專利名稱：一種含Mn24～30%的合金管材及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種石油天然氣工業(yè)實(shí)體膨脹管用含Mn24 30%的合金管材及其制 造方法。
背景技術(shù)：
實(shí)體膨脹套管SET (Solid Expandable Tubular)技術(shù)是以實(shí)現(xiàn)“節(jié)省”井眼尺寸為 目的，在井眼中將套管柱徑向膨脹至所要求的直徑尺寸的一種鉆井、完井和修井新技術(shù)。應(yīng) 用該技術(shù)可以使得下入的套管層數(shù)增加，給深井、復(fù)雜地質(zhì)條件的鉆井和井身結(jié)構(gòu)帶來(lái)“革 命性”的影響和重大技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。它可以將井眼變“瘦”顯著降級(jí)開(kāi)發(fā)成本。它將“單一 井徑”成為可能。實(shí)體膨脹套管技術(shù)目前由少數(shù)幾個(gè)公司所壟斷，主要包括威德福公司、貝克石油 工具公司、TIW公司、億萬(wàn)奇公司、哈里伯頓公司等，其中應(yīng)用該技術(shù)最成熟的是億萬(wàn)奇公 司。許多關(guān)鍵技術(shù)，如實(shí)體膨脹管用鋼、膨脹套管連接技術(shù)、作業(yè)工具以及其他配套技術(shù)等 屬于商業(yè)保密，將該技術(shù)引進(jìn)國(guó)內(nèi)成本較高。實(shí)體膨脹管用鋼是影響實(shí)體膨脹套管技術(shù)推 廣應(yīng)用的幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)之一。為了保證膨脹施工的順利實(shí)施，膨脹管應(yīng)具有優(yōu)良的膨脹性能并且要求材料在膨 脹之后仍具有良好的塑性和強(qiáng)度。傳統(tǒng)的鐵素體珠光體材料在發(fā)生一定量的冷變形之后， 塑性會(huì)顯著降低，使用不安全性較大。為了保證膨脹施工的順利實(shí)施，可膨脹管應(yīng)具有較低 的屈服強(qiáng)度、低屈強(qiáng)比、優(yōu)良的塑性(特別是均勻塑性變形能力)、較大的形變強(qiáng)化性能以 保證經(jīng)過(guò)較大的膨脹變形過(guò)程中變形均勻、不發(fā)生開(kāi)裂等良好的膨脹性能并且要求材料在 膨脹之后具有高的強(qiáng)度和良好的塑性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種具有低屈服強(qiáng)度、高均勻延伸率、高塑性、高抗拉強(qiáng)度特 性的含Mn24 30%的合金管材及其制造方法，所制得的膨脹管在膨脹擴(kuò)徑過(guò)程中具有良 好的膨脹性能，優(yōu)良的均勻變形能力，同時(shí)保證擴(kuò)徑后管體兼?zhèn)涓叩膹?qiáng)度和足夠的塑性。本發(fā)明的所述的一種含Mn24 30%的合金管材及其制造方法(1)含Mn24 30%的合金管材的各成分按質(zhì)量百分比如下C 0. 001 0. 35% ；Mn 24 30% ；Si 0 5% ；A1 1. 0 3. 5% ;P 彡 0. 015% ； S ^ 0. 010% ；N ^ 0. 008% ；余量為Fe ；或在此基礎(chǔ)上添加質(zhì)量百分比Cr 1 6% ；Cu 0. 1 0. 5% ；Nb 0. 01 0. 9% ；Ti 0. 01 0. ;V 0. 01 0. 3%中的一種或兩種以上 的合金元素。(2)上述材料在真空條件下熔煉鑄造，鑄錠在1200°C進(jìn)行3 4小時(shí)的均勻化退 火，以改善合金元素的偏析；鋼錠經(jīng)熱軋后制成鋼板，1200 1150°C開(kāi)軋，終軋溫度900 850°C ；通過(guò)直縫電阻焊制管坯，或通過(guò)熱軋制成無(wú)縫管管坯。(3)經(jīng)(2)工藝所得管坯經(jīng)1000 1200°C固溶處理后得到完全奧氏體組織，管坯隨后在150 450°C條件下進(jìn)行200 800s的時(shí)效處理，獲得組織性能更加穩(wěn)定的可膨脹管。本發(fā)明主要是通過(guò)特殊的成分設(shè)計(jì)使合金在塑性變形過(guò)程中形成大量的機(jī)械孿 晶從而提高合金的塑性變形能力，即通過(guò)孿晶誘發(fā)塑性(twinning induced plasticity) 機(jī)制，即TWIP效應(yīng)提高合金的塑性。TWIP效應(yīng)常出現(xiàn)于奧氏體合金中，發(fā)生TWIP效應(yīng)的 奧氏體合金的均勻延伸率超過(guò)40 %，這是一般的鐵素體珠光體合金或馬氏體合金所無(wú)法 比擬的。根據(jù)可膨脹管的工作特點(diǎn)，本發(fā)明合金具有高均勻延伸率、高塑性、低屈服強(qiáng)度、 低屈強(qiáng)比，高加工硬化能力等特點(diǎn)總延伸率彡70%，均勻延伸率彡60%，屈服強(qiáng)度250 400MPa，抗拉強(qiáng)度630 900MPa，屈強(qiáng)比(屈服強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度之比)0. 34 0. 55。低的 屈服強(qiáng)度保證了膨脹過(guò)程的平穩(wěn)啟動(dòng)，高的均勻延伸率保證了膨脹管在膨脹過(guò)程中具有良 好的膨脹性能，高的加工硬化能力保證了膨脹管有著良好的均勻變形能力并且保證了膨脹 施工完成之后管體強(qiáng)度大幅度增加。該材料在經(jīng)過(guò)30 40%的塑性變形后具有高的強(qiáng)度 和足夠的塑性，總延伸率彡35%，均勻延伸率彡25%，屈服強(qiáng)度達(dá)到500 630MPa，抗拉強(qiáng) 度達(dá)到700 900MPa,屈強(qiáng)比0. 6 0. 8。力學(xué)性能達(dá)到API標(biāo)準(zhǔn)對(duì)70ksi 90ksi鋼級(jí) 套管力學(xué)性能的要求。要在室溫下獲得穩(wěn)定的奧氏體組織必須加入合金元素降低奧氏體的Ms點(diǎn)。C是奧 氏體形成元素可以提高奧氏體的穩(wěn)定性，同時(shí)C可以起到固容強(qiáng)化的作用而提高合金的強(qiáng) 度。但是C含量不宜過(guò)高否則形成的金屬碳化物很難在熱處理過(guò)程中被消除，對(duì)合金的力 學(xué)性能產(chǎn)生不利的影響，同時(shí)c含量高會(huì)導(dǎo)致合金焊接性能的降低；Mn是穩(wěn)定奧氏體形成 元素，當(dāng)合金中的C含量一定時(shí)，隨著Mn含量的增加奧氏體的穩(wěn)定性不斷提高最終在室溫 下得到熱力學(xué)穩(wěn)定的奧氏體，但是過(guò)高的Mn含量將增加合金熱加工過(guò)程中的流變應(yīng)力對(duì) 合金的加工性能產(chǎn)生不利的影響。C和Mn都是奧氏體成元素，增加C含量可以將少M(fèi)n元素 的添加量，同樣可以獲得室溫下穩(wěn)定的奧氏體組織，因此C和Mn在本合金中存在一定的比 列關(guān)系，只要控制好C，Mn的比列關(guān)系可以在很寬的合金成分范圍內(nèi)獲得室溫下穩(wěn)定的奧 氏體組織并使其在變形過(guò)程中發(fā)生TWIP效應(yīng)，并且其力學(xué)性能也可以根據(jù)需求在很寬的 范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)。綜合考慮合金的加工性和焊接性，合金中C含量控制在0. 001 0. 35%， Mn含量控制在24 30%。本發(fā)明中的奧氏體合金之所以可以發(fā)生TWIP效應(yīng)主要是和奧氏體合金的堆垛層 錯(cuò)能(stacking fault engery)有關(guān)，F(xiàn)e-Mn系合金的層錯(cuò)能一般在10 40mJ/m2，當(dāng)堆垛 層錯(cuò)能小于20mJ/m2時(shí)，合金將會(huì)發(fā)生奧氏體向￡馬氏體的轉(zhuǎn)變；當(dāng)堆垛層錯(cuò)能大于20mJ/ m2時(shí)，馬氏體轉(zhuǎn)變將會(huì)被抑制，合金將形成大量的機(jī)械孿晶。機(jī)械孿晶的發(fā)生將會(huì)提高合金 的加工硬化指數(shù)，抑制局部的不均勻變形，大大提高合金的均勻延伸率。合金元素Si和A1 的加入的主要作用就是調(diào)節(jié)合金的堆垛層錯(cuò)能使合金。Si在該合金中的作用，首先可以使 該合金的堆垛層錯(cuò)能降低，其次Si可以起到固容強(qiáng)化的作用，提高合金的強(qiáng)度，同時(shí)Si可 以改變C在奧氏體中的溶解度，并且Si可以減少合金在熱加工過(guò)程中的產(chǎn)生的氧化皮的數(shù) 量，Si的含量控制在0 5%之間。A1可以提高合金的堆垛層錯(cuò)能，是實(shí)現(xiàn)TWIP效應(yīng)非常 有效的元素，同時(shí)A1的加入可以提高合金熱變形過(guò)程中的流變應(yīng)力，延遲動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，提 高合金再結(jié)晶激活能細(xì)化合金的組織，但是A1含量的過(guò)高不利于合金的酸性介質(zhì)的耐蝕 性和鑄造性能，因此A1含量控制在1. 0 3. 5%之間。P可以提高該合金的強(qiáng)度，但P的存
4在會(huì)導(dǎo)致合金的塑性的降低，因此P的含量控制在0.015%以下，S對(duì)該合金的熱加工性能 有著不利的影響應(yīng)控制在0. 010%以下。N在很多低合金高強(qiáng)鋼中都必須加以嚴(yán)格的控制， 但是對(duì)于奧氏體合金而言，N是一種有益的元素，N對(duì)于奧氏體合金而言可以起到強(qiáng)烈的固 溶強(qiáng)化作用同時(shí)對(duì)合金的塑性和韌性沒(méi)有不良的影響，同時(shí)可以改善合金的焊接性，因此 本合金對(duì)N的含量沒(méi)有做嚴(yán)格的限制，但是刻意的添加N來(lái)提高合金的性能需要專門的設(shè) 備會(huì)大幅度提高合金的生產(chǎn)成本。Cr的添加有利于提高材料的耐蝕性，同時(shí)Cr的加入也 可以起到固容強(qiáng)化的作用，在本合金中Cr的含量控制在1 6%就可滿足套管的耐蝕性要 求；適量Cu的加入可以提高合金的耐大氣腐蝕性能和力學(xué)性能，但Cu過(guò)高含量會(huì)惡化合金 性能，因此Cu含量為0. 1 0. 5%。奧氏體合金在加熱冷卻過(guò)程中沒(méi)有相變的發(fā)生，因此難以用熱處理的方式細(xì)化合 金的組織，并且合金在加熱保溫的過(guò)程中，組織會(huì)發(fā)生不同程度的長(zhǎng)大，因此可以向其中 添加V、Nb、Ti等強(qiáng)碳化物元素通過(guò)控軋控冷工藝或者熱機(jī)處理工藝(thermomechanical processing)獲得組織細(xì)小的合金板材。V、Nb、Ti與C和其他合金元素形成的金屬間化合 物在熱軋或熱處理的過(guò)程中彌散析出可以對(duì)基體的晶界起到釘軋作用，提高合金的再結(jié)晶 溫度，細(xì)化合金組織；同時(shí)細(xì)小彌散的金屬間化合物可以阻礙位錯(cuò)的滑移提高材料的強(qiáng)度。 同時(shí)V、Nb、Ti的加入可以提高合金的焊接性能。該合金在真空條件下熔煉鑄造成板坯，由于該合金的Mn含量很高容易產(chǎn)生成分 偏析，因此鑄錠在1200°C進(jìn)行3 4小時(shí)的均勻化退火以消除或改善合金的成分偏析，提 高合金成分的均勻性從而提高合金力學(xué)性能均勻性。均勻化退火處理完成之后，通過(guò)熱軋 (1200°C開(kāi)軋，終軋溫度90(TC )獲得板材，板材通過(guò)直縫電阻焊制成管坯；或者鑄錠經(jīng)熱 軋制成無(wú)縫管坯，所得的管坯經(jīng)1000 1200°C固溶處理后得到完全奧氏體組織，隨后在 150 450°C條件下進(jìn)行200 800s的時(shí)效處理，獲得組織性能更加穩(wěn)定的可膨脹管材。發(fā)明效果本發(fā)明具備以下性能特點(diǎn)(1)可膨脹套管在膨脹前具有高均勻延伸率、高塑性、低屈服強(qiáng)度、低屈強(qiáng)比等特 點(diǎn)均勻延伸率彡60%,總延伸率彡75%,屈服強(qiáng)度250 400MPa，抗拉強(qiáng)度630 900MPa， 低的屈強(qiáng)比(屈服強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度之比)0. 34 0.55。在經(jīng)過(guò)30 40%的塑性變形后 具有高的強(qiáng)度和足夠的塑性，總延伸率> 35%，均勻延伸率> 25%，屈服強(qiáng)度達(dá)到500 630MPa，抗拉強(qiáng)度達(dá)到700 900MPa，屈強(qiáng)比0. 6 0. 8。力學(xué)性能達(dá)到API標(biāo)準(zhǔn)對(duì)70ksi 90ksi鋼級(jí)套管力學(xué)性能的要求。(2)在-50°C 200°C溫度范圍內(nèi)，為完全奧氏體組織，不出現(xiàn)冷脆轉(zhuǎn)變。(3)具有良好的耐蝕性性能。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1合金成分C= 0. 003%, Mn = 27. 1 %, Si = 3. 2%, A1 = 2. 8%, P = 0. 008，S = 0. 005，N = 0. 008%, Ti :0. 03%，其余 Fe。制造工藝在真空條件下熔煉鑄造，鑄錠在1200°C 士20°C進(jìn)行3小時(shí)的均勻化退 火，鋼錠經(jīng)熱軋后制成鋼板，1180°C開(kāi)軋，終軋溫度890°C ；通過(guò)直縫電阻焊制管成管坯。管坯經(jīng)1180°C 士20°C固溶處理后得到具有完全奧氏體組織的鋼管，經(jīng)350-400°C時(shí)效處理 450-550s后制成可膨脹管材。主要性能屈服強(qiáng)度260MPa，抗拉強(qiáng)度650MPa，屈強(qiáng)比0. 40， 均勻延伸率80%，斷后延伸率95%。經(jīng)40%的膨脹變形后，屈服強(qiáng)度505MPa，抗拉強(qiáng)度 680MPa,屈強(qiáng)比0. 74，均勻延伸率36.3%,總延伸率41.7%。鋼管具有良好的尺寸精度，抗 外壓擠毀性能好，且具有良好的耐腐蝕性能。膨脹變形后力學(xué)性能達(dá)到API 70ksi鋼級(jí)套 管性能要求。實(shí)施例2合金成分C= 0. 08%, Mn = 24. 6%, Si = 1. 9%,A1 = 1. 65%, P = 0. 008，S = 0. 003，N = 0. 007%, Nb = 0. 06%, Cr = 4. 3%, Cu = 0. 2%，其余 Fe。制造工藝在真空條件下熔煉鑄造，鑄錠在1200°C 士20°C進(jìn)行4小時(shí)的均勻化退 火，鋼錠經(jīng)熱軋制成無(wú)縫管管坯。管坯經(jīng)1170°C 士20°C固溶處理后得到具有完全奧氏體組 織的鋼管，經(jīng)380 430°C時(shí)效處理420 470s后制成可膨脹管材。主要性能屈服強(qiáng)度360MPa，抗拉強(qiáng)度780MPa，屈強(qiáng)比0. 46，均勻延伸率68. 0%， 斷后延伸率75. 3%。經(jīng)35%的膨脹變形后，屈服強(qiáng)度556MPa，抗拉強(qiáng)度814MPa，屈強(qiáng)比 0.68，均勻延伸率30. 1%，總延伸率38.4%。膨脹變形后力學(xué)性能達(dá)到API 80ksi鋼級(jí)套 管性能要求，且具有良好的耐蝕性。實(shí)施例3合金成分C= 0. 32%, Mn = 24. 4%, Si = 0. 5%, A1 = 1. 5%, P = 0. 007，S = 0. 004，N = 0. 008%, Cr = 3. 3%, Cu = 0. 4%, V = 0. 05%，其余 Fe。制造工藝在真空條件下熔煉鑄造，鑄錠在1180°C 士20°C進(jìn)行4小時(shí)的均勻化退 火，鋼錠經(jīng)熱軋制成無(wú)縫管管坯。管坯經(jīng)1160°C 士20°C固溶處理后得到具有完全奧氏體組 織的鋼管，經(jīng)400 450°C時(shí)效處理400 450s后制成可膨脹管材。主要性能屈服強(qiáng)度382MPa，抗拉強(qiáng)度825MPa，屈強(qiáng)比0. 46，均勻延伸率64. 5%， 斷后延伸率81. 3%。經(jīng)30%的膨脹變形后，屈服強(qiáng)度628MPa，抗拉強(qiáng)度860MPa，屈強(qiáng)比 0. 73，均勻延伸率29. 3%，總延伸率49. 2%.膨脹變形后力學(xué)性能達(dá)到API 90ksi鋼級(jí)套 管性能要求，且具有良好的耐蝕性。
權(quán)利要求
一種含Mn24～30％的合金管材及其制造方法，其特征在于(1)含Mn24～30％的合金管材的各成分按質(zhì)量百分比如下C0.001～0.35％；Mn24～30％；Si0～5％；Al1.0～3.5％；P≤0.015％；S≤0.010％；N≤0.008％；余量為Fe；或在上述基礎(chǔ)上添加質(zhì)量百分比Cr1～6％；Cu0.1～0.5％；Nb0.01～0.9％；Ti0.01～0.1％；V0.01～0.3％中的一種或兩種以上的合金元素；(2)將上述材料在真空條件下熔煉鑄造，鑄錠在1200℃進(jìn)行3～4小時(shí)的均勻化退火，鋼錠經(jīng)熱軋后制成鋼板，1200～1150℃開(kāi)軋，終軋溫度900～850℃，通過(guò)直縫電阻焊制管坯，或通過(guò)熱軋制成無(wú)縫管管坯；(3)經(jīng)(2)工藝所得管坯經(jīng)1000～1200℃固溶處理后得到完全奧氏體組織，管坯隨后在150～450℃條件下進(jìn)行200～800s的時(shí)效處理，獲得具有優(yōu)良可膨脹性能的合金管材。
2.—種含Mn24 30%的合金管材，其特征在于它是根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法制備的。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種含Mn24～30％的合金管材及其制造方法將C0.001～0.35％、Mn24～30％、Si0～5％、Al1.0～3.5％、P≤0.015％、S≤0.010％、余量為Fe；或再添加Cr1～6％、Cu0.1～0.5％、Nb0.01～0.9％、Ti0.01～0.1％、V0.01～0.3％中的一種或兩種以上。經(jīng)真空熔煉鑄造，均勻化退火，熱軋成鋼板或棒材，電阻焊或熱軋成管坯；經(jīng)固溶及時(shí)效處理；獲得具有優(yōu)良可膨脹性能的合金管材。均勻延伸率≥60％，屈服強(qiáng)度250～400MPa。經(jīng)過(guò)30～40％的塑性變形后，均勻延伸率≥25％，屈服強(qiáng)度達(dá)到500～630MPa。
文檔編號(hào)C22C38/38GK101798658SQ20101014676
公開(kāi)日2010年8月11日 申請(qǐng)日期2010年4月12日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月12日
發(fā)明者上官豐收, 馮耀榮, 劉永剛, 宋生印, 李德君, 楊龍 申請(qǐng)人:中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司;中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司管材研究所