一种高强度膨胀套管及其制造方法转让专利

申请号 : CN201810638363.6

文献号 : CN110616365B

文献日 :

基本信息:

PDF:

法律信息:

相似专利:

发明人 : 董晓明张忠铧高展

申请人 : 宝山钢铁股份有限公司

摘要 :

本发明公开了一种高强度膨胀套管,其化学元素质量百分比为:C:0.1‑0.2%、Si:0.1‑0.4%、Mn:3‑6%、V:0.05‑0.2%、Ca:0.0005‑0.005%、Ti:0.01‑0.04%、Al:0.01‑0.05%,以及Cr≤0.5%、Mo≤0.5%、Nb≤0.04%的至少其中一种,余量为Fe和其他不可避免的杂质。本发明还公开了一种上述高强度膨胀套管的制造方法,包括步骤:(1)经过冶炼和连铸制得管坯;(2)将管坯穿孔和连轧;(3)热处理:将钢管加热到奥氏体化温度Ac1+30℃至Ac3‑30℃,保温30‑60min后水淬;然后在650‑720℃范围内回火,保温时间50‑80min;然后热定径。

权利要求 :

1.一种高强度膨胀套管,其特征在于,其化学元素质量百分比为:C:0.1‑0.2%、Si:0.1‑0.4%、Mn:3‑6%、V:0.05‑0.2%、Ca:0.0005‑0.005%、Ti:0.01‑

0.04%、Al:0.01‑0.05%,以及Cr≤0.5%、Mo≤0.5%、Nb≤0.04%的至少其中一种,余量为Fe和其他不可避免的杂质;

所述高强度膨胀套管的微观组织为铁素体+回火索氏体+粒状贝氏体;其中粒状贝氏体的面积比为5‑10%,铁素体的面积比为20‑50%。

2.如权利要求1所述的高强度膨胀套管,其特征在于,在所述其他不可避免的杂质中,P≤0.015%、S≤0.005%、N≤0.008%。

3.如权利要求1所述的高强度膨胀套管,其特征在于,所述高强度膨胀套管膨胀前的屈服强度为400‑600MPa,抗拉强度为700‑950MPa,屈强比≤0.7,延伸率≥35%。

4.如权利要求1所述的高强度膨胀套管,其特征在于,所述高强度膨胀套管通过10‑

20%的膨胀变形强化后的屈服强度为800‑1000MPa,抗拉强度为900‑1100MPa,延伸率≥

15%。

5.如权利要求1‑4中任意一项所述的高强度膨胀套管的制造方法,其包括步骤:(1)经过冶炼和连铸制得管坯;

(2)将管坯穿孔和连轧;

(3)热处理:将钢管加热到奥氏体化温度Ac1+30℃至Ac3‑30℃,保温30‑60min后水淬;

然后在650‑720℃范围内回火,保温时间50‑80min;然后热定径。

6.如权利要求5所述的制造方法,其特征在于,在步骤(3)中,热定径温度为500‑550℃。

7.如权利要求5所述的制造方法,其特征在于,在步骤(1)中,浇铸过程中控制钢水过热度≤30℃。

8.如权利要求5所述的制造方法,其特征在于,在步骤(2)中,将管坯在1180‑1220℃环形炉内均热,控制穿孔温度为1140‑1200℃,张力减径温度为880℃‑930℃。

说明书 :

一种高强度膨胀套管及其制造方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种套管及其制造方法,尤其涉及一种膨胀套管及其制造方法。

背景技术

[0002] 膨胀套管是一种特殊的石油专用管,除了应具备良好的膨胀性能外,还必须确保膨胀后达到美国石油学会(API)标准相应钢级套管的力学性能,以满足工程应用要求。但是
目前现有技术中的膨胀套管的力学性能限制了其扩管率,当扩管率超过20%时,膨胀套管
容易出现壁厚不均的问题,导致膨胀套管局部壁厚减薄,从而降低了膨胀套管的整管力学
性能,因此获得高延伸率的膨胀套管是目前现有技术中的主要技术难点。此外,由于扩管后
膨胀套管壁厚减薄以及包辛格效应使得膨胀套管抗挤毁性能降低,因此还需要提高膨胀套
管变形后的屈服强度,以便提高其抗挤毁性能。
[0003] 现有技术中,专利号为CN101755068B,公开日为2012年7月4日,名称为“变形特性优良的钢管及其制造方法”的中国专利文献公开了一种变形特性优良的钢管,其组织为两
相组织,但是该专利并未提出延伸率指标,无法满足膨胀套管对于大变形量的要求。
[0004] 专利号为CN101144376A,公开日为2008年3月19日,名称为“连续膨胀管”的中国专利文献公开了一种连续膨胀管,但其延伸率仅为25%‑30%,无法满足膨胀套管对高延伸率
的要求。
[0005] 鉴于此,期望获得一种高强度膨胀套管,其具有较高的强度和延伸率,从而能够解决现有技术中膨胀套管膨胀后强度低和塑性差的问题,提高膨胀套管在井下使用的耐压能
力,满足油田开采领域对于高强度膨胀套管的需求。

发明内容

[0006] 本发明的目的之一在于提供一种高强度膨胀套管,该膨胀套管具有较高的强度和延伸率,从而能够解决现有技术中膨胀套管膨胀后强度低和塑性差的问题,提高膨胀套管
在井下使用的耐压能力,满足油田开采领域对于高强度膨胀套管的需求。
[0007] 为了实现上述目的,本发明提出了一种高强度膨胀套管,其化学元素质量百分比为:
[0008] C:0.1‑0.2%、Si:0.1‑0.4%、Mn:3‑6%、V:0.05‑0.2%、Ca:0.0005‑0.005%、Ti:0.01‑0.04%、Al:0.01‑0.05%,以及Cr≤0.5%、Mo≤0.5%、Nb≤0.04%的至少其中一种,
余量为Fe和其他不可避免的杂质。
[0009] 本发明所述的高强度膨胀套管中的各化学元素的设计原理为:
[0010] C:C为析出物形成元素,可以提高钢的强度。当C含量低于0.10%时,会使钢的淬透性降低,难以同时保证高强度和高塑性。当C含量高于0.20%时,会抑制铁素体组织的形成,
降低塑性,此外,C还会与Cr、Mo形成大量粗化的析出物,并显著加重钢的偏析,导致塑性显
著降低。因此,本发明将高强度膨胀套管中的C的质量百分比限定在0.1‑0.2%。
[0011] Si:Si固溶于铁素体可以提高钢的屈服强度,但Si含量过高会使加工和韧性恶化。Si含量低于0.1%时,会使钢容易氧化。因此,本发明将高强度膨胀套管中的Si的质量百分
比限定在0.1‑0.4%。
[0012] Mn:Mn为奥氏体形成元素,可以使钢中的奥氏体稳定化,在钢管冷却时抑制MA的分解。为了获得一定量的粒状贝氏体组织,需要控制Mn含量在3%以上。但当Mn含量大于6%
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,本发明将高强
度膨胀套管中的Mn的质量百分比限定在3‑6%。
[0013] V:V是典型的析出强化元素,可以弥补因碳含量降低而引起的强度的下降。当V的含量小于0.05%时,难以使材料的强化效果达到110ksi(也就是屈服强度为758MPa)。V的含
量高于0.2%时,容易形成粗大的V(CN),从而降低韧性。因此,本发明将高强度膨胀套管中
的V的质量百分比限定在0.05‑0.2%。
[0014] Ca:Ca可以净化钢液,促使MnS球化,提高冲击韧性,但Ca含量过高时易形成粗大的非金属夹杂物。因此,本发明将高强度膨胀套管中的Ca的质量百分比限定在0.0005‑
0.005%。
[0015] Ti:Ti是强碳氮化物形成元素,能够显著细化奥氏体晶粒,弥补因碳含量降低而引起的强度的下降,但当Ti含量高于0.04%时,易形成粗大的TiN,降低材料韧性。因此,本发
明将高强度膨胀套管中的Ti的质量百分比限定在0.01‑0.04%。
[0016] Al:Al是传统脱氧固氮元素,可以细化晶粒,考虑到其会降低材料屈强比,Al含量不宜过高。因此,本发明将高强度膨胀套管中的Al的质量百分比限定在0.01~0.05%。
[0017] Cr:Cr是强烈提高淬透性的元素,也是强析出物形成元素,回火时能够析出析出物,提高钢的强度,但Cr含量高于0.5%时容易在晶界析出粗大M23C6析出物,降低韧性。因
此,本发明将高强度膨胀套管中的Cr的质量百分比限定在Cr≤0.5%。
[0018] Mo: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。在本发明所述的高强度膨胀套管中,由于碳含量较低,Mo含量高于0.5%时难以对提高钢强度产生
显著影响,容易造成合金浪费。因此,本发明将高强度膨胀套管中的Mo的质量百分比限定在
Mo≤0.5%。
[0019] Nb:Nb是细化晶粒和析出强化元素,可以弥补因碳含量降低而引起的强度的下降。Nb含量高于0.04%时容易形成粗大的Nb(CN),从而降低韧性。因此,本发明将高强度膨胀套
管中的Nb的质量百分比限定在Nb≤0.04%。
[0020] 进一步地,在本发明所述的高强度膨胀套管中,在所述其他不可避免的杂质中,P≤0.015%、S≤0.005%、N≤0.008%。
[0021] 更进一步地,本发明所述的高强度膨胀套管,其微观组织为铁素体+回火索氏体+粒状贝氏体。
[0022] 进一步地,在本发明所述的高强度膨胀套管中,其中粒状贝氏体的面积比为5‑10%。
[0023] 进一步地,在本发明所述的高强度膨胀套管中,其中铁素体的面积比为20‑50%。
[0024] 进一步地,在本发明所述的高强度膨胀套管中,所述高强度膨胀套管膨胀前的屈服强度为400‑600MPa,抗拉强度为700‑950MPa,屈强比≤0.7,延伸率≥35%。
[0025] 进一步地,在本发明所述的高强度膨胀套管中,所述高强度膨胀套管通过10‑20%的膨胀变形强化后的屈服强度为800‑1000MPa,抗拉强度为900‑1100MPa,延伸率≥15%。
[0026] 相应地,本发明的另一目的在于提供一种上述高强度膨胀套管的制造方法,该制造方法通过优化的工艺设计,使制得的膨胀套管具有较高的强度和延伸率,从而能够解决
现有技术中膨胀套管膨胀后强度低和塑性差的问题,提高膨胀套管在井下使用的耐压能
力,满足油田开采领域对于高强度膨胀套管的需求。
[0027] 为了实现上述目的,本发明提出了一种上述高强度膨胀套管的制造方法,其包括步骤:
[0028] (1)经过冶炼和连铸制得管坯;
[0029] (2)将管坯穿孔和连轧;
[0030] (3)热处理:将钢管加热到奥氏体化温度Ac1+30℃至Ac3‑30℃,保温30‑60min后水淬;然后在650‑720℃范围内回火,保温时间50‑80min;然后热定径。
[0031] 在上述制造方法中,在步骤(1)中,在一些实施方式中,钢水经电炉冶炼,通过炉外精炼、真空脱气和氩气搅拌后,经过Ca处理进行夹杂物变性,以降低O、H含量,然后将合金浇
铸成圆坯。在步骤(3)中,将奥氏体化温度限定在Ac1+30℃到Ac3‑30℃范围内,是为了获得
铁素体和奥氏体两相组织,从而保证钢中的铁素体比例,提高钢的塑性。需要说明的是,在
步骤(3)中,Ac1=723-10.7[Mn%]-16.9[Ni%]+29.1[Si%]+16.9[Cr%]+290[As%]+
6.38[W%],式中的Mn、Ni、Si、Cr、As和W分别表示其各自的质量百分比,并且带入上述限定
公式时的数值应当代入百分号前的数值,例如当Mn的质量百分比为4%,Ni的质量百分比为
0%,Si的质量百分比为0.1%,Cr的质量百分比为0.2%,As的质量百分比为0%,W的质量百
分比为0%,则代入公式时的数值分别为4、0、0.1、0.2、0和0,从而计算得到Ac1=723-10.7
[Mn%]-16.9[Ni%]+29.1[Si%]+16.9[Cr%]+290[As%]+6.38[W%]=723-10.7×4-
1/2
16.9×0+29.1×0.1+16.9×0.2+290×0+6.38×0=686.5。此外,Ac3=910-203[C%] -
15.2[Ni%]+44.7[Si%]+104[V%]+31.5[Mo%]+13.1[W%],式中的C、Ni、Si、V、Mo和W分别
表示其各自的质量百分比,并且带入上述限定公式时的数值应当代入百分号前的数值,例
如当C的质量百分比为0.12%,Ni的质量百分比为0%,Si的质量百分比为0.1%,V的质量百
分比为0.07%,Mo的质量百分比为0.2%,W的质量百分比为0%,则代入公式时的数值分别
1/2
为,从而计算得到Ac3=910-203[C%] -15.2[Ni%]+44.7[Si%]+104[V%]+31.5
1/2
[Mo%]+13.1[W%]=910-203×0.12 -15.2×0+44.7×0.1+104×0.07+31.5×0.2+
13.1×0=857.7。
[0032] 进一步地,在本发明所述的制造方法中,在步骤(3)中,热定径温度为500‑550℃。
[0033] 进一步地,在本发明所述的制造方法中,在步骤(1)中,浇铸过程中控制钢水过热度≤30℃。
[0034] 进一步地,在本发明所述的制造方法中,在步骤(2)中,将管坯在1180‑1220℃环形炉内均热,控制穿孔温度为1140‑1200℃,张力减径温度为880℃‑930℃。
[0035] 在本发明所述的制造方法中,在步骤(2)中,在一些实施方式中,可以将步骤(1)得到的管坯冷却后再在环形加热炉内加热。
[0036] 本发明所述的高强度膨胀套管及其制造方法与现有技术相比,具有以下有益效果:
[0037] (1)本发明通过合理的成分设计,使本发明所述的高强度膨胀套管成本低廉,并且具有较高的强度和延伸率,从而能够解决现有技术中膨胀套管膨胀后强度低和塑性差的问
题,提高膨胀套管在井下使用的耐压能力,满足油田开采领域对于高强度膨胀套管的需求。
[0038] (2)本发明所述的高强度膨胀套管的制造方法通过优化的工艺设计,使制得的高强度膨胀套管膨胀前的屈服强度为400‑600MPa,抗拉强度为700‑950MPa,屈强比≤0.7,延
伸率≥35%,通过10‑20%的膨胀变形强化后的屈服强度为800‑1000MPa,抗拉强度为900‑
1100MPa,延伸率≥15%。
[0039] (3)本发明所述的高强度膨胀套管的制造方法工艺简单,易于大批量生产实施。

具体实施方式

[0040] 下面将具体的实施例对本发明所述的高强度膨胀套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。
[0041] 实施例1‑5和对比例1‑4
[0042] 表1‑1和表1‑2列出了实施例1‑5和对比例1‑4的高强度膨胀套管中各化学元素的质量百分比。
[0043] 表1‑1.(wt%,余量为Fe和除P、S、N以外的不可避免的杂质)
[0044] 序号 C Mn Si P S Cr Mo V Ac1 Ac1+30 Ac3 Ac3‑30实施例1 0.1 3 0.2 0.009 0.002 / / 0.05 697 727 860 830
实施例2 0.12 4 0.1 0.010 0.001 0.2 0.2 0.07 686 716 858 828
实施例3 0.14 5 0.3 0.010 0.003 0.5 0.5 0.1 687 717 874 844
实施例4 0.18 6 0.4 0.012 0.005 / / 0.15 670 700 857 827
实施例5 0.20 4 0.25 0.013 0.002 / / 0.2 687 717 851 821
对比例1 0.1 1.5 0.2 0.009 0.002 / / 0.05 713 743 860 830
对比例2 0.3 4 0.1 0.010 0.001 0.2 0.2 0.07 686 716 817 787
对比例3 0.05 5 0.3 0.010 0.003 / 0.5 / 678 708 894 864
对比例4 0.18 6 0.4 0.012 0.005 / / 0.15 670 700 857 827
[0045] 注:上表中,Ac1=723-10.7[Mn%]-16.9[Ni%]+29.1[Si%]+16.9[Cr%]+290[As%]+6.38[W%],式中的Mn、Ni、Si、Cr、As和W分别表示其各自的质量百分比,并且带入上
1/2
述限定公式时的数值应当代入百分号前的数值。Ac3=910-203[C%] -15.2[Ni%]+
44.7[Si%]+104[V%]+31.5[Mo%]+13.1[W%],式中的C、Ni、Si、V、Mo和W分别表示其各自
的质量百分比,并且带入上述限定公式时的数值应当代入百分号前的数值。
[0046] 表1‑2.(wt%,余量为Fe和除P、S、N以外的不可避免的杂质)
[0047]
[0048]
[0049] 实施例1‑5和对比例1‑4的高强度膨胀套管采用下述步骤制得(具体工艺参数参见表2‑1和表2‑2):
[0050] (1)按照表1中的各化学元素的质量百分比进行电炉冶炼,通过炉外精炼、真空脱气和氩气搅拌后,经过Ca处理进行夹杂物变性,以降低O、H含量,然后将合金连续浇铸成管
坯,其中连续浇铸过程中控制钢水过热度≤30℃。
[0051] (2)将管坯穿孔和连轧:将管坯冷却后在1180‑1220℃环形炉内均热,控制穿孔温度为1140‑1200℃,张力减径温度为880℃‑930℃。
[0052] (3)热处理:将钢管加热到奥氏体化温度Ac1+30℃至Ac3‑30℃,保温30‑60min后水淬;然后在650‑720℃范围内回火,保温时间50‑80min;然后热定径,热定径温度为500‑550
℃。其中,Ac1=723-10.7[Mn%]-16.9[Ni%]+29.1[Si%]+16.9[Cr%]+290[As%]+6.38
[W%],式中的Mn、Ni、Si、Cr、As和W分别表示其各自的质量百分比,并且带入上述限定公式
1/2
时的数值应当代入百分号前的数值,Ac3=910-203[C%] -15.2[Ni%]+44.7[Si%]+
104[V%]+31.5[Mo%]+13.1[W%],式中的C、Ni、Si、V、Mo和W分别表示其各自的质量百分
比,并且带入上述限定公式时的数值应当代入百分号前的数值。
[0053] 表2‑1和表2‑2列出了实施例1‑5和对比例1‑4的高强度膨胀套管的制造方法的具体工艺参数。
[0054] 表2‑1.
[0055]
[0056]
[0057] 表2‑2.
[0058]
[0059] 表3列出了实施例1‑5和对比例1‑4的高强度膨胀套管膨胀前的性能测试结果。表4列出了实施例1‑5和对比例1‑4的高强度膨胀套管通过10‑20%的膨胀变形强化后的性能测
试结果。
[0060] 表3.
[0061]
[0062] 表4.
[0063]
[0064]
[0065] 由表3和表4可以看出,实施例1‑5的高强度膨胀套管膨胀前的屈服强度为400‑600MPa,抗拉强度为700‑950MPa,屈强比≤0.7,延伸率≥35%,0℃横向冲击功在120J以上。
实施例1‑5的高强度膨胀套管通过10‑20%的膨胀变形强化后的屈服强度为800‑1000MPa,
抗拉强度为900‑1100MPa,延伸率≥15%,0℃横向冲击功在100J以上。
[0066] 对比例1的高强度膨胀套管中Mn含量过低,无法获得粒状贝氏体组织,通过10‑20%的膨胀变形强化后强度偏低。
[0067] 对比例2的高强度膨胀套管中C含量过高,从而导致塑性降低。
[0068] 对比例3的高强度膨胀套管中未添加V,C含量也过低,其强度达不到110ksi的要求。
[0069] 对比例4的高强度膨胀套管在制造过程中,奥氏体化温度不在Ac1+30℃至Ac3‑30℃的范围内,从而导致塑性降低。
[0070] 需要说明的是,本发明的保护范围中现有技术部分并不局限于本申请文件所给出的实施例,所有不与本发明的方案相矛盾的现有技术,包括但不局限于在先专利文献、在先
公开出版物,在先公开使用等等,都可纳入本发明的保护范围。
[0071] 此外,本案中各技术特征的组合方式并不限本案权利要求中所记载的组合方式或是具体实施例所记载的组合方式,本案记载的所有技术特征可以以任何方式进行自由组合
或结合,除非相互之间产生矛盾。
[0072] 还需要注意的是,以上所列举的实施例仅为本发明的具体实施例。显然本发明不局限于以上实施例,随之做出的类似变化或变形是本领域技术人员能从本发明公开的内容
直接得出或者很容易便联想到的,均应属于本发明的保护范围。