P鋼等溫過程中，能夠強烈抑制!^e3C的形成，使碳進(jìn)一步積聚于未轉(zhuǎn)變的奧氏體中，促使馬氏體開始轉(zhuǎn)變溫度禮降至室溫以下，形成富碳的殘余奧氏體。合金奧氏體轉(zhuǎn)變成貝氏體時，在所形成的碳化物中合金元素的含量等于奧氏體中合金元素的含量，這表明在貝氏體形成過程中，不發(fā)生合金元素的重新分配。加入不形成碳化物的元素，如Si，由于它強烈阻止貝氏體轉(zhuǎn)變時碳化物的形成，促使未轉(zhuǎn)變部分奧氏體富碳，從而推遲貝氏體的形成。鋁和硅一樣，，也是費碳化物形成元素，能夠強烈抑制!^e3C的形成，使未轉(zhuǎn)變奧氏體富碳。雖然鋁的固溶強化效果弱于硅，但是在Q&P鋼中，可以添加鋁元素以降低硅的副作用。另外，采用鋁代硅不影響鋼的涂鍍和焊接工藝，所以在要求涂鍍和焊接的鋼中常用鋁代替硅。鈮能細(xì)化晶粒和降低鋼的過熱敏感性及回火脆性，提高強度，但塑性和韌性有所下降。在普通低合金鋼中加鈮，可提高抗大氣腐蝕及高溫下抗氫、氮、氨腐蝕能力。鈮可改善焊接性能。在奧氏體不銹鋼中加鈮，可防止晶間腐蝕現(xiàn)象。鈦是強碳化物形成元素，它和N、0、C都有極強的親和力。另外，鈦和S的親和力大于狗和S的親和力，因此在含Ti鋼中優(yōu)先生成硫化鈦，降低了生成硫化鐵的幾率，可以減少鋼的熱脆性。Ti與C形成的碳化物結(jié)合力極強、極穩(wěn)定、不易分解，只有當(dāng)加熱溫度達(dá)1 000 C以上時，才開始緩慢地溶入固溶體中，在未溶人前，TiC微粒有阻止鋼晶粒長大粗化的作用。Ti是極活潑的金屬元素，Ti還能與狗和C生成難溶的碳化物質(zhì)點，富集于鋼的晶界處，阻止鋼的晶粒粗化，Ti也能溶人γ和α相中，形成固溶體，使鋼產(chǎn)生強化。一般鋼中 Ti的加入量應(yīng)大于0.025%。在鋼液凝固過程中形成的大量彌散分布的TiC顆粒，可以成為鋼液凝固時的固體晶核，利于鋼的結(jié)晶，細(xì)化鋼的組織，減少粗大柱狀晶和樹枝狀組織的生成，可減少偏析降低帶狀組織級別。另外，Ti也能與N結(jié)合生成穩(wěn)定的高彌散化合物，Ti還能減慢珠光體向奧氏體的轉(zhuǎn)變過程。不可避免的雜質(zhì)優(yōu)選為S和P
硫在一般狀況下也是鋼中的有害元素，含硫較高的鋼在高溫下進(jìn)行壓力加工時，容易脆裂，通常叫做熱脆性，會降低鋼的延展性和韌性，在鍛造和軋制時容易造成裂紋，同時，硫還回降低鋼的耐腐蝕能力，惡化鋼的焊接性能。本發(fā)明中硫的含量優(yōu)選為OwtfO. 01 wt%0通常狀況下，磷是鋼中的有害合金元素，鋼中的磷含量超過一定值時會在晶界處析出，破壞晶界強度，損壞其延展性，使鋼的可塑性及韌性明顯下降，該類情況在低溫下尤為嚴(yán)重，這種現(xiàn)象叫做冷脆性，過高的磷含量會使鋼的焊接性能變壞，同時降低鋼的塑性， 使其冷彎性能變壞。本發(fā)明中磷的含量優(yōu)選為0wt9T0.015 wt%0本發(fā)明的生產(chǎn)方法通過將管材完全奧氏體化之后進(jìn)行水淬，得到板條狀的馬氏體原始組織，然后將鋼管加熱到亞溫區(qū)(兩相區(qū))進(jìn)行回火處理。在亞溫溫度區(qū)內(nèi)，由于加熱溫度較低，奧氏體晶粒難以長大；此外，由于保溫時間比較短，在該溫度下鋼中的原始態(tài)馬氏體將發(fā)生部分分解，逆轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體以及針狀的鐵素體組織；在逆相變過程中，奧氏體不僅在晶界處形核，而且還在板條馬氏體的邊界處形成針狀奧氏體，從而使鋼的組織得到進(jìn)一步的細(xì)化。另外，在這之后的淬火-分配過程也進(jìn)一步的促使在亞溫過程中形成的奧氏體富碳。經(jīng)檢測，本發(fā)明方法生產(chǎn)的PllO鋼級多相高均勻延伸低合金膨脹管用鋼除了在馬氏體板條之間存在部分針狀殘余奧氏體之外，在晶界處以及鐵素體晶粒內(nèi)部還存在著部分顆粒狀殘余奧氏體。由于軟相殘余奧氏體在相變過程中素產(chǎn)生的形變誘發(fā)相變塑性(Trip)效應(yīng)，獲得的多相高均勻延伸低合金鋼比現(xiàn)有的常規(guī)Q&P鋼具有更高的塑性，而且由于馬氏體而非貝氏體的存在，以及基體組織中Nb、Ti等的碳化物的析出強化作用，本發(fā)明方法生產(chǎn)的PllO鋼級多相高均勻延伸低合金膨脹管用鋼具有比形變誘發(fā)相變塑性(Trip)鋼更高的強度以及更好的綜合力學(xué)性能。本發(fā)明根據(jù)管材本身的化學(xué)成分，來改變初次淬火溫度和等溫溫度及時間來獲得不同相對含量的馬氏體、鐵素體、富碳?xì)堄鄪W氏體以及彌散析出的納米級碳化物的多相、多尺度組織。此外，根據(jù)管材用途的需要，可以選擇合適的亞溫區(qū)(兩相區(qū))保溫溫度、淬火溫度以及配分溫度，以期獲得最優(yōu)化的多相組織配比。本發(fā)明適用于含錳、硅、鋁、鈮、鈦等元素的合金鋼。本發(fā)明根據(jù)亞溫淬火和碳配分的原理，提出了含錳、硅、鋁、鈮、鈦等元素的微合金鋼的亞溫淬火和碳配分工藝，使焊管獲得由馬氏體、鐵素體、富碳?xì)堄鄪W氏體以及彌散析出的納米級碳化物的多相、多尺度組織的完全奧氏體化淬火-亞溫回火-淬火-配分處理的方法。與傳統(tǒng)的調(diào)質(zhì)(900°C完全奧氏體化后淬火+550°C高溫回火30min)工藝相比較，相同成分的鋼經(jīng)過亞溫淬火和碳配分工藝處理，沖擊韌性可以提高100%，均勻延伸率和斷后伸長率可以分別提高200%和75% ；與Trip鋼相比較，相同成分的鋼經(jīng)過亞溫淬火和碳配分工藝，處理屈服強度和抗拉強度可以分別提高39%和18%。在同時考慮到鋼材的強度和塑性兩者之間的平衡時，亞溫淬火和碳配分工藝是一個合適的選擇。結(jié)合完全奧氏體化后淬火以及后續(xù)的亞溫回火-淬火-配分處理工藝，本發(fā)明提供了一種新型PllO鋼級膨脹管的成分設(shè)計以及熱處理工藝，其特征在于，所述膨脹管的成分為0. 1 wt% 0. 3 wt% 的 C ；0. 70 wt% 2. 0 wt% 的 Mn ；0. 3 wt% l. 5 wt% 的 Si ；0 wt% l. 0 wt% 的 Al ；0. 02 wt% 0. 1 wt% 的 Nb ；0wt% 0. 02wt% 的 Ti ；0wt% 0. 01 wt% 的 S ；0wt% 0. 015 wt%的P ；余量為狗。按照本發(fā)明的成分以及熱處理工藝所制備的膨脹管具有合金元素少、 合金含量低、強度高、延伸率好、成本低等優(yōu)點，從而解決了以往膨脹管制造中所存在的成本高、焊接性能差、膨脹后強度難以保證等技術(shù)難題。


圖1(a)、圖1(b)是本發(fā)明膨脹管生產(chǎn)方法中的熱處理工藝溫度與時間的關(guān)系示意圖，圖1(a)為完全淬火工藝，圖1(b)為后續(xù)的亞溫回火-淬火-配分處理工藝， T1=Ac3-SO0C, T2= Aci Acl+10°C, T3=Ms-40°C, T4=Mf+50°C, T5=350°C "450°C ；
圖2是發(fā)明實施例1所生產(chǎn)的PllO鋼級多相高均勻延伸低合金膨脹管用鋼的金相顯微組織圖片；
圖3是發(fā)明實施例1所生產(chǎn)的PllO鋼級多相高均勻延伸低合金膨脹管用鋼的SEM(掃描電鏡)照片；
圖4是發(fā)明實施例1所生產(chǎn)的PllO鋼級多相高均勻延伸低合金膨脹管用鋼中殘余奧氏體的X射線衍射結(jié)果示意圖5是發(fā)明實施例1所生產(chǎn)的PllO鋼級多相高均勻延伸低合金膨脹管用鋼中殘余奧氏體分布的EBSD分析結(jié)果，照片中的白色物相為殘余奧氏體；
圖6是發(fā)明實施例2所生產(chǎn)的PllO鋼級多相高均勻延伸低合金膨脹管用鋼的金相顯微組織圖片；
圖7是發(fā)明實施例3所生產(chǎn)的PllO鋼級多相高均勻延伸低合金膨脹管用鋼的金相顯微組織圖片；
圖8是發(fā)明實施例4所生產(chǎn)的PllO鋼級多相高均勻延伸低合金膨脹管用鋼的金相顯微組織圖片；
圖9是發(fā)明實施例5所生產(chǎn)的PllO鋼級多相高均勻延伸低合金膨脹管用鋼的金相顯微組織圖片。
具體實施例方式下面將對本發(fā)明實施例中的的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整的描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明中很小的一部分，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。下面結(jié)合附圖以及具體的實施例對本發(fā)明的PllO鋼級新型低合金多相組織膨脹管的成分及其生產(chǎn)方法作出進(jìn)一步的詳細(xì)說明。實施例1
選用原材料鋼的化學(xué)成分重量百分比如下
C 0. 15wt% 0. 25wt% ；Mn :1. 5wt% 2. 0% ；Si :1. 0wt% l. 5wt% ；Al :0. 3 wt% l. 0 wt% ； Nb :0.05 wt% 0. 1 wt% ；Ti :0.01wt% 0. 02 wt% ；S :0wt% 0. 01 wt%；P :0wt% 0. 015wt%。優(yōu)選的成分為:C:0. 18 wt% 0. 25wt%、Mn :1. 5wt% 2. 0 wt%、Si :1. 0wt% l. 5wt%、 Al :0. 3 wt% l. 0 wt%、Nb :0. 1 wt%、Ti :0. 02wt%、S :0. 0075 wt%、P :0. 0060wt%，余量為 Fe 和不可避免的雜質(zhì)。優(yōu)選后的生產(chǎn)步驟如下
1)根據(jù)上述技術(shù)方案所述膨脹管的成分鑄造并軋制合金板；
2)對所述合金板進(jìn)行卷板加工，然后焊接制成膨脹管；
3)將所述膨脹管置入電阻式加熱爐中進(jìn)行正火處理，以5°C/s的加熱速度加熱至設(shè)定溫度并保溫足夠時間使之完全奧氏體化，后采用在線噴淋淬火的方式，將膨脹管迅速淬入常溫態(tài)的水中(冷速大約為60°C /s)淬至室溫，使管材得到完全馬氏體(完全淬火工藝)；
4)將經(jīng)過淬火處理的膨脹管再次置于電阻式加熱爐中，以5°C/s的加熱速度加熱至 76(T780°C的亞溫區(qū)(兩相區(qū))，保溫900s的時間使管材組織發(fā)生部分奧氏體化(亞溫回火工藝)；
5)采用在線噴淋淬火的方式，將膨脹管初次淬入冷速大約為40°C/s液體淬火介質(zhì)中， 使管材的溫度達(dá)到30(T32(TC之間的溫度區(qū)間，然后立即迅速再次置于爐溫為400°C的電阻式加熱爐中，在此溫度下保溫900s，然后水冷至室溫(淬火-配分工藝)。經(jīng)測試，膨脹管管材的抗拉強度為1030ΜΡεΓ 100ΜΡει，屈服強度為770MPa 800MPa， 均勻延伸率為17°/Γ21%，總延伸率為27°/Γ30%。0°C時，橫向全尺寸沖擊功為56廣65J，縱向全尺寸沖擊功為87廣96J。實施例2
選用原材料鋼的化學(xué)成分同實施例1中之優(yōu)選成分 優(yōu)選后的生產(chǎn)步驟如下
1)根據(jù)上述技術(shù)方案所述膨脹管的成分鑄造并軋制合金板；
2)對所述合金板進(jìn)行卷板加工，然后焊接制成膨脹管；
3)將所述膨脹管置入電阻式加熱爐中進(jìn)行正火處理，以5°C/s的加熱速度加熱至設(shè)定溫度并保溫足夠時間使之完全奧氏體化，后采用在線噴淋淬火的方式，將膨脹管迅速淬入常溫態(tài)的水中(冷速大約為60°C /s)淬至室溫，使管材得到完全馬氏體(完全淬火工藝)；
4)將經(jīng)過淬火處理的膨脹管再次置于電阻式加熱爐中，以5°C/s的加熱速度加熱至 76(T780°C的亞溫區(qū)(兩相區(qū))，保溫900s的時間使管材組織發(fā)生部分奧氏體化(亞溫回火工藝)；
5)采用在線噴淋淬火的方式，將膨脹管初次淬入冷速大約為40°C/s液體淬火介質(zhì)中， 使管材的溫度達(dá)到30(T32(TC之間的溫度區(qū)間，然后立即迅速再次置于爐溫為400°C的電阻式加熱爐中，在此溫度下保溫300s，然后水冷至室溫(淬火-配分工藝)。經(jīng)測試，膨脹管管材的抗拉強度為1036ΜΡεΓ 065ΜΡει，屈服強度為780MPa 810MPa， 均勻延伸率為20°/Γ22%，總延伸率為28 9T31%。0°C時，橫向全尺寸沖擊功為55廣62J，縱向全尺寸沖擊功為80廣87J。實施例3
選用原材料鋼的化學(xué)成分同實施例1中之優(yōu)選成分 優(yōu)選后的生產(chǎn)步驟如下
1)根據(jù)上述技術(shù)方案所述膨脹管的成分鑄造并軋制合金板；
2)對所述合金板進(jìn)行卷板加工，然后焊接制成膨脹管；
3)將所述膨脹管置入電阻式加熱爐中進(jìn)行正火處理，以5°C/s的加熱速度加熱至設(shè)定溫度并保溫足夠時間使之完全奧氏體化，后采用在線噴淋淬火的方式，將膨脹管迅速淬入常溫態(tài)的水中(冷速大約為60°C /s)淬至室溫，使管材得到完全馬氏體(完全淬火工藝)；
4)將經(jīng)過淬火處理的膨脹管再次置于電阻式加熱爐中，以5°C/s的加熱速度加熱至 76(T780°C的亞溫區(qū)(兩相區(qū))，保溫900s的時間使管材組織發(fā)生部分奧氏體化(亞溫回火工藝)；
5)采用在線噴淋淬火的方式，將膨脹管初次淬入冷速大約為40°C/s液體淬火介質(zhì)中， 使管材的溫度達(dá)到30(T32(TC之間的溫度區(qū)間，然后立即迅速再次置于爐溫為400°C的電阻式加熱爐中，在此溫度下保溫900s，然后空冷至室溫(淬火-配分工藝)。經(jīng)測試，膨脹管管材的抗拉強度為1016ΜΡεΓ 018ΜΡει，屈服強度為760MPa 782MPa， 均勻延伸率為25% 27%，總延伸率為33% 34%。0°C時，橫向全尺寸沖擊功為52廣61J，縱向全尺寸沖擊功為92Γ108。實施例4選用原材料鋼的化學(xué)成分同實施例1中之優(yōu)選成分 優(yōu)選后的生產(chǎn)步驟如下
1)根據(jù)上述技術(shù)方案所述膨脹管的成分鑄造并軋制合金板；
2)對所述合金板進(jìn)行卷板加工，然后焊接制成膨脹管；
3)將所述膨脹管置入電阻式加熱爐中進(jìn)行正火處理，以5°C/s的加熱速度加熱至設(shè)定溫度并保溫足夠時間使之完全奧氏體化，后采用在線噴淋淬火的方式，將膨脹管迅速淬入常溫態(tài)的水中(冷速大約為60°C /s)淬至室溫，使管材得到完全馬氏體(完全淬火工藝)；
4)將經(jīng)過淬火處理的膨脹管再次置于電阻式加熱爐中，以5°C/s的加熱速度加熱至 76(T780°C的亞溫區(qū)(兩相區(qū))，保溫900s的時間使管材組織發(fā)生部分奧氏體化(亞溫回火工藝)；
5)采用在線噴淋淬火的方式，將膨脹管初次淬入冷速大約為40°C/s液體淬火介質(zhì)中， 使管材的溫度達(dá)到30(T32(TC之間的溫度區(qū)間，然后立即迅速再次置于爐溫為400°C的電阻式加熱爐中，在此溫度下保溫480s，然后空冷至室溫(淬火-配分工藝)。經(jīng)測試，膨脹管管材的抗拉強度為1016ΜΡεΓ 020ΜΡει，屈服強度為768MPa 785MPa， 均勻延伸率為20% 21%，總延伸率為觀% 30%。0°C時，橫向全尺寸沖擊功為52廣58J，縱向全尺寸沖擊功為84廣92J。實施例5
選用原材料鋼的化學(xué)成分同實施例1中之優(yōu)選成分 優(yōu)選后的生產(chǎn)步驟如下
1)根據(jù)上述技術(shù)方案所述膨脹管的成分鑄造并軋制合金板；
2)對所述合金板進(jìn)行卷板加工，然后焊接制成膨脹管；
3)將所述膨脹管置入電阻式加熱爐中進(jìn)行正火處理，以5°C/s的加熱速度加熱至設(shè)定溫度并保溫足夠時間使之完全奧氏體化，后采用在線噴淋淬火的方式，將膨脹管迅速淬入常溫態(tài)的水中(冷速大約為60°C /s)淬至室溫，使管材得到完全馬氏體(完全淬火工藝)；
4)將經(jīng)過淬火處理的膨脹管再次置于電阻式加熱爐中，以5°C/s的加熱速度加熱至 7500C 770°C的亞溫區(qū)(兩相區(qū))，保溫900s的時間使管材組織發(fā)生部分奧氏體化(亞溫回火工藝)；
5)采用在線噴淋淬火的方式，將膨脹管初次淬入冷速大約為40°C/s液體淬火介質(zhì)中， 使管材的溫度達(dá)到30(T32(TC之間的溫度區(qū)間，然后立即迅速再次置于爐溫為400°C的電阻式加熱爐中，在此溫度下保溫300s，然后空冷至室溫(淬火-配分工藝)。經(jīng)測試，膨脹管管材的抗拉強度為1043ΜΡεΓ 061ΜΡει，屈服強度為762MPa 776MPa， 均勻延伸率為21°/Γ23%，總延伸率為27%19%。0°C時，橫向全尺寸沖擊功為50廣57J，縱向全尺寸沖擊功為80廣86J。對上述各實施例的PllO鋼級多相高均勻延伸低合金膨脹管的顯微組織分析可見，經(jīng)過該相工藝處理過的PllO鋼級多相高均勻延伸低合金膨脹管組織呈現(xiàn)出由板條狀的馬氏體、鐵素體、富碳?xì)堄鄪W氏體以及彌散析出的納米級碳化物的多相、多尺度組織結(jié)構(gòu)，同時通過X射線衍射對各實施例鋼中的殘余奧氏體進(jìn)行測試，結(jié)果顯示，殘奧含量在 8. 7% 12. 83% 左右。本發(fā)明方法生產(chǎn)的PllO鋼級多相高均勻延伸低合金膨脹管的屈服強度均不低于760MPa，抗拉強度均高于lOOOMPa，均勻延伸率在17% 27%之間，總延伸率在27% 34%之間， 0°C時，橫向全尺寸沖擊功為50廣65J之間，縱向全尺寸沖擊功為80廣108J之間，表現(xiàn)出很好的強度和良好的塑性，其綜合力學(xué)性能要優(yōu)于常規(guī)的淬火-回火鋼、Trip鋼以及Q&P鋼。
權(quán)利要求
1.一種石油天然氣開采用PllO級膨脹管的制備方法，其特征是PllO級膨脹管的成分質(zhì)量百分比為0. lwt% 0. 3 wt% 的 C ；0. 70 wt% 2. 0 wt% 的 Mn ；0. 3 wt% 1. 5 wt% 的 Si ；0 wt% l. 0 wt% 的 Al；0. 02 wt% 0. 1 wt% 的 Nb ；0wt% 0. 02wt% 的 Ti ；0wt% 0. 01wt% 的 S ；0wt9T 0. 015wt%的P ；余量為Fe ；制備步驟如下1)根據(jù)所述膨脹管的成分鑄造并軋制合金板；2)對步驟1)所述合金板進(jìn)行卷板加工，然后焊接制成膨脹管；3)將步驟2)所述膨脹管置入電阻式加熱爐中進(jìn)行正火處理，以5°C/s的加熱速度加熱至設(shè)定溫度并保溫足夠時間使之完全奧氏體化；保溫溫度為900°C、20°C，保溫時間為 30min^60min ；后將膨脹管迅速淬入常溫態(tài)的水中，冷速為60°C /s淬至室溫，使管材得到完全馬氏體；4)將經(jīng)過步驟3)淬火處理的膨脹管再次置于電阻式加熱爐中，以5°C/s的加熱速度加熱至T1I2之間的亞溫區(qū)，其中T1=Ac3-SOtM12= Α0Γ AC1+10°C，AC3為鋼在平衡加熱時從珠光體剛好完全轉(zhuǎn)化為奧氏體的相變溫度，Aa為鋼在平衡加熱時剛好發(fā)生珠光體向奧氏體轉(zhuǎn)變時的溫度，當(dāng)管材達(dá)到設(shè)定溫度時，保溫足夠的時間使管材組織發(fā)生部分奧氏體化；設(shè)定的保溫溫度為750°C 780°C，保溫時間為900s ；5)將膨脹管初次淬入液體淬火介質(zhì)中，采用在線噴淋淬火，冷速為30°C/s^60°C /s，使管材的溫度達(dá)到TfT4之間的溫度區(qū)間，即300°C ^320°C，其中T3低于Ms點、T4高于Mf點， Ms為鋼在淬火過程中過冷奧氏體開始轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體的溫度，Mf為馬氏體相變的結(jié)束溫度； 根據(jù)淬火溫度的高低，將有不同比例的奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變；6)將膨脹管迅速再次置于爐溫為T5的電阻式加熱爐中，T5介于350°C、50°C之間，在此溫度下保溫300s、00s，碳由馬氏體擴(kuò)散至奧氏體中，使奧氏體富碳；7)最后，將膨脹管從爐中取出空冷或水淬至室溫，獲得由馬氏體、鐵素體、富碳?xì)堄鄪W氏體以及彌散析出的納米級碳化物的多相、多尺度組織構(gòu)成低合金高強、高韌、高塑鋼膨脹管。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種石油天然氣開采用PllO級膨脹管的制備方法，其特征在于PllO級膨脹管的成分質(zhì)量百分比為0. 15wt% 0. 25wt%的C ；1. 5wt% 2. 0%的Mn ； 1.0wt% l. 5wt% 的 Si ；0. 3 wt% l. 0 wt% 的 Al ；0. 05 wt% 0. 1 wt% 的 Nb ；0. 01wt% 0. 02wt% 的 Ti ；0 wt% 0. 005 wt% 的 S ；0wt% 0. 015 wt% 的 P ；其余為 Fe。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種石油天然氣開采用PllO級膨脹管的制備方法，其特征在于，所得的PllO鋼級膨脹管管材經(jīng)熱處理后的指標(biāo)為屈服強度達(dá)到3 760MPa ；管材的抗拉強度嘗1016MPa ；管材總的伸長率嘗27%。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種石油天然氣開采用PllO級膨脹管的制備方法，其特征在于，步驟5)和6)之間的間隔時間不要超過5s，以免淬火過程中得以保留的那部分殘余奧氏體因管材溫度下降過多而無法穩(wěn)定存在，最終轉(zhuǎn)化為馬氏體或貝氏體而導(dǎo)致后續(xù)的配分工藝失效。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種石油天然氣開采用PllO級膨脹管的制備方法，其特征在于，對步驟2)所述合金板進(jìn)行卷板加工，然后焊接制成膨脹管在焊接過程中對膨脹管的內(nèi)、 外焊縫毛刺處進(jìn)行砂輪打磨，清除毛刺。
全文摘要
一種石油天然氣開采用P110級膨脹管的制備方法，屬于金屬材料領(lǐng)域。膨脹管的化學(xué)成分以質(zhì)量百分比計，含有C0.10～0.30、Mn0.70～2.0、Si0.3～1.5、Al0~1.0、Nb0.02~0.1、Ti0~0.02、其余為Fe和不可避免的雜質(zhì)。在通過冶煉、軋制獲得相關(guān)合金板后，對合金板進(jìn)行卷板加工，然后焊接制成膨脹管，最后通過完全奧氏體化后淬火以及后續(xù)的亞溫回火-淬火-配分處理共兩套工序的熱處理工藝，使膨脹管管材達(dá)到預(yù)期的強度標(biāo)準(zhǔn)和塑性變形能力，保證管材膨脹前后的力學(xué)性能均能滿足API及其它有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。測試結(jié)果表明，本發(fā)明方法生產(chǎn)的P110鋼級多相高均勻延伸膨脹管表現(xiàn)出很高的強度、塑性、韌性以及延伸率。其綜合力學(xué)性能優(yōu)于常規(guī)的淬火-回火鋼、Trip鋼以及Q&P鋼。
文檔編號C21D8/10GK102534372SQ20121000984
公開日2012年7月4日 申請日期2012年1月13日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月13日
發(fā)明者任勇強, 尚成嘉, 湯忖江, 謝振家, 賀飛, 郭暉 申請人:北京科技大學(xué)