本發(fā)明屬于焊接鋼管技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種高均勻變形性能、高鋼級(jí)SEW膨脹管及其制造方法。
背景技術(shù)：
實(shí)體膨脹管原先主要應(yīng)用于套損井修復(fù)、油田堵水及層系封堵、老油田二次開發(fā)的加深/側(cè)鉆、鉆遇垮塌和漏失層等復(fù)雜情況時(shí)用作應(yīng)急套管等，目前，隨著復(fù)雜地層井、大斜度井、成熟井、貧化井及深井、高溫高壓井的日益普遍，其應(yīng)用方式已從之前的應(yīng)急手段轉(zhuǎn)變?yōu)槌Ｒ?guī)的、有計(jì)劃性選擇的解決方案。由于膨脹管技術(shù)具有優(yōu)化井身結(jié)構(gòu)、降低鉆采成本、節(jié)約作業(yè)時(shí)間、快速恢復(fù)生產(chǎn)、提高單井產(chǎn)量等諸多不可比擬的優(yōu)勢，特別是等井徑膨脹管鉆井技術(shù)，可降低一半左右的綜合鉆采成本，因此在油氣勘探、開發(fā)中發(fā)揮越來越重要的作用，尤其對(duì)未來海上油氣的規(guī)?；_采具有非常重要的意義。
為滿足修井、側(cè)鉆及完井等不同作業(yè)類型的膨脹施工工藝要求，實(shí)現(xiàn)膨脹過程的全管體均勻塑性變形，膨脹管材應(yīng)具備：①高尺寸精度(尤其壁厚均勻度和圓度)：采用HFW焊接制管工藝比先天性尺寸精度差的無縫制管方式更具有優(yōu)勢；②全管體組織性能均一：采用SEW焊管(對(duì)HFW焊接母管中頻感應(yīng)加熱后進(jìn)行熱張力減徑的無縫化處理)比傳統(tǒng)HFW焊管(僅進(jìn)行焊后的焊縫熱處理)更具有全管體組織性能均一化優(yōu)勢；③管體焊縫100％無缺陷：為避免因焊縫質(zhì)量問題導(dǎo)致膨脹過程沿焊縫處開裂，進(jìn)而造成作業(yè)失敗的嚴(yán)重后果，須從管材的化學(xué)成分上進(jìn)行低碳、低錳及低合金化設(shè)計(jì)以確保優(yōu)良的可焊性；④高均勻延伸率：這是確保膨脹管高均勻塑性變形的重要性能指標(biāo)之一?？傊?，獨(dú)特的低碳、低合金化成分設(shè)計(jì)及簡易的熱處理工藝路線相匹配是使SEW膨脹管材兼具良好的可焊性、高均勻變形性能及低制造成本的重要保證。
在綜合分析了當(dāng)前國內(nèi)的膨脹管制造技術(shù)之后，并未發(fā)現(xiàn)國內(nèi)將以上幾個(gè)重要因素綜合考慮并成功實(shí)施的相關(guān)報(bào)道，主要存在以下問題。一是采用先天性尺寸精度差的無縫鋼管用作膨脹管；例如，申請(qǐng)?zhí)枮?00910187461.3的中國專利，無縫膨脹管的外徑不均度指標(biāo)僅＜2％，遠(yuǎn)低于SY/T 5989-2012《直縫電阻焊套管》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的焊管外徑不均度≤0.50％的要求。二是采用傳統(tǒng)HFW焊接鋼管 用作膨脹管，雖然管體尺寸精度高，但由于沒有引入全管體形變熱處理工藝(即HFW焊管熱張力減徑)，因此母材與焊縫的組織性能仍存在較大差異；比如，申請(qǐng)?zhí)枮?01210009842.4的中國專利，對(duì)焊接好的管坯直接進(jìn)行離線熱處理，從說明書附圖可看出母材和焊縫區(qū)的微觀組織仍存在明顯差異。三是原料多直接采用擁有高塑性變形性能的第三代汽車鋼(例如TRIP鋼、TWIP鋼或Q&T鋼等)的高合金成分設(shè)計(jì)，為了確保通過簡易的熱處理工藝使得室溫下得到殘余奧氏體組織，使其受塑性變形影響誘發(fā)產(chǎn)生相變而轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，進(jìn)而鋼材局部硬度提高及繼續(xù)變形困難，導(dǎo)致頸縮被推遲即變相的提高了塑性，因此該類材料普遍含有非常不利于焊接的Si、Al、P等元素總含量較高(≥1％)且還常常含有中高含量的Mn，因此原料的可焊性差、焊縫100％無缺陷的可靠性差，極易在焊接過程產(chǎn)生大量的氣孔、夾雜、偏析、分層等焊接缺陷，因此TRIP鋼或Q&T鋼等在汽車工業(yè)上主要采用激光焊接且板材的壁厚較薄(普遍≤3.0mm)，而油田用膨脹管的壁厚普遍達(dá)6.35～15.70mm，難以采用該焊接方法制造；例如，中國專利CN 102345077A公開了一種高強(qiáng)塑積的大膨脹率膨脹管用鋼及其制備方法，該原料成分加入了高達(dá)10～26％的Mn和0.05～0.3％的戰(zhàn)略性稀土元素Re；又如，中國專利CN 102517511B公開的實(shí)質(zhì)上是一種低碳硅錳型相變誘發(fā)塑性鋼膨脹管的制造方法，其采用直縫電阻焊制管的實(shí)施例1、8和11的原料含有高達(dá)2.0％Si或4.0％Mn，這在目前國內(nèi)外的高頻焊接水平上是難以達(dá)到的高度。最后，為實(shí)現(xiàn)組織調(diào)控目標(biāo)而采用的熱處理工藝普遍較為復(fù)雜，直接導(dǎo)致了成本增加和不利于規(guī)?；茝V；例如，中國專利CN102534166 A公開了一種高擴(kuò)徑性能的J55鋼級(jí)ERW膨脹管制備方法，包括了三道離線熱處理，首先ERW管坯加熱到1000～1150℃、保溫30～60分鐘后空冷，其次再全管體加熱到管材奧氏體化相變溫度Ac3之上50～100℃、保溫30～60分鐘后空冷，最后還要全管體加熱到兩相區(qū)700～750℃、保溫30～60分鐘再空冷。
本發(fā)明中使用一種添加極少量合金及微合金元素的低碳低合金材料，經(jīng)過成型焊接、熱張力減徑及特殊熱處理工藝生產(chǎn)焊縫100％無缺陷的高焊縫質(zhì)量可靠性、全管體高均勻變形性能的高鋼級(jí)SEW膨脹管。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明目的在于提供一種高均勻變形性能、高鋼級(jí)SEW膨脹管的制造方法， 通過合理的低碳低合金化原料成分設(shè)計(jì)和“HFW成型焊接+焊管熱張力減徑+特殊熱處理”制造工藝實(shí)現(xiàn)，具有制造方法簡易、全管體均勻變形性能優(yōu)良、可滿足膨脹管相關(guān)作業(yè)技術(shù)要求等優(yōu)點(diǎn)，有利于工業(yè)化推廣應(yīng)用。
本發(fā)明的高均勻變形性能、高鋼級(jí)SEW膨脹管的化學(xué)成分(按重量百分比為)：C 0.08～0.25％、Si 0.1～0.6％、Mn 0.6～2.5％、P≤0.015％、S≤0.003％、Ni 0.1～0.6％、Cr 0.3～1.0％、Mo 0.1～0.6％、Cu 0.1～0.6％、Nb 0.01～0.06％、B 0.001～0.003％，余量為Fe及不可避免的雜質(zhì)。
所述高均勻變形性能、高鋼級(jí)膨脹管的顯微組織為：鐵素體+退化珠光體+M-A組元，其中M-A組元含量≥20％。
熱處理后力學(xué)性能最高可達(dá)API 5CT-95ksi鋼級(jí)水平，具體指標(biāo)為：屈服強(qiáng)度480～670MPa，抗拉強(qiáng)度650～900MPa，斷后伸長率30～43％，均勻延伸率≥16％。
本發(fā)明的制造方法的主要工藝步驟為：
(1)HFW母管制備：以所述合金化成分設(shè)計(jì)的熱軋卷板為原料，采用精密冷彎成型及HFW焊接制成母管，同時(shí)對(duì)焊縫內(nèi)、外毛刺進(jìn)行清除。
(2)熱張力減徑：HFW母管經(jīng)中頻感應(yīng)加熱爐快速透熱至780～980℃，進(jìn)行熱張力減徑得到所需規(guī)格的管坯，然后將高溫?zé)釓垳p管坯空冷至350～600℃后旋轉(zhuǎn)通過在線控冷裝置直接水冷到室溫。
(3)熱處理：對(duì)經(jīng)以上處理后的鋼管進(jìn)行去應(yīng)力回火處理，回火溫度150～300℃，保溫時(shí)間1～2h，然后空冷到室溫。
(4)管加工：最后進(jìn)行全管體無損探傷、管內(nèi)噴砂涂油、管端絲扣加工等處理，最終制成了所述的膨脹管。
本發(fā)明的合金設(shè)計(jì)思想是在C-Mn鋼的基礎(chǔ)上加Mo元素來明顯提高奧氏體的穩(wěn)定性，抑制先共析鐵素體生成，所需Mo元素的含量為0.1～0.6％。其次，鋼管中的M-A組元(即馬奧島)是獲得低屈強(qiáng)比的關(guān)鍵，所以要保證鋼中有一定的C元素含量，控制在0.08～0.25％。再次，還要加入一定量的Ni、Cr和Cu元素來滿足鋼管的耐腐蝕性能的要求，同時(shí)它們都是奧氏體穩(wěn)定元素，有很強(qiáng)的固溶強(qiáng)化作用，其加入量都控制在0.1～0.6％，Cr元素含量可以稍高一些，即0.3～1.0％。此外，還要加入Nb元素進(jìn)行微合金化，用以穩(wěn)定奧氏體并阻止先共析鐵素體晶粒長大，使得到的鐵素體晶粒細(xì)小，添加量為0.01～0.06％。最后，加 入極微量的B元素，雖然該元素在鋼中的溶解度雖然極低，但不同的B含量及其在不同的合金化體系下的作用機(jī)制卻十分復(fù)雜，在本發(fā)明中硼主要是通過與Nb、Cu等元素的復(fù)合作用來達(dá)到改善晶粒形貌、去除雜質(zhì)、提升塑性并得到中低溫轉(zhuǎn)變組織的目的，即不僅可以降低連鑄坯的化學(xué)不均勻性、細(xì)化柱狀晶體和最終形成細(xì)散的金相組織，而且還可減輕時(shí)效硬化作用，降低極限抗拉強(qiáng)度和屈服點(diǎn)并提高塑性指標(biāo)(伸長率和相對(duì)收縮率)，綜合考慮硼的添加量約0.001～0.003％就會(huì)改善達(dá)到良好的效果，大于0.003％會(huì)使鋼中產(chǎn)生的硼相并沿奧氏體晶界析出，產(chǎn)生熱脆現(xiàn)象，反而降低了塑性。
本發(fā)明采用全管體熱處理技術(shù)主要是HFW母管經(jīng)中頻感應(yīng)加熱爐快速透熱至780～980℃，進(jìn)行熱張力減徑得到所需規(guī)格的管坯，然后將高溫?zé)釓垳p管坯空冷至350～600℃后旋轉(zhuǎn)通過在線控冷裝置直接水冷到室溫，得到所需的組織。由于M-A組元的殘余奧氏體增碳后易形成攣晶馬氏體，在界面上易產(chǎn)生應(yīng)力集中而導(dǎo)致微裂紋，并沿M-A組元邊界擴(kuò)展成為裂紋源，所以M-A組元的韌性很低且數(shù)量越多就脆化越嚴(yán)重，因此需要再進(jìn)行適當(dāng)?shù)牡蜏厝?yīng)力回火處理，從而實(shí)現(xiàn)良好的高強(qiáng)塑性及合理的韌性匹配。
本發(fā)明可以根據(jù)管材的具體要求，適當(dāng)調(diào)整化學(xué)成分和熱處理工藝參數(shù)，以獲得最優(yōu)化的組織配比和形貌。
本發(fā)明克服了現(xiàn)有技術(shù)不足，避免了無縫膨脹管的尺寸精度差、傳統(tǒng)HFW焊接膨脹管的焊縫與母材組織性能差異大、高合金汽車鋼材質(zhì)膨脹管的焊縫質(zhì)量100％無缺陷可靠性低等諸多不利因素，在解決管材高塑性與高強(qiáng)度矛盾的同時(shí)，充分兼顧了管材的制造成本，即采用合理的低碳低合金化的原料成分設(shè)計(jì)及簡易的熱處理工藝路線，避免了高合金化原料設(shè)計(jì)、多道次且復(fù)雜的熱處理工藝等帶來的能耗及成本增加。本發(fā)明獲得的高均勻延伸率、高鋼級(jí)SEW膨脹管尺寸精度高、全管體(母材及焊縫)組織性能均一，顯微組織分析結(jié)果表明M-A組元含量20％以上，膨脹前最高可滿足API Spec 5CT-95ksi鋼級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，膨脹后可達(dá)P110鋼級(jí)水平，其均勻延伸率≥16％，明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的淬火-回火鋼，與常規(guī)TRIP鋼等基本相當(dāng)，可以滿足套損補(bǔ)貼、裸眼完井、老井側(cè)鉆等膨脹管作業(yè)技術(shù)要求，對(duì)我國膨脹管石油鉆采新技術(shù)、新裝備的發(fā)展進(jìn)步具有十分重要意義。
具體實(shí)施方式
實(shí)施例1
本實(shí)施例熱軋鋼卷的化學(xué)成分為(質(zhì)量百分?jǐn)?shù)，％)：C 0.15、Si 0.35、Mn 1.1、P 0.011、S 0.001、Ni 0.25、Cr 0.58、Mo 0.26、Cu 0.31、Nb 0.03、B 0.0017，余量為Fe及不可避免的雜質(zhì)。
生產(chǎn)步驟如下：首先，將以上成分的熱軋鋼卷經(jīng)縱剪、銑邊、排輥冷彎成型和高頻電阻焊，制成外徑Φ193.7mm、壁厚7.3mm的焊接母管；其次，將該HFW焊接母管經(jīng)中頻感應(yīng)加熱爐整體快速加熱至860℃，隨即進(jìn)入多道軋輥機(jī)組進(jìn)行全管體熱張力減徑，得到外徑Φ139.7mm、壁厚7.72mm的熱張減管坯；然后將高溫?zé)釓垳p管坯空冷至480℃后旋轉(zhuǎn)通過在線控冷裝置直接水冷到室溫；最后，對(duì)經(jīng)以上處理后的鋼管進(jìn)行去應(yīng)力回火處理，回火溫度250℃，保溫時(shí)間1.5h后空冷到室溫。
經(jīng)檢測，膨脹管屈服強(qiáng)度629MPa，抗拉強(qiáng)度880MPa，屈強(qiáng)比0.71，斷后延伸率36％，均勻延伸率16.4％，0℃橫向全尺寸沖擊功56J。
實(shí)施例2
本實(shí)施例熱軋鋼卷的化學(xué)成分為(質(zhì)量百分?jǐn)?shù)，％)：C 0.10、Si 0.45、Mn 0.9、P 0.013、S 0.002、Ni 0.39、Cr 0.71、Mo 0.44、Cu 0.30、Nb 0.05、B 0.0022，余量為Fe及不可避免的雜質(zhì)。
生產(chǎn)步驟如下：首先，將以上成分的熱軋鋼卷經(jīng)縱剪、銑邊、排輥冷彎成型和高頻電阻焊，制成外徑Φ193.7mm、壁厚7.9mm的焊接母管；其次，將該HFW焊接母管經(jīng)中頻感應(yīng)加熱爐整體快速加熱至930℃，隨即進(jìn)入多道軋輥機(jī)組進(jìn)行全管體熱張力減徑，得到外徑Φ139.7mm、壁厚8.38mm的熱張減管坯；然后將高溫?zé)釓垳p管坯空冷至550℃后旋轉(zhuǎn)通過在線控冷裝置直接水冷到室溫；最后，對(duì)經(jīng)以上處理后的鋼管進(jìn)行去應(yīng)力回火處理，回火溫度200℃，保溫時(shí)間2h后空冷到室溫。
經(jīng)檢測，膨脹管屈服強(qiáng)度520MPa，抗拉強(qiáng)度763MPa，屈強(qiáng)比0.68，斷后延伸率39％，均勻延伸率16.7％，0℃橫向全尺寸沖擊功59J。
上述實(shí)施例，只是本發(fā)明較佳實(shí)施例，并非用來限制本發(fā)明實(shí)施范圍，故凡以本發(fā)明權(quán)利要求所述內(nèi)容所做的等效變化，均應(yīng)包括在本發(fā)明權(quán)利要求范圍之內(nèi)。
以上內(nèi)容是結(jié)合具體的優(yōu)選實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明所作的進(jìn)一步詳細(xì)說明，不能 認(rèn)定本發(fā)明的具體實(shí)施方式僅限于此，對(duì)于本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干簡單的推演或替換，都應(yīng)當(dāng)視為屬于本發(fā)明由所提交的權(quán)利要求書確定專利保護(hù)范圍。