專利名稱：一種低成本大膨脹率膨脹管用twip鋼及鋼管制備方法
技術領域：
本發明屬于金屬材料和石油天然氣工業領域，涉及到含有C、Mn及合金化元素Cr、Si和Re的TWIP鋼，本鋼材適用于制作大膨脹率可膨脹管。
背景技術：
可膨脹管技術(馬洪濤.國外膨脹管技術的發展與應用[J].國外油田工程，2006,2(22) :20-24)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，使套管鋼材發生永久塑性變形，使膨脹后的套管達到貼緊井壁的目的。其是近幾年發展起來的針對石油天然氣工業中的鉆井、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中的關鍵性技術之一。對于可膨脹管技術而言，最富有革命性和挑戰性的是單一井徑鉆井技術。單一井徑鉆井技術是利用相同的鉆柱結構形成相同井徑的井眼，逐級下入膨脹管膨脹到設計尺寸，實現油氣井全井一套管柱，井眼尺寸相同，且不改變后續施工工藝的一項新技術。等井徑鉆井技術通過膨脹錐的膨脹使管材發生塑性形變(膨脹率大于30% )，實現全井井眼尺寸相同，從而獲得最大通徑，節省完井固井費用、為后續試油、增產措施實施和修井作業等提供足夠的井眼通徑。等井徑井技術是膨脹管技術的頂端精髓技術。由于鉆井裝備提供的膨脹動力限制，作為等井徑鉆井技術的膨脹管材必須具有較低的屈服強度、較高的抗拉強度、較低的屈強比和很高塑性延伸率，以及高的加工硬化率；使得膨脹后的鋼管的強度應該不低于API5CT中的J55、N80或PllO套管管材的水平。因此，大膨脹率大尺寸的單一井徑井技術用的可膨脹管就成了必須解決的問題。但是，目前使用的可膨脹鋼管，包括現有的API套管鋼管中選擇使用的K55、J55、L80套管以及Siell開發的LSX-80可膨脹套管，甚至包括我國近年開發的不銹雙相鋼和TRIP鋼可膨脹管套管(徐瑞萍.可膨脹管材料的研究與開發[D].天津大學碩士學位論文，2006，2)，在保證強度的同時，往往屈服強度較高、膨脹率不足25% ；高于此膨脹率的大尺寸膨脹套管材料的選擇問題一直沒有得到很好地解決。大膨脹率可膨脹管的制備涉及材料選擇、金屬加工、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(徐瑞萍.可膨脹管材料的研究與開發[D].天津大學碩士學位論文，2006，2 ；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)。為了表達可膨脹套管材料的綜合性能，通常利用“強塑積”概念作為可膨脹管材料選用設計開發準則，“強塑積”用字母k表示，等于材料在正常狀態下的拉伸強度Rm和斷后伸長率A的乘積，即k = Rm · A(1)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選擇的判據。目前，處于高強度鋼前沿的強塑性性能較好的鋼種有雙相鋼、相變誘發塑性鋼和孿生誘發塑性鋼等。其中強塑性性能配合最好的鋼種是孿生誘發塑性鋼(TWIP)。在孿生誘發塑性鋼中，常規的 TWIP 鋼 0.2C-25Mn-3Al-3Si (Grassel 0，Kruger L, Frommeyer G,at el. High strength Fe-Mn-(Al-Si)TRIP/TWIP steels development-properties-application[J]· International Journal of Plasticity, 2000. 16:1391-1409)由于合金中含有較高的Al元素，使得合金的冶煉澆鑄困難；含有較高Cr (5-10% )、Ni (0. 5-3% )元素抗酸性腐蝕的可膨脹管用TWIP鋼(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),由于合金元素Cr、Ni含量較高，價格較貴，對于一般非酸性腐蝕環境，顯然并不合適。而第二類TWIP鋼(黎倩等.汽車用TWIP鋼的探索研究[J].金屬熱處理，2008，5 (33) :1-4;李大趙等.汽車用TWIP鋼的基礎研究現狀[J].鋼鐵研究學報，2009，2(21) 1-5)，合金中僅含有碳錳強化元素，成本較低，鋼材的強度和塑性都很好，因此這類TWIP鋼是一般非嚴重酸性腐蝕環境可膨脹管用鋼的恰當選擇。但常規的第二類 TWIP 鋼 Fe-0. 6C-23Mn(Scott C, A Ilain S, FaralM, et al. The developm entof a new Fe-Mn-Causten itic steel for autom otive app licat ion s[J]. LaRevu ed eM etallurgie-C IT, 2006, (6) :293-302)，合金由于含碳量較高，鋼材的屈服強度較高G50Mpa)，膨脹所需的動力較大，因此對于制備大膨脹率大尺寸的單一井徑井技術可膨脹管顯然也不恰當。已有的研究已經證明，合適的奧氏體層錯能范圍是TWIP鋼的一個重要特性。層錯能是金屬合金的一個重要物理特性，直接影響材料的力學性能、相穩定性等。TWIP效應的產生與奧氏體的層錯能有重要關系。Grassel(Grassel 0，Kruger L，Fromm eyer G. H ighstrength Fe-Mn-(Al Si)TRIP/TW IP steels developm entproperties-application[J].Int J. Plasticity. 2000,16 :1391-1409)等發現，當 Yfcc— α、y fcc - α — ε M, hcp 馬氏體轉變吉布斯自由能AG彡-220J/mol，且層錯能彡16mJ/m2時，在應力作用下奧氏體發生TRIP效應，在高應變區會產生應變誘發馬氏體相變，延遲鋼的縮頸，從而提高了鋼的塑性。而當Yf。。— eM,h。P馬氏體轉變吉布斯自由能為正值且大約在110 250J/mol之間，層錯能大約為25mJ/m2時，在應力作用下發生TWIP效應，通過形變孿晶的形成來延遲鋼的縮頸。由于奧氏體本身塑性良好，大量機械孿晶的形成又產生了一定量的塑性變形，因此TWIP鋼具有極好的塑性。過低的層錯能(< 20mJ/m2)，就可能誘發馬氏體相變；而過高的層錯能(> 40mJ/m2)，也不利于孿晶的形成。金屬合金的層錯的高低與合金元素的種類密切相關，一般說來，MruAl元素屬于提高合金層錯能的元素，Si,Cr元素屬于降低合金層錯能的元素(陸惠菊，朱娜瓊，何燕霖，李麟.ISMn-Si系TWIP鋼層錯能的計算與實驗[J]材料熱處理學報，32 (2011)，12 =155-158)，由于在合金中加入一定的Si含量，和降低的Mn含量，使得0. 6C-18Mn-Si鋼，在不同應變量的形變過程中，產生TRIP效應，形成TWIP/TRIP鋼。雖然這種具有TWIP/TRIP效應的鋼的屈服強度只有不足200MPa，抗拉強度可達到IOOOMPa以上，延伸率可達到50%，但是由于TRIP效應，使得形變后期膨脹力增大，因此也是不恰當的。由于單一井徑井技術的大尺寸、低屈服強度和大膨脹率的要求，應該盡量的保證膨脹過程套管的形變全部在奧氏體區內完成。因此，對于低成本的TWIP鋼，采用具有較低的含碳量，恰當的含Mn量和加入降低層錯能的元素，達到設計出具有恰當的層錯能、保證鋼材形變出現TWIP效應、具有較低屈服強度的良好的塑性低成本的TWIP鋼是大膨脹率單一井徑井用大尺寸膨脹管用鋼的一個恰當的選擇。鋼成分設計要求是加工處理后為單一的奧氏體組織，且其在形變過程中誘發孿晶，抑制馬氏體相變。目前TWIP鋼的成分設計通常是采用基于層錯能的計算的合金成分設計。在鋼的合金元素中，鉻元素是對提高鋼材的抗腐蝕性能最為有效的合金元素，少量的鉻元素(1-5%)會大幅度的提高油套管鋼的抗腐蝕性能，稀土在鋼中的作用被歸納為凈化作用、變質作用和合金化作用等三個方面。稀土在TWIP鋼中主要起凈化作用，降低鋼的S、P含量，提高鋼材的潔凈程度(王龍妹等.微量稀土元素在鋼中的作用機理與應用研究[J].稀土，2003，5Q4) 1-3 ；姜茂發等.鋼中稀土與鈮、釩、鈦等微合金元素的相互作用[J].稀土，2001，4 02) 37-40)。由于單一井徑井大尺寸大膨脹率膨脹管用鋼在膨脹過程中，要求鋼管的壁厚均勻、橢圓度小，因此，采用目前熱軋無縫鋼管制備技術，按照目前API標準的規定均不能滿足膨脹管技術很難達到要求，因此本發明采用先進金屬加工技術，熱擠壓技術制備單一井徑井大尺寸大膨脹率膨脹套管。
發明內容
本發明的目的在于提供一種低成本大膨脹率膨脹管用TWIP鋼，具有較低的含碳量以及恰當的含Mn量，增加了少量的Cr和Si元素，降低合金的層錯能，改善了 TWIP鋼的抗腐蝕性能，并且添加了稀土元素的凈化處理，使得本發明鋼具有良好的綜合機械性能、較好的加工性能和較好的抗腐蝕性能。本發明的另一目的還在于提供該大膨脹率膨脹管用TWIP鋼的鋼管制備方法，該方法原理可靠，操作簡便，實用性強，可廣泛應用于可膨脹管技術中。為了實現上述技術目的，本發明提供以下技術方案。通過合金成分的層錯能設計，電爐冶煉、稀土鋁鐵合金脫氧，控制澆鑄，開坯后直接熱擠、熱軋或與固溶后冷軋結合退火熱處理，獲得具有純凈度高的、抗拉強度為700 llOOMPa、屈服強度為300 550MPa、延伸率為40 85%、強塑積彡40000MPa%、加工硬化指數為0. 35 0. 6的，低成本、具有良好膨脹性能、孿生誘發塑性的大膨脹率膨脹套管和膨脹篩管用鋼。并通過熱擠壓這種先進的金屬加工技術制成無縫鋼管，最終經過950 1050°C淬火水冷得到基體為90%以上的奧氏體的膨脹套管。本發明的低成本大膨脹率膨脹管用TWIP鋼，其化學成分按質量百分數為C 0. 30 0. 65%, Mn 15 30%，Cr :0. 10 1. 0%, Al :0. 01 2. 0%, Si :0. 10 1. 0%，Re 0. 030 0. 30%, S 彡 0. 002%, P 彡 0. 005%，其余為鐵。本發明中，加入15 30 %的Mn是為提高奧氏體的穩定性，0. 30 0. 65 %的C含量是為了配合一定的Mn含量以保證鋼材獲得穩定的室溫奧氏體組織，同時也可以增加鋼材的固溶強化效果，保證鋼材的強度；少量的Cr元素加入是為了改善鋼材的抗腐蝕性能。本發明中，加入少量的合金元素Cr、Si中的一種或二種，是為了改善鋼材的抗油氣田腐蝕的性能和調整合金的層錯能，以保證通過C和Mn的配合，使得本發明合金可以保證在室溫條件下和形變過程中呈現穩定的奧氏體組織。本發明中，加入0. 03 0. 30 %的Re元素，利用的是稀土在鋼中的深度凈化鋼液作用、有效變質、強效合金化，可深度降低該鋼中氧和硫的含量，降低磷、硫、氫等低熔點元素的有害作用，包括改善這些元素在晶界上的偏聚程度，提高鋼的韌性。微量稀土元素還可起到細化晶粒組織、改善夾雜物分布、固溶強化和凈化鋼液的作用。
由于本發明在鋼中采用較低的碳含量，添加適量的擴大Y相區的Mn和Si合金元素，添加少量的Cr元素提高合金的抗腐蝕性能，添加微量的稀土元素凈化鋼材，提高鋼材的潔凈度。與已有的其它膨脹管用鋼的專利相比較(CN101065503A、CN101580916A、CN101660086A、US20090308499)，本發明鋼材的強度等級已經超過第二類TWIP鋼的高強度的水準，鋼中碳的含量低于第二類的TWIP鋼，本發明鋼材的基體組織為奧氏體，奧氏體含量大于或等于90%，其抗拉強度為700 llOOMPa，屈服強度為300 550MPa，延伸率為40 85%，加工硬化指數高達0. 35 0. 6，適用于制備大膨脹率的膨脹管。該大膨脹率膨脹管用TWIP鋼的鋼管制備方法，依次包括以下步驟1)以工業純鐵和鐵合金為原料，采用真空冶煉、稀土鋁鐵合金脫氧，出鋼溫度1500 1600°C，澆鑄溫度1450 1550°C，獲得具有大量等軸晶組織的鋼錠；2)將鋼錠經過1100 1150°C、48h擴散退火后開坯；3)熱擠壓溫度范圍為1250-1100°C，制成規定尺寸的無縫管材，熱擠后空冷；4)經熱擠壓的無縫鋼管最終采用950 1050°C淬火水冷至室溫，以保證其基體組織為奧氏體含量大于或等于90%。與現有技術相比，本發明的有益效果如下1)本發明通過適當降低第二類TWIP鋼中的C含量和一定的Mn含量相配合，微合金化元素V、Nb、Ti的單一或復合加入，以及添加微量Re的合金設計，采用工業純鐵和錳鐵等鐵合金為原料，經過真空冶煉、稀土鋁鐵合金脫氧，獲得存在含有微合金化元素和稀土元素的純凈鋼液，改善了鋼液的流動性和潤濕性及雜質存在形態；2)本發明通過對TWIP合金成分的層錯能設計，適量的C、Mn配合和微合金化元素的添加，以及熱擠壓后最終在950 1050°C的淬火水冷，獲得具有大于或等于90%的穩定的奧氏體組織，這有利于在隨后的膨脹形變過程中鋼管大膨脹率的發生；3)本發明在保證鋼材強度的前提下，鋼的S、P含量進一步降低、潔凈度進一步提高，這有利于合金韌性和初始形變時的應變速率η值的提高，具有滿足油氣田開發條件下套管的膨脹性能要求；4)經過熱擠壓，以及950 1050°C的淬火后制成的不同規格的可膨脹套管，其抗拉強度為700 llOOMPa，屈服強度為300 550MPa，斷后延伸率為40 85%，、加工硬化指數高達0. 35 0. 6，膨脹率大于30%以上。
圖1是實例1鋼材的拉伸曲線圖2是實例1鋼材的真應力真應變曲線圖3是實例1鋼材進行1050°C水冷+300°C回火處理后XRD測試結果圖4是實例1鋼材進行1050°C水冷+300°C回火處理后光學顯微鏡照片圖5是實例1鋼材進行1050°C水冷+300°C回火處理后SEM照片圖6是實例1鋼材進行1050°C水冷+300°C回火形變30%后光學顯微鏡照片圖7是實例1鋼材進行1050°C水冷+300°C回火形變30%后SEM照片。
具體實施方式
實施例1大膨脹率膨脹管用TWIP鋼，其化學成分按質量百分數為C含量0. 32%, Mn含量
18.84%、Cr 含量為 0. 87%,Al 含量為 0. 016%,Si 含量為 0. 53%、Re 含量為 0. 032%、P 含量為0. 0039%, S含量為0. 0018%，其余為鐵。鋼材經電爐冶煉、稀土鋁鐵合金脫氧，1500 1600°C出鋼、1450 1550°C澆鑄，開坯后于1250 110(TC熱擠壓成無縫鋼管，或經過1250 850°C熱軋成無縫鋼管后空冷，或經過熱軋、冷軋成一定厚度的鋼板再經過高頻直縫焊技術制成焊縫管，最后進行950 1050°C淬火水冷制成一定規格的可膨脹套管。力學性能測試結果為抗拉強度Rm 968. 4MPa,屈服強度 RP0.2 :316MPa，斷后延伸率 A 59. 5%,強塑積 k :57620MPa%。圖1為本發明實施范例1的鋼材經過熱擠壓空冷后進行1050°C水冷淬火，在經300°C回火處理后鋼材的拉伸曲線，圖2為與圖1對應的真應力真應變曲線以及不同塑形區域的加工硬化指數η的計算結果。由上述兩圖可以看出實例1鋼具有較低的屈服強度和很高的抗拉強度，及高的加工硬化率。由于加工硬化指數η等于(或近似等于)單向拉伸時材料最大均勻伸長應變的大小(細頸點應變)。應變分布不均是金屬材料成形中的一個重要特點，η值的大小實際上反映了材料的應變均化能力，加工硬化指數η值對材料成形極限曲線具有明顯的影響，η值大，材料的成形極限曲線高；材料的拉脹性能就愈好。圖3為本發明實施范例1的鋼經過熱擠壓空冷后進行1050°C水冷淬火，在經300°C回火處理后XRD測試結果，由XRD的測試結果可以看出其基體組織是由奧氏體構成。由圖4和圖5可以看出實例1鋼經過固溶處理后基體為奧氏體組織，晶體的晶粒度為5級，晶粒內部含有大量退火孿晶。圖6和圖7為形變30%后的鋼材的組織照片，圖6為光學顯微鏡觀察的結果，圖7為電子顯微鏡觀察結果。由圖6和圖7可以看出拉伸變形后，晶體內部產生大量的二次以上的高次孿晶，造成晶粒碎化，這是該鋼材具有很高的斷后延伸率的原因。實施例2大膨脹率膨脹管用TWIP鋼，其化學成分按質量百分數為C含量0. 45%, Mn含量20. 06%, Cr 含量為 0. 74%, Al 含量 0. 018%, Si 含量 0. 63%, Re 含量為 0. 033%, P 含量為0. 0045%, S含量為0. 0019%，其余為鐵。鋼材經電爐冶煉、稀土鋁鐵合金脫氧，1500 1600°C出鋼、1450 1550°C澆鑄，開坯后于1250 1150°C熱擠壓成無縫鋼管，最后進行950 1050°C淬火水冷制成一定規格的可膨脹套管。力學性能測試結果為抗拉強度Rm :878MPa,屈服強度Rpa2 :325MPa,斷后延伸率 A 66. 58%，強塑積 k :58457MPa%0實施例3大膨脹率膨脹管用TWIP鋼，其化學成分按質量百分數為C含量0. 335%、Mn含量
19.44%, Cr 含量為 0. 42%、Al 含量 0. 015%、Si 含量為 0. 69%、Re 含量為 0. 031 %、P 含量為0. 0049%, S含量為0. 0018%，其余為鐵。鋼材經電爐冶煉、稀土鋁鐵合金脫氧，1500 1600°C出鋼、1450 1550°C澆鑄，開坯后于1250 1150°C熱擠壓成無縫鋼管，或經過1250 850°C熱軋成無縫鋼管后空冷，或經過熱軋、冷軋成一定厚度的鋼板再經過高頻直縫焊技術制成焊縫管，最后進行950 1050°C淬火水冷制成一定規格的可膨脹套管。力學性能測試結果為抗拉強度Rm 1065. 6MPa,屈服強度 RP0.2 :535MPa，斷后延伸率 A 67%,強塑積 k :71355MPa%。實施例4大膨脹率膨脹管用TWIP鋼，其化學成分按質量百分數為C含量0. 34%, Mn含量19. 4%, Cr 含量為 0. 24%, Al 含量 0. 012%, Si 含量為 0. 29%, Re 含量為 0. 031%,P 含量為0. 0031%, S含量為0. 0018%，其余為鐵。鋼材經電爐冶煉、稀土鋁鐵合金脫氧，1500 1600°C出鋼、1450 1550°C澆鑄，開坯后于1250 1150°C熱擠壓成無縫鋼管，或經過1250 850°C熱軋成無縫鋼管后空冷，或經過熱軋、冷軋成一定厚度的鋼板再經過高頻直縫焊技術制成焊縫管，最后進行950 1050°C淬火水冷制成一定規格的可膨脹套管。力學性能測試結果為抗拉強度Rm :946MPa，屈服強度Rpa2 :333MPa，斷后延伸率A :55. 4%，強塑積k :5M08MPa%。
權利要求
1.一種低成本大膨脹率膨脹管用TWIP鋼，其特征在于其化學成分的質量百分數為C 0. 30 0. 65%, Mn 15 30%, Cr :0. 10 1. 0%, Al :0. 01 0. 20%, Si :0. 10 1. 0%, Re 0. 030 0· 30%, S 彡 0. 002%, P 彡 0. 005%，其余為鐵。
2.一種低成本大膨脹率膨脹管用TWIP鋼的鋼管制備方法，其特征在于它包括以下步驟(1)以工業純鐵和鐵合金為原料，采用真空冶煉、稀土鋁鐵合金脫氧，出鋼溫度1500 1600°C，澆鑄溫度1450 1550°C，獲得具有大量等軸晶組織的鋼錠；(2)將鋼錠經過1100 1150°C、48h擴散退火后開坯；(3)熱擠壓溫度為1250-1100°C，制成規定尺寸的無縫管材，熱擠后空冷；(4)經熱擠壓的無縫鋼管采用950 1050°C淬火水冷至室溫。
3.根據權利要求1、2所述的一種低成本大膨脹率膨脹管用TWIP鋼及鋼管制備方法，其特征在于該膨脹管用TWIP鋼的鋼管基體組織為奧氏體含量大于或等于90%。
全文摘要
本發明涉及一種低成本大膨脹率膨脹管用TWIP鋼及鋼管制備方法，其化學成分的質量百分數為C0.30～0.65%，Mn15～30%，Cr0.10～1.0%，Al0.01～0.20%，Si0.10～1.0%，Re0.030~0.30%，S≤0.002%，P≤0.005%，其余為鐵。本發明通過合金層錯能指導下的成分設計，真空冶煉，稀土鋁鐵合金脫氧，添加適量Cr、Si元素和微量的稀土元素，獲得了具有低的硫、磷含量和一定的晶粒尺度，基體為奧氏體、具有孿生誘發塑性效應的大膨脹率膨脹管用鋼，并通過熱擠壓制成大膨脹率大尺寸可膨脹套管。
文檔編號C21D9/08GK102560259SQ20121001263
公開日2012年7月11日 申請日期2012年1月16日 優先權日2012年1月16日
發明者何繼寧, 宋開紅, 李春福, 楊陽, 江屏, 王紹先, 申文竹, 袁靜 申請人:西南石油大學