專利名稱：一種含Mn18～24%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)實體膨脹管用含MnlS 24%的合金管材及其制造方法。
背景技術(shù)：
實體膨脹套管SET (Solid Expandable Tubular)技術(shù)是以實現(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“革 命性”的影響和重大技術(shù)經(jīng)濟效益。它可以將井眼變“瘦”顯著降級開發(fā)成本。它將“單一 井徑”成為可能。實體膨脹套管技術(shù)目前由少數(shù)幾個公司所壟斷，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)最成熟的是億萬奇公 司。許多關(guān)鍵技術(shù)，如實體膨脹管用鋼、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)引進國內(nèi)成本較高。實體膨脹管用鋼是影響實體膨脹套管技術(shù)推 廣應(yīng)用的幾個關(guān)鍵技術(shù)之一。為了保證膨脹施工的順利實施，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， 塑性會顯著降低，使用不安全性較大。為了保證膨脹施工的順利實施，可膨脹管應(yīng)具有較低 的屈服強度、低屈強比、優(yōu)良的塑性(特別是均勻塑性變形能力)、較大的形變強化性能以 保證經(jīng)過較大的膨脹變形過程中變形均勻、不發(fā)生開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度、高均勻延伸率、高塑性、高抗拉強度特 性的含MnlS 24%的合金管材及其制造方法，使管材所制得的膨脹管在膨脹擴徑過程中 具有良好的膨脹性能，優(yōu)良的均勻變形能力，同時保證擴徑后管體兼?zhèn)涓叩膹姸群妥銐虻?塑性。本發(fā)明的所述的一種含MnlS 24%的合金管材及其制造方法如下(1)本發(fā)明的所述的含MnlS 24%的合金管材由如下成分按質(zhì)量百分比組成C 0. 002 0. 2 % ;Mn :18 24 % ；Si :0 4 % ;A1 :0 5 % ;P ≤ 0. 015 % ； S≤0. 010%;N≤0. 008%;或在此組成的基礎(chǔ)上進一步添加Cr :1 6%;Cu :0. 1 0. 5%; Nb 0. 01 0. 6% ；Ti 0. 01 0. 1% ；V 0. 01 0. 3%中的一種或兩種以上，余量Fe。(2)上述材料經(jīng)熔煉鑄造，鑄錠在1200°C進行3 4小時的均勻化退火，以改善合 金元素的偏析，鋼錠經(jīng)熱軋或冷軋后制成鋼板或棒材；通過直縫電阻焊制管或通過熱軋制 成無縫管。(3)經(jīng)(2)工藝所得管坯經(jīng)1000 1150°C固溶處理后得到完全奧氏體組織。管坯隨后在150 450°C條件下進行200 800s的時效處理，獲得組織性能更加穩(wěn)定的可膨脹管。本發(fā)明主要是利用了相變誘發(fā)塑性(Transformation Induced Plasticity)機制和孿晶誘發(fā)塑性(Twinning Induced Plasticity)機制即TRIP效應(yīng)和TWIP效應(yīng)共同作 用來提高材料的塑性。TRIP效應(yīng)和TWIP效應(yīng)常出現(xiàn)于奧氏體合金中。TRIP效應(yīng)的發(fā)生 有利于材料強度的增加；TWIP效應(yīng)的發(fā)生有利于材料塑性變形能力的提高。發(fā)生TRIP效 應(yīng)和TWIP效應(yīng)的奧氏體鋼的均勻延伸率超過50 %，斷裂強度超過800MPa，這是一般的鐵 素體珠光體合金或馬氏體合金所無法比擬的。本發(fā)明合金具有高均勻延伸率、高塑性、低 屈服強度、低屈強比，高加工硬化能力等特點總延伸率> 60%，均勻延伸率> 50%，屈服 強度300 400MPa，抗拉強度800 900MPa，屈強比(屈服強度與抗拉強度之比)0. 34 0. 53。低的屈服強度保證了膨脹過程的平穩(wěn)啟動，高的均勻延伸率保證了膨脹管在膨脹過 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度大幅度增加。該材料在經(jīng)過30%的塑性變形后，總延伸 率彡30%，均勻延伸率彡20%,屈服強度達到560 760MPa，抗拉強度達到800 lOOOMPa， 屈強比0.62 0.80。管體力學(xué)性能達到API標(biāo)準(zhǔn)對80ksi IlOksi鋼級套管力學(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。C是 奧氏體形成元素可以提高奧氏體的穩(wěn)定性，同時C可以起到固容強化的作用而提高合金的 強度。但是C含量不宜過高否則形成的金屬碳化物很難在熱處理過程中被消除，對合金的 力學(xué)性能產(chǎn)生不利的影響，同時C含量高會導(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，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。。綜合考慮合金的加工性和焊接性，合金中C含量控制在 0. 002 0. 2%, Mn含量控制在18 24%。在本發(fā)明中奧氏體鋼TRIP效應(yīng)和TWIP效應(yīng)的發(fā)生主要是通過調(diào)節(jié)合金元素C，Mn 的含量來控制奧氏體合金的層錯能(stacking fault engery)加以實現(xiàn)的。通過合金層錯 能的調(diào)節(jié)，使合金發(fā)生在外加載荷的作用下，發(fā)生TRIP/TWIP雙效應(yīng)。TRIP效應(yīng)所需的臨 界應(yīng)變值小于TWIP效應(yīng)，所以變形開始階段以TRIP效應(yīng)為主要增韌機制，在變形的中后期 以TWIP效應(yīng)為主要增韌機制此外，在TRIP/TWIP效應(yīng)的協(xié)同作用下，合金的強度和塑性得 到大幅度的提高。此外，合金還可以通過添加Si、Al等元素對其層錯能和力學(xué)性能進行調(diào) 節(jié)。Si在該合金中的作用，首先可以使該合金的堆垛層錯能降低，其次Si可以起到固容強 化的作用，提高合金的強度，同時Si可以改變C在奧氏體中的溶解度，并且Si可以減少合 金在熱加工過程中的產(chǎn)生的氧化皮的數(shù)量，Si的含量控制在0 4%之間。Al可以提高合 金的堆垛層錯能，是實現(xiàn)TWIP效應(yīng)非常有效的元素，同時Al的加入可以提高合金熱變形過 程中的流變應(yīng)力，延遲動態(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Al含量 的過高不利于合金的鑄造性能，因此Al含量控制在0 5%之間。P可以提高該合金的強 度，但P的存在會導(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在很多低合金高強鋼中都必須加以 嚴(yán)格的控制，但是對于奧氏體合金而言，N是一種有益的元素，N對于奧氏體合金而言可以 起到強烈的固溶強化作用同時對合金的塑性和韌性沒有不良的影響，同時可以改善合金的焊接性，因此本合金對N的含量沒有做嚴(yán)格的限制，但是刻意的添加N來提高合金的性能需 要專門的設(shè)備會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Cr 的加入也可以起到固容強化的作用，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過高含量會 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程中沒有相變的發(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程中，組織會發(fā)生不同程度的長大，因此可以向其中 添加V、Nb、Ti等強碳化物元素通過控軋控冷工藝或者熱機處理工藝(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程中彌散析出可以對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；同時細(xì)小彌散的金屬間化合物可以阻礙位錯的滑移提高材料的強度。 同時V、Nb、Ti的加入可以提高合金的焊接性能。該合金經(jīng)電爐熔煉鑄造成板坯，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進行3 4小時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，在ioocrc 1150°C 時進行粗軋，在900°c 1000°c時進行精軋，軋后冷卻速度18°C 30°C /s獲得板材，板材 通過直縫電阻焊制成管坯；或者鑄錠經(jīng)熱軋制成無縫管坯，所得的管坯經(jīng)1000 200°C固 溶處理后得到完全奧氏體組織，隨后在150 450°C條件下進行200 800s的時效處理，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(1)可膨脹套管在膨脹前具有高均勻延伸率、高塑性、低屈服強度、低屈強比等特 點均勻延伸率彡50%,總延伸率彡60%,屈服強度300 400MPa，抗拉強度800 900MPa， 低的屈強比(屈服強度與抗拉強度之比)0. 34 0.53。在經(jīng)過30%的塑性變形后具有高 的強度和足夠的塑性，總延伸率彡30%，均勻延伸率彡20%，屈服強度達到560 760MPa， 抗拉強度達到800 lOOOMPa，屈強比0. 62 0. 80。力學(xué)性能達到API標(biāo)準(zhǔn)對80ksi IlOksi鋼級套管力學(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。
具體實施例方式實施例1合金成分C = O. 06%, Mn = 18. 2%, Si = 4. 1%, Al = 2. 0%, P = 0. 005，S = 0. 0032，N = O. 008%，其余 Fe。制造工藝在真空條件下熔煉鑄造，鑄錠在1200°C進行3小時的均勻化退火，鋼錠 經(jīng)熱軋后制成棒材；通過熱軋制成無縫管管坯。管坯經(jīng)1000-1120°C固溶處理后得到具有 完全奧氏體組織的鋼管。隨后在300 400°C條件下進行350 450s的時效處理，獲得組 織性能更加穩(wěn)定的可膨脹管材。力學(xué)性能膨脹變形前屈服強度320MPa，抗拉強度830MPa，屈強比0. 39，均勻延伸率72 %，斷后延伸率85 %。經(jīng)30 %膨脹變形之后，屈服強度582MPa，抗拉強度860MPa，屈強 比0.68，均勻延伸率36%，斷后延伸率48%。且具有良好的耐腐蝕性能。膨脹變形后力學(xué) 性能達到APISOksi鋼級套管性能要求。實施例2
合金成分C= 0. 04%, Mn = 20. 02%, Si = 2. 9%, Al = 2. 8%, P = 0. 005，S = 0. 0032，N = O. 007%, Cr 2% ；Cu 0. 5% ；其余 Fe。制造工藝在真空條件下熔煉鑄造，鑄錠在1200°C進行3. 5小時的均勻化退火，鋼 錠經(jīng)熱軋后制成鋼板；通過直縫電阻焊制管。管坯經(jīng)1030 1150°C固溶處理后得到具有 完全奧氏體組織的鋼管。隨后在340 380°C條件下進行420 480s的時效處理，獲得組 織性能更加穩(wěn)定的可膨脹管材。力學(xué)性能膨脹變形前屈服強度340MPa，抗拉強度920MPa，屈強比0. 37，均勻延伸 率52 %，斷后延伸率67 %。經(jīng)30 %膨脹變形之后，屈服強度720MPa，抗拉強度965MPa，屈強 比0. 75，均勻延伸率18 %，斷后延伸率31 %。鋼管具有良好的尺寸精度，抗外壓擠毀性能 好，且具有一定的耐腐蝕性能。膨脹變形后力學(xué)性能達到API 95ksi鋼級套管性能要求。實施例3合金成分=C0. 10%;Mn :22%;Si :4%;A1 :5%;P :0. 03%;S :0. 03%;N = 0. 006%；
Cr :3. 5% ；Cu :0. 4% ；Ti :0· 1% ；余量 Fe。制造工藝在真空條件下熔煉鑄造，鑄錠在1200°C進行4小時的均勻化退火，鋼錠 經(jīng)熱軋后制成鋼板；通過直縫電阻焊制管。管坯經(jīng)1080 iioo°c固溶處理后得到具有完 全奧氏體組織的鋼管。隨后在300 340°C條件下進行410 430s的時效處理，獲得組織 性能更加穩(wěn)定的可膨脹管材。力學(xué)性能膨脹變形前屈服強度380MPa，抗拉強度920MPa，屈強比0.41，均勻延伸 率49 %，斷后延伸率63 %。經(jīng)30 %膨脹變形之后，屈服強度773MPa，抗拉強度985MPa，屈強 比0. 78，均勻延伸率17. 4%，斷后延伸率30. 1 %。鋼管具有良好的尺寸精度，抗外壓擠毀 性能好，且具有一定的耐腐蝕性能。膨脹變形后力學(xué)性能達到API IlOksi鋼級套管性能要 求。實施例4合金成分=C0. 2%;Mn :19%;Si :2%;A1 :3%;P :0. 02% ;S -.0. 02%;N = 0. 007%；
V :0. 3% ；余量Fe。制造工藝同實施例1。力學(xué)性能與實施例2相近。實施例5合金成分C0. 02% ；Mn 23% ；P 0. 01% ；S 0. 01% ;N = 0. 006% ；Nb 0. 01% ；
Ti :0. 01% ;V:0. 01%中的一種或兩種以上，余量Fe。制造工藝同實施例2。力學(xué)性能與 實施例1相近。
權(quán)利要求
一種含Mn18～24％的合金管材的制造方法，其特征在于(1)由如下成分按質(zhì)量百分比組成C0.002～0.2％；Mn18～24％；Si0～4％；Al0～5％；P≤0.03％；S≤0.03％；N≤0.008％；或在此組成的基礎(chǔ)上添加Cr1～6％；Cu0.1～0.5％；Nb0.01～0.6％；Ti0.01～0.1％；V0.01～0.3％中的一種或兩種以上，余量Fe；(2)上述材料經(jīng)熔煉鑄造，鑄錠在1200℃進行3～4小時的均勻化退火，鋼錠經(jīng)熱軋或冷軋后制成鋼板或棒材；通過直縫電阻焊制管或通過熱軋制成無縫管；(3)經(jīng)(2)工藝所得管坯經(jīng)1000～1150℃固溶處理后得到具有完全奧氏體組織，管坯隨后在150～450℃條件下進行200～800s的時效處理，獲得組織性能更加穩(wěn)定的可膨脹管。
2.—種含MnlS 24%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Mn18～24％的合金管材及其制造方法；由C0.002～0.2％；Mn18～24％；Si0～4％；Al0～5％；P≤0.015％；S≤0.01％；N≤0.008％；或Cr1～6％；Cu0.1～0.5％；Nb0.01～0.6％；Ti0.01～0.1％；V0.01～0.3％中的一種或兩種以上，余量Fe構(gòu)成；經(jīng)真空熔煉鑄造，均勻化退火，經(jīng)熱軋后制成鋼板或棒材；電阻焊或熱軋制成管坯；管坯經(jīng)固溶及時效處理；均勻延伸率≥50％，屈服強度300～400MPa；經(jīng)30％膨脹變形后，均勻延伸率≥20％，屈服強度560～760MPa，屈強比0.62～0.80。
文檔編號C21D1/26GK101805872SQ20101014678
公開日2010年8月18日 申請日期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 申請人:中國石油天然氣集團公司;中國石油天然氣集團公司管材研究所