[发明专利]一种大膨胀量焊管及其制造方法

说明书

技术领域

本发明属于焊管钢技术领域，尤其涉及一种大膨胀量焊管及其制造方法。

背景技术

可膨胀管技术是降低石油开采钻井完井成本的一项新兴技术，被称为“21 世纪石油钻采行业的核心技术”之一，正在日益引起业界的广泛关注。可膨胀管是一种下井后经过机械扩张变形膨胀的新型套管，可广泛用于钻井、完井、采油、修井等作业中，该技术的出现从根本上改变了未来深井及复杂地质条件的钻井采油工艺。可膨胀管技术最核心的优点在于采用该技术可以节约井眼尺寸。实际工程应用已经表明，可膨胀管技术能够大幅度地降低钻采成本和缩短施工周期。

可膨胀管材的研究是可膨胀管技术中最为关键的一个问题，在很大程度上制约着可膨胀管技术的发展。由于膨胀管的作业环境一般在海洋和深井中，首先要求膨胀管材料具有较高的强度；同时，因为膨胀管在井下被径向膨胀的过程中要发生大的永久性的塑性均匀变形，所以，膨胀管应该具有足够的塑性变形能力。膨胀后，管材的力学性能、尺寸精度等应符合API5CT 或者有关标准的规定。在综合分析了当前国内的膨胀管技术之后，不难发现，当今的膨胀管材料研究存在以下技术问题：

一是管材用料的合金成分较高，贵金属及稀有金属用量较多，直接导致了管材用钢的碳当量偏高，不利于管材的焊接。例如，如中国专利CN1594631A 公开了一种石油油井用膨胀合金材料，该合金材料中使用了我国稀缺的Cr、Ni、Zr 等金属，并在材料中添加了0.1wt% 的战略性金属——稀土；中国专利CN1011144376A 中公开的一种连续膨胀管中，其合金材料中也同样使用了我国稀缺的Cr、Mo、Ni、和Cu 等稀有金属；中国专利CN 102534369 A 中公开了一种石油天然气开采用N80钢级膨胀管用材料中，加入了Nb等较贵重的微合金元素Nb；中国专利CN 102517511 A 中公开的高膨胀率石油套管用钢及其用于制作石油套管的方法中，也加入了Cr及其他Nb、V、Ti等微合金化元素。贵金属及稀有金属的使用，从原材料上提高了膨胀管的生产成本，不利于该项技术的推广。同时，由于这些专利中所涉及材料的合金成分复杂，合金元素的含量较高，在无形中提高了该材料的碳当量，对管材的焊接也会造成不良影响。  

其次，制造工艺复杂，工艺成本高。例如，中国专利CN 102534369 A 中公开的一种石油天然气开采用N80钢级膨胀管的制备方法中，要经过两次两相区淬火+回火的工艺才能得到理想的强韧性匹配，繁杂的热处理工艺不利于大规模工业化生产，提高了工艺成本，降低了生产效率。

本发明中使用的是一种可以不添加其他任何合金元素的低碳、锰钢材料，经过一次退火处理后即能满足大膨胀量钢管的强塑性要求，大大降低了生产制造成本。

发明内容

本发明的目的在于提供一种大膨胀量焊管及其制造方法，具有高扩径能力及低生产成本的铁基石油膨胀焊管，通过合理的成分设计获得低成本的大膨胀量石油焊管用钢，并结合合理的钢板制造工艺和钢管热处理工艺使得膨胀管管材达到预期的强度和塑性标准，保证管材膨胀前后的力学性能均能满足API 及其它有关标准要求。

本发明的大膨胀量焊管的化学成分（按重量百分比）为：C: 0.02wt%~0.10 wt% ，Mn:2.0 wt%~6.0wt%，Si: 0.2 wt%~1.0 wt%，S<0.01 wt% ，P<0.02wt%，余量为Fe及不可避免的杂质；也可以在此基础之上添加一种或几种其他化学元素：Ni：0.1wt%~0.6wt%、Cr：0.1wt%~0.6wt%、Cu：0.1wt%~0.5wt%、Nb：0.01wt%~0.1wt%、V：0.01wt%~0.1wt%、Ti：0.01wt%~0.02wt%。

所述的大膨胀量焊管材料的显微组织为：回火马氏体（或回火贝氏体）+铁素体+残余奥氏体，残余奥氏体体积分数≥5%。

所述的大膨胀量焊管材料热处理后力学性能指标为：屈服强度400~700MPa，抗拉强度500~900MPa，延伸率30%~60%,均匀延伸率>20%，加工硬化指数0.15~0.3。

本发明的制造方法的工艺步骤为：

（1）钢的冶炼及凝固：适用于转炉、电炉或感应炉冶炼，采用连铸生产铸坯或模铸生产铸锭。

（2）控制轧制：铸坯加热到1100~1250℃，保温2小时~10小时， 开轧温度1200℃~1000℃，终轧温度800~950℃.

（3）控制冷却：根据具体的性能要求，可分别采用空冷或加速冷却的冷却方法，分别得到粒状贝氏体和“马氏体+贝氏体”组织。