一种含Ｍｎ１８～２４％的合金管材及其制造方法技术

本发明专利技术涉及一种含Ｍｎ１８～２４％的合金管材及其制造方法；由Ｃ：０．００２～０．２％；Ｍｎ：１８～２４％；Ｓｉ：０～４％；Ａｌ：０～５％；Ｐ≤０．０１５％；Ｓ≤０．０１％；Ｎ≤０．００８％；或Ｃｒ：１～６％；Ｃｕ：０．１～０．５％；Ｎｂ：０．０１～０．６％；Ｔｉ：０．０１～０．１％；Ｖ：０．０１～０．３％中的一种或两种以上，余量Ｆｅ构成；经真空熔炼铸造，均匀化退火，经热轧后制成钢板或棒材；电阻焊或热轧制成管坯；管坯经固溶及时效处理；均匀延伸率≥５０％，屈服强度３００～４００ＭＰａ；经３０％膨胀变形后，均匀延伸率≥２０％，屈服强度５６０～７６０ＭＰａ，屈强比０．６２～０．８０。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种石油天然气工业实体膨胀管用含MnlS 24%的合金管材及其制造方法。
技术介绍
实体膨胀套管SET (Solid Expandable Tubular)技术是以实现“节省”井眼尺寸为 目的，在井眼中将套管柱径向膨胀至所要求的直径尺寸的一种钻井、完井和修井新技术。应 用该技术可以使得下入的套管层数增加，给深井、复杂地质条件的钻井和井身结构带来“革 命性”的影响和重大技术经济效益。它可以将井眼变“瘦”显著降级开发成本。它将“单一 井径”成为可能。实体膨胀套管技术目前由少数几个公司所垄断，主要包括威德福公司、贝克石油 工具公司、TIW公司、亿万奇公司、哈里伯顿公司等，其中应用该技术最成熟的是亿万奇公 司。许多关键技术，如实体膨胀管用钢、膨胀套管连接技术、作业工具以及其他配套技术等 属于商业保密，将该技术引进国内成本较高。实体膨胀管用钢是影响实体膨胀套管技术推 广应用的几个关键技术之一。为了保证膨胀施工的顺利实施，膨胀管应具有优良的膨胀性能并且要求材料在膨 胀之后仍具有良好的塑性和强度。传统的铁素体珠光体材料在发生一定量的冷变形之后， 塑性会显著降低，使用不安全性较大。为了保证膨胀施工的顺利实施，可膨胀管应具有较低 的屈服强度、低屈强比、优良的塑性(特别是均勻塑性变形能力)、较大的形变强化性能以 保证经过较大的膨胀变形过程中变形均勻、不发生开裂等良好的膨胀性能并且要求材料在 膨胀之后具有高的强度和良好的塑性。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种具有低屈服强度、高均勻延伸率、高塑性、高抗拉强度特 性的含MnlS 24%的合金管材及其制造方法，使管材所制得的膨胀管在膨胀扩径过程中 具有良好的膨胀性能，优良的均勻变形能力，同时保证扩径后管体兼备高的强度和足够的 塑性。本专利技术的所述的一种含MnlS 24%的合金管材及其制造方法如下(1)本专利技术的所述的含MnlS 24%的合金管材由如下成分按质量百分比组成C 0. 002 0. 2 % ;Mn :18 24 % ；Si :0 4 % ;A1 :0 5 % ;P ≤ 0. 015 % ； S≤0. 010%;N≤0. 008%;或在此组成的基础上进一步添加Cr :1 6%;Cu :0. 1 0. 5%; Nb 0. 01 0. 6% ；Ti 0. 01 0. 1% ；V 0. 01 0. 3%中的一种或两种以上，余量Fe。(2)上述材料经熔炼铸造，铸锭在1200°C进行3 4小时的均勻化退火，以改善合 金元素的偏析，钢锭经热轧或冷轧后制成钢板或棒材；通过直缝电阻焊制管或通过热轧制 成无缝管。(3)经(2)工艺所得管坯经1000 1150°C固溶处理后得到完全奥氏体组织。管坯随后在150 450°C条件下进行200 800s的时效处理，获得组织性能更加稳定的可膨胀管。本专利技术主要是利用了相变诱发塑性(Transformation Induced Plasticity)机制和孪晶诱发塑性(Twinning Induced Plasticity)机制即TRIP效应和TWIP效应共同作 用来提高材料的塑性。TRIP效应和TWIP效应常出现于奥氏体合金中。TRIP效应的发生 有利于材料强度的增加；TWIP效应的发生有利于材料塑性变形能力的提高。发生TRIP效 应和TWIP效应的奥氏体钢的均勻延伸率超过50 %，断裂强度超过800MPa，这是一般的铁 素体珠光体合金或马氏体合金所无法比拟的。本专利技术合金具有高均勻延伸率、高塑性、低 屈服强度、低屈强比，高加工硬化能力等特点总延伸率> 60%，均勻延伸率> 50%，屈服 强度300 400MPa，抗拉强度800 900MPa，屈强比(屈服强度与抗拉强度之比)0. 34 0. 53。低的屈服强度保证了膨胀过程的平稳启动，高的均勻延伸率保证了膨胀管在膨胀过 程中具有良好的膨胀性能，高的加工硬化能力保证了膨胀管有着良好的均勻变形能力并且 保证了膨胀施工完成之后管体强度大幅度增加。该材料在经过30%的塑性变形后，总延伸 率彡30%，均勻延伸率彡20%,屈服强度达到560 760MPa，抗拉强度达到800 lOOOMPa， 屈强比0.62 0.80。管体力学性能达到API标准对80ksi IlOksi钢级套管力学性能的 要求。要在室温下获得稳定的奥氏体组织必须加入合金元素降低奥氏体的Ms点。C是 奥氏体形成元素可以提高奥氏体的稳定性，同时C可以起到固容强化的作用而提高合金的 强度。但是C含量不宜过高否则形成的金属碳化物很难在热处理过程中被消除，对合金的 力学性能产生不利的影响，同时C含量高会导致合金焊接性能的降低；Mn是稳定奥氏体形 成元素，当合金中的C含量一定时，随着Mn含量的增加奥氏体的稳定性不断提高最终在室 温下得到热力学稳定的奥氏体。。综合考虑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%。在本专利技术中奥氏体钢TRIP效应和TWIP效应的发生主要是通过调节合金元素C，Mn 的含量来控制奥氏体合金的层错能(stacking fault engery)加以实现的。通过合金层错 能的调节，使合金发生在外加载荷的作用下，发生TRIP/TWIP双效应。TRIP效应所需的临 界应变值小于TWIP效应，所以变形开始阶段以TRIP效应为主要增韧机制，在变形的中后期 以TWIP效应为主要增韧机制此外，在TRIP/TWIP效应的协同作用下，合金的强度和塑性得 到大幅度的提高。此外，合金还可以通过添加Si、Al等元素对其层错能和力学性能进行调 节。Si在该合金中的作用，首先可以使该合金的堆垛层错能降低，其次Si可以起到固容强 化的作用，提高合金的强度，同时Si可以改变C在奥氏体中的溶解度，并且Si可以减少合 金在热加工过程中的产生的氧化皮的数量，Si的含量控制在0 4%之间。Al可以提高合 金的堆垛层错能，是实现TWIP效应非常有效的元素，同时Al的加入可以提高合金热变形过 程中的流变应力，延迟动态再结晶，提高合金再结晶激活能细化合金的组织，但是Al含量 的过高不利于合金的铸造性能，因此Al含量控制在0 5%之间。P可以提高该合金的强 度，但P的存在会导致合金的塑性的降低，因此P的含量控制在0. 015%以下，S对该合金的 热加工性能有着不利的影响应控制在0.010%以下。N在很多低合金高强钢中都必须加以 严格的控制，但是对于奥氏体合金而言，N是一种有益的元素，N对于奥氏体合金而言可以 起到强烈的固溶强化作用同时对合金的塑性和韧性没有不良的影响，同时可以改善合金的焊接性，因此本合金对N的含量没有做严格的限制，但是刻意的添加N来提高合金的性能需 要专门的设备会大幅度提高合金的生产成本。Cr的添加有利于提高材料的耐蚀性，同时Cr 的加入也可以起到固容强化的作用，在本合金中Cr的含量控制在1 6%就可满足套管的 耐蚀性要求；适量Cu的加入可以提高合金的耐大气腐蚀性能和力学性能，但Cu过高含量会 恶化合金性能，因此Cu含量为0. 1 0. 5%。 奥氏体合金在加热冷却过程中没有相变的发生，因此难以用热处理的方式细化合 金的组织，并且合金在加热保温的过程中，组织会发生不同程度的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种含Ｍｎ１８～２４％的合金管材的制造方法，其特征在于：　　（１）由如下成分按质量百分比组成：　　Ｃ：０．００２～０．２％；Ｍｎ：１８～２４％；Ｓｉ：０～４％；Ａｌ：０～５％；Ｐ≤０．０３％；Ｓ≤０．０３％；Ｎ≤０．００８％；或在此组成的基础上添加Ｃｒ：１～６％；Ｃｕ：０．１～０．５％；Ｎｂ：０．０１～０．６％；Ｔｉ：０．０１～０．１％；Ｖ：０．０１～０．３％中的一种或两种以上，余量Ｆｅ；　　（２）上述材料经熔炼铸造，铸锭在１２００℃进行３～４小时的均匀化退火，钢锭经热轧或冷轧后制成钢板或棒材；通过直缝电阻焊制管或通过热轧制成无缝管；　　（３）经（２）工艺所得管坯经１０００～１１５０℃固溶处理后得到具有完全奥氏体组织，管坯随后在１５０～４５０℃条件下进行２００～８００ｓ的时效处理，获得组织性能更加稳定的可膨胀管。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：冯耀荣，上官丰收，李德君，杨龙，刘永刚，宋生印，
申请(专利权)人：中国石油天然气集团公司，中国石油天然气集团公司管材研究所，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]