[发明专利]一种高性能低碳微合金钢SEW膨胀套管及其制造方法

说明书

技术领域

本发明属于油井管制造技术领域，具体涉及一种高性能低碳微合金钢SEW（Hot Stretch-reducing Electric Welding，热张力减径电阻焊）膨胀套管及其制造方法。

背景技术

膨胀套管是一种特殊的石油专用管，一般通过液压或机械的方式使下放到井中的膨胀管柱发生永久塑性变形，在直径方向上膨胀10~30%左右，为解决修井、完井、钻井等问题提供了新的有效解决途径，具有优化井身结构、降低钻采成本、节约作业时间、快速恢复生产、提高单井产量等诸多无可比拟的优势，被认为是21世纪石油钻采行业的革命性技术之一。我国的膨胀套管产品性能低、种类少，膨胀后管体的抗外挤强度低，难以满足裸眼地层封隔使用，更无法应用于长井段、全井段、甚至海洋井等具有战略意义的膨胀套管钻井系统。

膨胀套管管柱膨胀时将承受超过初始屈服应力的内挤压力的作用而产生塑性变形，引起长度缩短2~3%、壁厚减薄3~6%，导致膨胀后管体的抗外挤能力下降显著，一般常规API套管经15%径向膨胀后其抗挤强度下降40~60%，难以满足现场使用需要。可见，膨胀套管的性能取决于膨胀工艺和膨胀后的工程应用要求。首先，为满足膨胀工艺要求，确保膨胀过程均匀变形，要求管体具有较高的尺寸精度和优良的塑性变形能力；其次，为满足工程应用要求，确保膨胀后的钢级更高，同时抗内压爆破和抗外压挤毁达到API 5CT标准相应钢级水平，要求管体应具备良好的强度塑性匹配、高的形变强化指数（n值）和塑性应变比（r值）等综合力学性能；最后，还须考虑大幅降低成本，并易于在现有油套管生产线实现批量化生产，才有利于大规模推广。在兼顾易膨胀性及经济性的前提下，重点解决膨胀后套管性能显著下降的难题，是膨胀套管开发的首要瓶颈。例如，申请号为200910187461.3的中国专利，采用无缝钢管作为膨胀管，其外径不圆度指标＜2%，远低于SY/T5989-2012《直缝电阻焊套管》标准规定的焊管外径不圆度≤0.50%的要求，由于套管膨胀时会发生应变集中，引起套管的外径不圆度、壁厚不均度等在原基础上恶化，导致膨胀过程变形不均匀性，产生环向残余应力，降低管体的抗挤强度，严重时管段的壁厚较薄处甚至出现开裂，因此膨胀套管的初始壁厚不均度及不圆度应比API等标准规定更严格；申请号为201010144992.7的中国专利，HFW膨胀管用钢的化学成分中Si含量高达1~2.5%，这对焊接极为不利，容易形成灰斑等焊接缺陷，显著降低焊缝韧性，导致膨胀过程中焊缝处过早失效脆裂，同时还应满足Mn和Si的比例ω（Mn）/ω（Si）≥5才能确保焊接时氧化物易于排出；申请号为201110301303.8的中国专利，膨胀管用钢采用高合金材料，其化学成分中Mn、Cr含量分别高达10~26%、1~10%，不但原料成本高，而且材料的HFW可焊性差。

发明内容

本发明的目的在于提供了一种高性能低碳微合金钢SEW膨胀套管及其制造方法。通过经济型低碳微合金化成分设计、SEW制管工艺及特殊热处理工艺，不但实现了全管体（包括焊缝和热影响区）壁厚均匀度高且组织性能均一，避免了因焊缝、热影响区与母材的组织性能差异导致该处在膨胀过程中容易发生不均匀变形的缺点，而且实现了管体的微观组织为多边形铁素体（软相）+铁素体基体及晶界上析出大量细小弥散的特殊碳化物（VC、VCN等）颗粒（硬相），使管体不但具有很好的强韧性和强塑性，而且具备优良的均匀变形能力和高膨胀率。

本发明采用以下技术解决方案：

1、高性能低碳微合金钢SEW膨胀套管采用经济型低碳微合金化成分设计，仅含极少量的微合金元素，因此原料成本低，其化学成分以质量百分比计为：C 0.10~0.25%、Si 0.12~0.30%、Mn 0.60~1.50%、P≤0.010%、S≤0.005%、Nb+V+Ti 0.05~0.5%，其余为Fe和不可避免的杂质。其中，

C是钢中最基本的强化元素。C可溶解在钢中形成间隙固溶体，起固溶强化的作用；另外C是提高材料淬透性很强的元素，有利于得到贝氏体或马氏体组织。故宜采用的C含量为0.10～0.25%。

Si主要以固溶方式存在于钢中，抑制贝氏体转变期间渗碳体的形成，使碳进一步积聚于未转变的奥氏体中，形成富碳的MA组元，并且能够促进多边形铁素体生成。但是，Si加入量过多会降低钢的塑性和韧性，并且引起焊接性能恶化。最佳范围为0.10%～0.30%。