專利名稱：一種具有高強塑積的大膨脹率膨脹管用鋼及其制備方法
技術領域：
本發(fā)明屬于金屬材料領域，涉及到石油天然氣領域中完井修井用大膨脹率膨脹套管和膨脹篩管用鋼及其制備方法，特別是涉及一種抗酸性腐蝕的、具有孿生誘發(fā)塑性的、用于大膨脹率膨脹套管和膨脹篩管的合金鋼及其制備方法。
背景技術：
可膨脹管技術(Expandable Tubular Technology)是在井下利用機械或液壓的方法，通過膨脹錐由上到下或由下往上運動，套管鋼材發(fā)生永久塑性變形，使膨脹后的套管達到貼緊井壁的目的，是近幾年發(fā)展起來的針對石油天然氣工業(yè)中的鉆井、完井和修井的先進工藝技術，也有人將其稱為21世紀地學領域中的登月技術，認為可膨脹管技術是21世紀石油天然氣工業(yè)中的關鍵性技術之一(馬洪濤，國外可膨脹管技術的發(fā)展與應用[J]，國外石油工程，2006 (22) 2 29-35)。可膨脹管技術主要有兩類一類是可膨脹套管(實體管)技術，主要應用于開井完井及修井作業(yè)中的套管修補等領域；另一類是可膨脹篩管技術，主要應用于直井、定向井、 多底井以及水平井的完井防砂過程中。可膨脹篩管的基管是割縫管，由于有一系列平行或者交錯的軸向割縫，所以所需膨脹力低，膨脹率很高，可達300%，但機械性能較差；可膨脹套管所需膨脹力高，約為可膨脹割縫篩管的30倍，膨脹率低，目前的最大膨脹率約為25% ； 高于此膨脹率的由于材料的選擇問題一直沒有得到很好的解決?？膳蛎浌艿闹苽渖婕安牧线x擇、機械設計等多個領域。其中最重要的是可膨脹管材料的選擇與開發(fā)。由于可膨脹管進行施工的環(huán)境一般是在幾千米以下的地層中(特別是近年來我國進行的超深、特深井鉆探開發(fā)以及稠油熱采井中，井下溫度可達到150 3500C )，這就需要可膨脹管材料必須滿足可膨脹管在井下施工膨脹過程中要求的較大的膨脹變形能力、較低的膨脹力和較高的加工硬化率以及抗井下高溫動態(tài)回復的能力和抗應變失效能力，以保證膨脹滿足API要求的性能指標的同時，也滿足膨脹后足夠高的抗擠毀強度。這就要求作為可膨脹管的材料應具備較低的屈服強度、較高抗拉強度和良好的塑性以及良好的加工硬化性能。另外，還應具有抵抗井下(特別是超深、特深井)目的層中的抗動態(tài)高溫回復能力和抗應變時效能力。在井下存在腐蝕介質的情況下，還要求可膨脹篩管材料具有高的抗腐蝕性能，特別是在含有酸性腐蝕介質的油氣田中具有良好的抗硫化物應力腐蝕破裂(SSCC)能力。為了表達可膨脹套管材料的綜合性能，提出了利用“強塑積”概念作為可膨脹管材料選用設計開發(fā)準則(徐瑞萍，可膨脹管材料的研究與開發(fā)[D]，天津大學碩士學位論文， 2006. 2)?！皬娝芊e”用字母k表示，等于材料在正常狀態(tài)下的拉伸強度Rm和斷后伸長率A 的乘積，即k = Rm · A式中Rm的單位為MPa，A的單位為%，則強塑積k的單位就是MPa%。并提出k = 30000MPa%作為可膨脹管材料開發(fā)選擇的判據(jù)。目前，API中的石油套管很難滿足這一強
3韌指標的要求。超高強度鋼的抗拉強度可高達2000MPa，但是其延仲率不到10%，因此其強塑性值在20000MPa%以下；低碳高塑鋼有較大的伸長率，但是其強度又很低，所以超高強度鋼和低碳的高塑鋼的強塑性值均小于30000MPa%，這些材料均不大符合膨脹管材料的要求。2009年西南石油大學(張恒，實體管井下溫變形膨脹的物理冶金問題及有限元分析[D]，西南石油大學博士學位論文，2010. 6)提出作為可膨脹管用的鋼材除了具有上述室溫強塑性性能之外，由于可膨脹管的施工是在井下一定深度的溫度場中進行，還應具有在井下溫度場條件下較強的抗動態(tài)回復能力、抗動態(tài)應變時效能力以及在油氣田腐蝕環(huán)境下(特別是在酸性腐蝕介質條件下)具有較強的抗腐蝕性能(尤其是抗硫化物應力腐蝕 (SSCC)能力)。上世紀末到本世紀初，殼牌石油公司在材料的研究方面，花了近6年的時間，推出 LSX80膨脹管合金材料，強塑性值才勉強達到30000MPa%。2005年天津大學和上海天合形狀記憶有限公司采用低合金雙相鋼(DP)和相變誘發(fā)塑性不銹鋼(TWIP)分別研制出適用于低膨脹率和高膨脹率的膨脹管材料，明顯提高了材料的強塑性以及加工硬化率，在形變的初期易于屈服，隨后能快速提高強度，大大節(jié)約了膨脹功，在具有較好塑性的同時又具有較高的強度和較好的強塑性綜合指標。另外，在超高強度鋼中處于最前沿的強塑性性能較相變誘發(fā)塑性鋼更為優(yōu)越的是孿生誘發(fā)塑性鋼。這種鋼是1997年由Grassel等在試驗研究!^-Mn-Si-Al系TRIP鋼時發(fā)現(xiàn)(Grassel 0. ,Prommeyer G. ,Derder C. ,et al. Phase transformation and mechanical properties of FeMnSiAlTRIP-steel [J] · J Phys IV France，1997，C5 :383-388)。當猛含量達到25%時，具有極高的抗拉強度(Rm值為600-1500MPa)和高的塑性(伸長率值可達到 50 90% )，強塑積可達到50000MPa%以上，為傳統(tǒng)TRIP鋼的2倍左右。這種鋼在拉伸過程中沒有縮頸，具有很高的能量吸收能力；在-196 200°C形變溫度區(qū)間沒有低溫脆性轉變，溫度能量吸收值較深沖的IF鋼高出兩倍以上，可達到0. 5J/mm(米振莉等，高強度高塑性TffIP鋼的開發(fā)研究[J]，鋼鐵，2005，40 94-96)。TffIP鋼的發(fā)展經歷了以下三個階段。第一代TWIP鋼典型的成分為 Fe-25Mn-3Al-3Si的合金，這種鋼材具有中等的拉伸強度(650MPa)和很高的塑性(> 90%)；第二代TWIP鋼的典型成分為Fe-18Mn-0.6C，這種鋼含有較高的碳量和不含影響澆鑄的Al元素以及影響冷軋板后鍍鋅質量的Si元素，且具有很高的拉伸強度(> IOOOMPa) 和良好的塑性(>50%)；第三代TWIP鋼是屬于根據(jù)不同用戶需求而設計成分和性能的孿生誘發(fā)塑性鋼，是目前正在發(fā)展中的孿生誘發(fā)塑性鋼。TWIP鋼成分設計要求為鋼材經過冶煉、加工、熱處理后為單一的奧氏體組織，且其在形變過程中誘發(fā)孿晶，抑制馬氏體相變，從而產生TWIP效應。TWIP鋼成分設計通常采用基于層錯能的計算低的層錯能(彡20mJ/m2)有利于Y fee— ε hep馬氏體相變，而較高的層錯能(20mJ/m2-40mJ/n^)則抑制這種馬氏體相變，有利于孿生形變過程的進行(宋開紅，單一井徑井大膨脹率膨脹套管用TWIP鋼研究[D]西南石油大學博士學位論文，2011. 6 ； 李大趙等，汽車用TWIP鋼的基礎研究現(xiàn)狀[J]，鋼鐵研究學報2009 ，2 1-5)。已有的研究證明，第一代和第二代TWIP鋼在生產加工過程中存在一個共同的問題吸氫比較嚴重。在油氣田腐蝕環(huán)境中，特別是在酸性油氣田腐蝕環(huán)境中易于造成氫致延遲斷裂的敏感性升高。為了解決生產加工過程中吸氫嚴重導致的鋼材氫致延遲斷裂的敏感性升高的問題，專利公開號為CN101065503A公布了采用帶鋼連鑄(DSC)工藝結合熱軋、冷軋制備出復合添加高硅、高鋁和Ni、Cr、V、Ti、Nb等合金元素的TWIP鋼，但是由于Al元素是一種鐵素體穩(wěn)定元素，具有提高層錯能降低奧氏體穩(wěn)定性的作用，且含有高鋁和高硅的鋼熱加工性能差，易熱軋工藝不易控制，易出現(xiàn)邊裂、熱裂等缺陷，從而降低材料的利用率。專利CN101580916A以及專利CN101580916A分別提供了采用氮氣保護冶煉的TWIP 鋼以及無Si、無Al、無貴重元素的成本低、純凈度高的TWIP鋼。但是，都因抗腐蝕性能較差， 抗高溫性能不佳，作為在超深井特深井和稠油熱采井中的可膨脹管用鋼存在明顯的不足。國際專利W02008007192P介紹了 Arcelor-Mittal (安賽樂米塔爾)和 Thyssen-Krupp (蒂森克虜伯)合作開發(fā)提供了一種具有一定抗腐蝕性能的 ^-C-Mn系 TWIP鋼，其抗延遲斷裂性能得到了提高，但是這種鋼材這種鋼材的含Si量高，含Ni、Cr較低，生產工藝復雜，在含有酸性氣體的油氣田環(huán)境中仍存在著抗腐蝕性能差、抗應力腐蝕能力低的缺點，特別是在含二氧化碳和硫化氫的酸性油氣田環(huán)境中使用具有安全性差的致命 M ^。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于提供一種具有高強塑積的大膨脹率膨脹管用鋼，該高強塑積膨脹管用鋼克服了現(xiàn)有技術存在的不足，具有TWIP效應，能夠在含有酸性介質的油氣田環(huán)境中安全使用。本發(fā)明的另一目的還在于提供該高強塑積膨脹管用鋼的制備方法，該方法原理可靠，生產工藝簡單，操作簡便，具有很好的市場應用前景。為達到以上技術目的，本發(fā)明提供以下技術方案。一種具有高強塑積的大膨脹率膨脹管用鋼，其組成如下，均為質量百分比C: 0. 01 0. 5%，Mn :10 26%，Cr :1 10%，Ni :0. 5 5%，A1 :0. 1 2%，Si :0. 1 1%， Mo 0. 1 0. 6%，Nb 0. 01 0. 2%，Re 0. 05 0. 3%，S 彡 0. 010%, P 彡 0. 010%，其余
為Fe。該高強塑積膨脹管用鋼的基體顯微組織為奧氏體，奧氏體的含量>90%以上。本發(fā)明在鋼中采用較低的碳含量(0.01 0.5%)，添加適量的擴大Y相區(qū)的 Mn(10 )和Ni(0. 5 5% )元素，用來降低鋼材的層錯能和臨界轉變溫度，提高鋼材的奧氏體穩(wěn)定性和改善焊接性能；與已有的TWIP鋼的專利相比較，本發(fā)明為具有TWIP鋼為低含Al和Si鋼，為了改善鋼材的的熱加工性能，降低了合金的Al (0. 1 2% )含量；為了提高鋼材的強度和形變加工硬化率，保留了相應的部分Si含量，為了提高合金化效果和改善鋼材的焊接性能，添加了細化晶粒和提高耐熱性能的Mo元素和微合金化的Nb元素，為了提高合金的抗酸性油氣田腐蝕能力，增加了相應的Cr(l 10% )、Ni (0. 5 5% )含量， 為實現(xiàn)改善鑄態(tài)組織、凈化鋼材，改善晶界偏析，提高鋼材的抗酸性腐蝕能力特別是抗SSCC 能力，添加了 Re元素。本發(fā)明為高強塑積的孿生誘發(fā)塑性鋼，其抗拉強度為700 llOOMPa，屈服強度為 350 600MPa，延伸率為40 85%，強塑積彡40000MPa%、加工硬化指數(shù)達0. ；35 0. 6 ；這種鋼材具有在油氣田酸性介質中應力腐蝕敏感性低、高溫性能好的優(yōu)點。該高強塑積膨脹管用鋼的制備方法，依次包括以下步驟(1)以工業(yè)純鐵和鐵合金為原料，采用采用電弧爐、氬氧混吹法冶煉、稀土鋁鐵合金脫氧，鋼水澆鑄溫度1450 1550°C ；(2)將鋼錠熱軋為鋼管或板材，鋼錠的始軋溫度為1100 1150°C，終軋溫度 ^ 800°C，軋后空冷或淬水(3)經熱軋軋制的板材再經壓下量30-80%的冷軋，制成規(guī)定尺寸、厚度Q 8mm) 的鋼帶；(4)冷軋后經過600 1000°C，0. 5 2h加熱空冷正火至室溫；(5)將冷軋退火后的鋼帶經過卷管成型機成型后、利用高頻直縫壓力焊接技術，和其后的幾何無縫化、物理無縫化處理，制成規(guī)定尺寸的、大膨脹率抗腐蝕的可膨脹管的高頻直縫電阻焊管(High-frequency Electrical Resistance Welded Steel Pipe，簡稱ERW)。通過合金熱力學指導下的成分設計，電弧爐、氬氧混吹法冶煉、稀土鋁鐵合金脫氧，以及添加適量微合金化元素Nb和稀土元素，獲得了近于純凈鋼的具有很低的硫磷含量的、具有大量等軸晶粒的鋼材，具有高溫性能好，同時具有較強的抗酸性腐蝕，特別是抗 SSCC腐蝕的性能。本發(fā)明鋼具有TWIP效應，能夠在稠油熱采和含有酸性介質的油氣田環(huán)境中安全使用，生產工藝簡單，利用塑性變形過程中形成的大量層錯和形變孿晶(TWIP效應)延緩拉伸過程中的縮頸產生，獲得鋼材的很高的延伸率；利用合金元素的固溶強化和形變孿晶造成的細晶強化，使得合金獲得強塑積> 40000MPa%的優(yōu)異的綜合性能；通過合金化中保留的Si和少量的Al元素，以及添加的Cr、Ni元素和少量強碳化物形成元素Mo和微合金化元素Nb，提高本發(fā)明鋼材的高溫使用性能和形變后的抗回復及抗應變時效性能。與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有以下有益效果(1)通過降低合金中的Al含量，采用工業(yè)純鐵和鐵合金為原料，經過電弧爐、氬氧混吹法冶煉、稀土鋁鐵合金脫氧，獲得純凈鋼液；在通過控制靜置時間以及稀土元素的添加，改善了鋼液的流動性和潤濕性及雜質存在形態(tài)；通過合理控制鑄錠工藝，降低了柱狀晶的生長發(fā)展，減少了合金鑄錠的成分偏析，并獲得具有大量等軸細晶的鑄態(tài)組織，為開坯后不再經過長時間的擴散退火直接進行熱軋?zhí)峁┝私M織結構保證，并且改善了 TWIP鋼的熱加工性能差的弱點。(2)通過合金成分設計，適量的Ni、Mn元素添加，本發(fā)明的鋼鐵材料在很寬的范圍內具有穩(wěn)定的奧氏體組織，這有利于在隨后的形變過程中TWIP效應的發(fā)生；(3)通過成分設計中Cr、Ni以及Re等元素的加入，本發(fā)明的TWIP鋼具有滿足油氣田開發(fā)條件下的超深井、特深井和稠油熱采環(huán)境的抗高溫性能要求，同時具有在酸性油氣田環(huán)境下很高的抗腐蝕性能，尤其是Re元素的加入，降低了鋼種硫磷元素的含量，凈化了晶界，改善了鋼中雜質元素在晶界的分布，降低了雜質元素在晶界偏聚，使得這種鋼材具有的很強的抗SSCC能力。(4)通過固溶于合金中的Si等元素，使得本發(fā)明的TWIP鋼具有很高的冷變形加工硬化指數(shù)(0. 35 0. 6)；通過合金設計中保留的的Al元素和添加的Mo和微量合金元素 Nb，本發(fā)明的鋼材具有較細的晶粒度和較強的抗動態(tài)回復和抗動態(tài)應變時效能力；
(5)經過熱軋、冷軋后卷管成型，利用高頻直縫壓力焊接技術制成的高頻直縫焊管，在經過其后的幾何無縫化處理和物理無縫化處理，使得焊縫管消除了焊縫熱影響區(qū)的組織異同，使得直縫焊管具有與無縫鋼管相近的性能。綜上所述，本發(fā)明通過成分設計，真空冶煉、控制澆鑄，直接熱軋后或固溶后冷軋結合退火熱處理，獲得具有純凈度高、含硅鋁量低、可避免熱軋鋼坯缺陷、強塑積 ^ 40000MPa%的大膨脹率膨脹套管和膨脹篩管用合金鋼，具有良好的深井及稠油熱采環(huán)境下的抗高溫性能和酸性油氣田腐蝕介質條件下的抗腐蝕性能。


圖1為鋼熱軋后空冷和熱軋后1050°C、30min水冷的拉伸試驗結果圖2為鋼熱軋后空冷和熱軋后1050°C、30min水冷的真應力-真應變曲線圖3為鋼熱軋后經1050°C、30min水冷的金相組織4為鋼熱軋后經1050°C、30min水冷固溶后的X射線衍射5為鋼在25 300°C、變形速度為lmm/min下的溫拉伸曲線6為鋼在25 300°C、變形速度為lmm/min下的真應力-真應變曲線圖7為鋼在不同溫度動態(tài)拉伸后的金相組織8為鋼在不同溫度動態(tài)拉伸形變后的XRD9為鋼不同溫度形變后的孿晶斑痕的SEM10為鋼在100°C動態(tài)拉伸后的TEM11為鋼經過1050°C、30min保溫后淬水固溶處理鋼樣的極化曲線12為鋼在空氣和酸性介質沖氫環(huán)境中的慢應變速率拉伸(SSRT)實驗結果圖
具體實施例方式下面通過附圖和實施例進一步說明本發(fā)明。本發(fā)明高強塑積膨脹管用鋼的制備實施例1一種抗酸性腐蝕的高強塑積膨脹管用鋼，其組成如下，均為質量百分比) C 0. 21、Mn 24. 4、Cr :9. 61、Ni :1. 89、Al :1. 82、Si :0. 92、Mo :0. 495、Nb :0. 012、Re :0. 26、 S 0. 005、P 0. 009，其余為狗。鋼材經采用電弧爐、氬氧混吹法冶煉、稀土鋁鐵合金脫氧， 1500 1600°C出鋼、1450 1550°C澆鑄，開坯后于1150 800°C熱軋成無縫鋼管或板材， 后經空冷或水冷；對于板材可經過30 80%壓下量的冷軋后經600 950°C退火后經過卷板、高頻直縫焊焊成管材。實施例2—種抗酸性腐蝕的高強塑積膨脹管用鋼，其組成如下，均為質量百分比(wt% ) C 0. 21,Mn 24. 4,Cr :4. 61、Ni :1. 84、A1 :1. 82,Si :0. 902,Mo :0. 405,Nb :0. 014,Re :0. 21、 S :0. 008,P :0. 005，其余為Fe。鋼材經電弧爐、氬氧混吹法冶煉、稀土鋁鐵合金脫氧，1500 1600°C出鋼、1450 1550°C澆鑄，開坯后于1150 800°C熱軋成無縫鋼管或板材，后經空冷或水冷；對于板材可經過30-80%壓下量的冷軋后經600 950°C退火后經過卷板、高頻直縫焊成管材。
實施例3一種抗酸性腐蝕的高強塑積膨脹管用鋼，其組成如下，均為質量百分比(wt% ) C 0. IUMn 24. 4,Cr :4. 72,Ni :1. 89、A1 :1. 76,Si :0. 833,Mo :0. 495,Nb :0. 012,Re :0. 20、 S :0. 002、P :0. 009，其余為狗。鋼材經采用電弧爐、氬氧混吹法冶煉、稀土鋁鐵合金脫氧， 1450-1550°C澆鑄，開坯后于1150 800°C熱軋成無縫鋼管或板材，后經空冷或水冷；對于板材可經過30-80%壓下量的冷軋后經600 950°C退火后經過卷板、高頻直縫焊成管材。實施例4 一種抗酸性腐蝕的高強塑積膨脹管用鋼，其組成如下，均為質量百分比(wt% ) C 0. 29,Mn 25. 2,Cr :9. 07,Ni :1. 69、A1 :1. 76,Si :0. 984,Mo :0. 572,Nb :0. OlURe :0. 20、 S :0. 007、P :0. 009，其余為狗。鋼材經采用電弧爐、氬氧混吹法冶煉、稀土鋁鐵合金脫氧， 1500 1600°C出鋼，1450 1550°C澆鑄，開坯后于1150 800°C熱軋成無縫鋼管或板材， 后經空冷或水冷；對于板材可經過30 80%壓下量的冷軋后經600 950°C退火后經過卷板、高頻直縫焊成管材。本發(fā)明高強塑積膨脹管用鋼的性能測試(均以實施例1為例)從圖1、圖2和表1可以看出，對于熱軋后和熱軋后經過固溶處理的鋼材就能保持了良好的強塑性，其強塑積均達到了 50000MPa%以上，加工硬化系數(shù)η均在形變中可達到 0.5以上。采用上述兩種方式作為最終熱處理制備的無縫鋼管均可以滿足可膨脹管對鋼材性能的要求，及較低的屈服強度、較高的抗拉強度、很高的斷后延伸率、大于30000MPa%的強塑積和高大0. 5以上的加工硬化指數(shù)。但考慮到可膨脹管的井下施工的膨脹力應該盡量的小，采用熱軋后固溶水冷處理，屈服強度相對小一些更為恰當。從圖3的金相組織照片和圖4的χ射線衍射分析可以看出，經過固溶處理后鋼材的基體為單一奧氏體組織晶粒內部含有少量的退火孿晶。表1 本發(fā)明鋼材的熱軋后空冷和熱軋后固溶1050°C 30分水冷的機械性能
權利要求
1. 一種具有高強塑積的大膨脹率膨脹管用鋼，其組成如下，均為質量百分比C: 0. 01 0. 5%，Mn :10 26%，Cr :1 10%，Ni :0. 5 5%，A1 :0. 1 2%，Si :0. 1 1%， Mo 0. 1 0. 6%，Nb 0. 01 0. 2%，Re 0. 05 0. 3%，S 彡 0. 010%, P 彡 0. 010%，其余為Fe。
2.如權利要求1所述的管用鋼的制備方法，依次包括以下步驟(1)以工業(yè)純鐵和鐵合金為原料，采用電弧爐、氬氧混吹法冶煉、稀土鋁鐵合金脫氧，鋼水澆鑄溫度1450 1550°C ；(2)將鋼錠熱軋為鋼管或板材，鋼錠的始軋溫度為1100 1150°C，終軋溫度彡800°C, 軋后空冷或淬水；(3)經熱軋軋制的板材再經壓下量30-80%的冷軋，制成規(guī)定尺寸、厚度的鋼帶；(4)冷軋后經過600 1000°C，0.5 2h加熱空冷正火至室溫；(5)利用高頻直縫壓力焊接技術和幾何無縫化、物理無縫化處理，即得本發(fā)明具有高強塑積的大膨脹率膨脹管用鋼。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種具有高強塑積的大膨脹率膨脹管用鋼及其制備方法，該管用鋼組成如下，均為質量百分比C0.01～0.5％，Mn10～26％，Cr1～10％，Ni0.5～5％，Al0.1～2％，Si0.1～1％，Mo0.1～0.6％，Nb0.01～0.2％，Re0.05～0.3％，S≤0.010％，P≤0.010％，其余為Fe。該管用鋼的制備方法原理可靠，生產工藝簡單，操作簡便。本發(fā)明通過成分設計，真空冶煉，控制澆鑄，直接熱軋后或固溶后冷軋結合退火熱處理，獲得具有純凈度高、含硅鋁量低、避免熱軋鋼坯缺陷、強塑積≥40000MPa％的大膨脹率膨脹管用鋼，具有廣闊的市場前景。
文檔編號C22C38/58GK102345077SQ20111028128
公開日2012年2月8日 申請日期2011年9月21日 優(yōu)先權日2011年9月21日
發(fā)明者宋開紅, 李春福, 楊立輝 申請人:西南石油大學