一种高强高韧射孔枪管及其制造方法技术

本发明专利技术公开了一种高强高韧射孔枪管，其化学元素质量百分比为：C：0.05‑0.11％、Si：0.1‑0.4％、Mn：1‑1.8％、Cr：0.1‑1％、Mo：0.31‑0.8％、Nb：0.01‑0.04％、V：0.01‑0.15％、Ti：0.02‑0.05％、B：0.0015‑0.005％、Al：0.01‑0.05％、Ca：0.001‑0.004％、余量为Fe和不可避免的杂质。此外，本发明专利技术还公开了一种上述高强高韧射孔枪管的制造方法，包括步骤：(1)冶炼；(2)浇铸成圆坯：结晶器采用电磁搅拌工艺；(3)将圆坯制成钢管；(4)热处理。本发明专利技术所述的高强高韧射孔枪管强度高韧性好，能具有良好的经济效益。

A High Strength and High Toughness Perforating Gun Barrel and Its Manufacturing Method

The invention discloses a high strength and high toughness perforating gun barrel, which has chemical element mass percentage: C:0.05 0.11%, Si:0.1 0.0.11%, Si:0.1 0.4%, Mn:1 1 1.8%, Cr:0.1 8209 1 1 1%, Mo:0.31 8209 0.8%, Nb:0.01 8209 0.04%, V:0.01 8209 0.15%, Ti:0.02 8209 0.0.05%, 0.05%, B:0.0015 8209 9 9 9 9 9 9 9 9 9 5% Al:0.01 alualualualualualumina 0.0.0.0.05% Ca 0.05 0.001 0.004%. The surplus of Fe is unavoidable. Impurities. In addition, the invention also discloses a manufacturing method of the above-mentioned high strength and high toughness perforating gun barrel, which comprises the following steps: (1) smelting; (2) casting into round billet; (3) making round billet into steel pipe; (4) heat treatment. The high strength and high toughness perforating gun barrel of the invention has good strength and toughness and good economic benefit.

【技术实现步骤摘要】
一种高强高韧射孔枪管及其制造方法
本专利技术涉及一种钢产品及其制造方法，尤其涉及一种射孔枪管及其制造方法。
技术介绍
射孔是石油勘探与开发系统工程中极其重要的一项技术，是提高油气井采收率的重要手段之一。射孔作业中射孔枪管作为弹架对射孔方向进行定位，保护射孔火工器件不受井内流体浸泡、承受压力和减轻射孔作业时对井下套管的损害，并在爆炸过程中保护油层套管。由于其工作条件恶劣，枪管除了受介质腐蚀、井温及压力的影响外，主要威胁来自射孔弹发射时产生的高压及巨大冲击波，因此对其质量、强度和韧性尤其是横向冲击韧性要求非常严格。高强度射孔枪管不仅抗压能力强，可抵御深井和射孔弹发射时产生的高压环境，而且其抗膨胀变形能力强，有效防止卡井，此外，射孔枪管的强度提高也可以降低枪体壁厚，提高射孔质量。射孔枪管在要求高强度的同时也需具有高的韧性匹配，因为高强度射孔枪管韧性不足，尤其是横向冲击韧性低时会导致射孔孔眼毛刺高甚至枪体开裂，造成卡井等事故。所以射孔枪管的设计需要兼顾强度和韧性，在满足高强度的同时尽可能提高韧性指标，提高射孔作业质量和使用安全性。评价射孔枪管抗射孔开裂性能重要的指标为Akv/Ys即为横向冲击韧性与屈服强度的比值大小，保证良好的射孔质量需要Akv/Ys≥0.12J/MPa。公开号为CN103352169A，公开日为2013年10月16日，名称为“射孔枪管管体用无缝钢管材料及其热处理方法”的中国专利文献公开了一种射孔枪管管体用无缝钢管材料，该专利文献所公开的技术方案所涉及的射孔枪管强度达到150钢级，但是其工艺复杂，需要采用两次调质热处理，生产成本较高。公开号为CN103614631A，公开日为2014年3月5日，名称为“含稀土射孔枪管体材料及其制备方法”的中国专利文献公开了一种含稀土射孔枪管体材料，该专利文献所公开的技术方案采用加入稀土元素以改善夹杂物形态，提高韧性指标。但是此专利文献所涉及的枪管强度和韧性均较低，无法满足高强度枪管的性能要求。
技术实现思路
本专利技术的目的之一在于提供一种高强高韧射孔枪管，为保证射孔具有良好的射孔性能，需要综合考虑材料的横向冲击韧性高和强度，强度越高，需要的横向冲击韧性越高，因此在材料设计上需要同时提高强度和韧性。为了实现上述目的，本专利技术提出了一种高强高韧射孔枪管，其化学元素质量百分比为：C：0.05-0.11％、Si：0.1-0.4％、Mn：1-1.8％、Cr：0.1-1％、Mo：0.31-0.8％、Nb：0.01-0.04％、V：0.01-0.15％、Ti：0.02-0.05％、B：0.0015-0.005％、Al：0.01-0.05％、Ca：0.001-0.004％、余量为Fe和不可避免的杂质。在本专利技术所述的技术方案中，在钢种设计上通过微合金化的成分设计，降低碳的质量百分比，以减少脆性的Cr、Mo以及Fe的碳化物的形成，利用在回火过程中形成的V、Nb和Ti细小的析出物获得良好的析出强化效果以及Cr、Mo元素的固溶强化效果，同时提高射孔枪管的强度和韧性，显著的提高射孔质量。因此，本案专利技术人对本专利技术所述的高强高韧射孔枪管的各化学元素进行设计，设计原理如下所述：C：在本专利技术所述的高强高韧射孔枪管中，C为析出物形成元素，可以提高钢的强度，当C的质量百分比低于0.05％时，会使淬透性降低，从而降低韧性，材料强度难以达到110-135ksi，当C的质量百分比高于0.11％时，会与Cr、Mo形成大量脆性的析出物，并显著加重钢的偏析，造成韧性显著降低，难以达到高韧性的要求。因此，本专利技术所述的高强高韧射孔枪管把C的质量百分比限定在0.05-0.11％。Si：Si固溶于铁素体以提高钢的屈服强度，不宜过高，Si的质量百分比太高会使加工和韧性恶化，但当Si的质量百分比低于0.1％会使钢容易氧化。因此，本专利技术所述的高强高韧射孔枪管把Si的质量百分比限定在0.1-0.4％。Mn：Mn为奥氏体形成元素，可以提高钢的淬透性，由于在本钢种体系中碳的质量百分比较低，需要提高Mn的质量百分比。当Mn的质量百分比小于1％时，显著降低钢的淬透性，降低马氏体比例从而降低韧性；当Mn的质量百分比大于1.8％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，本专利技术所述的高强高韧射孔枪管把Mn的质量百分比限定在1-1.8％。Cr：在本专利技术所述的技术方案中，Cr是强烈提高淬透性元素，强析出物形成元素，回火时析出析出物提高钢的强度，但Cr的质量百分比高于1％时容易在晶界析出粗大M23C6析出物，降低韧性，Cr的质量百分比低于0.1％时，则淬透性不足。因此，本专利技术所述的高强高韧射孔枪管把Cr的质量百分比限定在0.1-1％。Mo：在本专利技术所述的技术方案中，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，在本钢种体系中由于碳的质量百分比较低，添加0.8％以上的Mo时，容易产生偏析组织，而当Mo的质量百分比低于0.31％时强度无法达到155ksi高强度的要求，因此，本专利技术所述的高强高韧射孔枪管把Mo的质量百分比限定在0.31-0.8％。Nb：在本专利技术所述的高强高韧射孔枪管中，Nb是细晶和析出强化元素，可弥补因碳降低而引起的强度的下降，当Nb的质量百分比小于0.01％时，作用不明显，当Nb的质量百分比高于0.04％时，容易形成粗大的Nb(CN)，从而降低韧性。因此，本专利技术所述的高强高韧射孔枪管将Nb的质量百分比限定在0.01-0.04％。V：在本专利技术所述的技术方案中，V是典型的析出强化元素，可弥补因碳降低而引起的强度的下降，当V的质量百分比小于0.01％时强化效果难以使材料达到155ksi，当V的质量百分比高于0.15％时容易形成粗大的V(CN)，从而降低韧性，因此，本专利技术所述的高强高韧射孔枪管把V的质量百分比限定在0.01-0.15％。Ti：在本专利技术所述的高强高韧射孔枪管中，Ti是强碳氮化物形成元素，显著细化奥氏体晶粒，可弥补因碳的质量百分比降低而引起的强度的下降，若Ti的质量百分比高于0.05％，易形成粗大的TiN，降低材料韧性，因此，本专利技术所述的高强高韧射孔枪管把Ti的质量百分比限定在0.02-0.05％、B：在本专利技术所述的技术方案中，B也可以显著提高淬透性，在本专利技术所述的高强高韧射孔枪管的低C设计中，B可以解决因C降低所带来的淬透性差的问题。而当B的质量百分比低于0.0015％时，B的提高淬透性作用不显著，而当B的质量百分比高于0.005％时，易形成BN脆性相，降低材料韧性。因此，本专利技术所述高强高韧射孔枪管将B的质量百分比限定在0.0015-0.005％。Al：Al为良好的脱氧固氮元素，可细化晶粒，在本专利技术所述的技术方案中，采用将Al的质量百分比控制在0.01～0.05％。Ca：在本专利技术所述的高强高韧射孔枪管中，Ca可以净化钢液，促使MnS球化，提高冲击韧性，但Ca的质量百分比过高时易形成粗大的非金属夹杂物。因此，本专利技术所述的高强高韧射孔枪管将Ca的质量百分比限定在0.001-0.004％。P、S：P和S是钢中的有害杂质元素，因此，应尽量降低钢中的P、S的质量百分比，在本专利技术所述的技术方案中，将P、S的质量百分比控制在P：≤0.015％、S：≤0.003％。进一步地，在本专利技术所述的高强高韧射本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高强高韧射孔枪管，其特征在于，其化学元素质量百分比为：C：0.05‑0.11％、Si：0.1‑0.4％、Mn：1‑1.8％、Cr：0.1‑1％、Mo：0.31‑0.8％、Nb：0.01‑0.04％、V：0.01‑0.15％、Ti：0.02‑0.05％、B：0.0015‑0.005％、Al：0.01‑0.05％、Ca：0.001‑0.004％、余量为Fe和不可避免的杂质。

【技术特征摘要】
1.一种高强高韧射孔枪管，其特征在于，其化学元素质量百分比为：C：0.05-0.11％、Si：0.1-0.4％、Mn：1-1.8％、Cr：0.1-1％、Mo：0.31-0.8％、Nb：0.01-0.04％、V：0.01-0.15％、Ti：0.02-0.05％、B：0.0015-0.005％、Al：0.01-0.05％、Ca：0.001-0.004％、余量为Fe和不可避免的杂质。2.如权利要求1所述的高强高韧射孔枪管，其特征在于，其微观组织具有弥散分布的V、Nb和Ti的析出相，该析出相的尺寸为20-50nm。3.如权利要求1所述的高强高韧射孔枪管，其特征在于，其微观组织为回火索氏体，晶粒尺寸为9级以上。4.如权利要求1所述的高强高韧射孔枪管，其特征在于，其横向夏比冲击功与屈服强度的比值Akv/Ys≥0.12J/MPa。5.如权利要求4所述的高强高韧射孔枪管，其特征在于，其屈服强度为758-1034MPa，抗拉强度≥862...

【专利技术属性】
技术研发人员：董晓明，张忠铧，孙文，赵存耀，
申请(专利权)人：宝山钢铁股份有限公司，
类型：发明
国别省市：上海,31