高强度高韧性射孔套管的开发

高强度高韧性射孔套管的开发

射孔是石油探探和开发系统工程中一项极其重要的技术。这是提高石油采收率的重要手段之一。射孔作业中射孔弹需要用射孔枪管作为弹架来对射孔方向进行定位并在爆炸过程中保护油层套管。对其质量和性能尤其是对其横向冲击韧性要求非常严格。根据检测管材冲击韧性的制样方法可以看到,横向冲击韧性体现了管材沿纵向方向开裂的倾向性。一般情况下,管材的强度越高时,其冲击韧性就越低,横向冲击韧性就更低,这是该类管材的薄弱环节。本文就天津钢管公司开发射孔枪用高强、高韧无缝钢管的情况做简单介绍。1射孔弹对管路撞击的能力钢铁材料的化学成分和后续的热处理工艺影响钢的力学性能,也决定了钢铁产品的工程使用性能,除此之外铸造和轧制工艺也影响钢材的性能。射孔枪管在射孔作业时不仅要承受射孔弹高载荷高速冲击作用,还要承受射孔弹碎片对管材反向撞击作用。这样不仅对射孔枪管冲击韧性的要求非常高,对其屈服强度的要求也非常高,以承受较高的撞击载荷。天津钢管集团股份有限公司通过优选钢种和改进铸造工艺开发的TP155P高钢级射孔枪管,不仅屈服强度保证达到150KSI(1034MPa),抗拉强度达到170KSI(1172MPa),同时,纵向全尺寸0℃冲击韧性保证达到85J,而且横向冲击韧性也较好。1.1严格控制几何尺寸精度为满足射孔要求,保证射孔枪管达到高强高韧的同时,必须严格控制其几何尺寸精度。表1和表2分别为射孔枪管订货所要求的力学性能和尺寸精度指标。1.2tp155p射孔钢管用化学成分的选择同抗挤毁管材一样,提高管体屈服强度或者增加璧厚可以提高内压强度和爆破强度。根据开发高钢级套管的经验,通过添加含量较高的Cr、Mo和Mn等元素来提高钢材的强度和淬透性,添加V等微合金元素可以提高其冲击韧性。依此原则设计了TP155P射孔枪管用钢种的化学成分,并冶炼了两个炉号,分别称为1号钢和2号钢。其中2号钢经过了后续工艺改进。两个炉号的钢中影响夹杂物尺寸大小和分布特征的S含量都控制得非常低,同时还对钢液进行了充分的Ca处理,使由于夹杂物引起冲击韧性的降低的影响降到最低。1.3冷却调整冷却冷却冷却冷却冷却冷却冷却冷却冷却冷却冷却冷却冷却冷却冷却冷却冷却超声冷却调整调整经模测定冷却冷却冷却冷却冷却冷却冷却冷却冷却冷却冷却冷却冷却冷却冷却冷却冷却冷却冷却冷却冷却冷却冷却冷却冷却冷却冷却冷却冷却冷却冷却冷却冷却冷却冷却冷却冷却冷却冷却冷却冷却冷却冷却冷却冷却冷却冷却冷却冷却冷却冷却冷却冷却冷却冷却冷却冷却冷却冷却冷却冷却冷却冷却冷却冷却冷却冷却冷却冷却冷却冷却冷却冷却冷却冷却冷却冷却冷却冷却冷却冷却冷却冷却冷却冷却冷却冷却冷却冷却冷却冷却冷却冷却冷却冷却冷却冷却冷却冷却冷却冷却冷却冷却冷却冷却冷却冷却冷却冷却冷却冷却冷却冷却冷却冷却冷却冷却冷却冷却冷却冷却冷却冷却冷却冷却冷却冷却冷却冷却冷却冷却冷却冷却冷却冷却冷却冷却冷却冷却冷却冷却冷却冷却冷却冷却冷却冷却冷却冷却冷却冷却冷却冷却冷却冷却冷却冷却冷却冷却冷却冷却冷却冷却冷却冷却冷却冷却冷却冷却冷却冷却冷却冷却冷却冷却冷却冷却冷却冷却冷却冷却冷却冷却冷却冷却冷却冷却冷却冷却冷却冷却冷却冷却冷却冷却冷却冷却冷却冷却冷却冷却冷却冷却冷却冷却冷却冷却冷却冷却冷却冷却冷却冷却冷却冷却冷却冷却冷却冷却冷却冷却冷却冷却冷却冷却冷却冷却冷却冷却冷却冷却冷却钢管简要生产工艺流程:海绵铁+铁水+优质废钢→EAFLF→VD→CCM→冷却→管坯检验→管坯加热→穿孔→连轧→定径→冷却→锯切→矫直→探伤→检验→取样→入库→淬火→回火→热矫直→冷却→探伤→通径→管端探伤→测长称重→喷印涂漆→烘干→入库。1.4样品的制备图1为取自于与1号钢相同钢种成分的轧态管料所做的C曲线,该钢种奥氏体点为910℃,马氏体点为394℃。从图1上可以看出,当淬火冷却速度超过20℃/s时,管体可以淬火成马氏体来提高强度(可以水淬),通过后续的回火处理可以提高其韧性。当其奥氏体化并保温一定时间后的冷速如果低于20℃/s时,管体上会出现贝氏体组织,当冷速进一步低于2℃/s(空冷)时就会出现珠光体+铁素体组织,可以预见轧态(正火)组织为贝氏体+珠光体+铁素体复合组织。轧制工艺完成后,取轧态管进行小样热处理实验。实验结果如表3所示,其中横纵冲击试样尺寸分别为10mm×5mm、10mm×7.5mm;冲击功的横纵比是指按照API5CT标准中的换算系数将横纵向冲击功均换算成全尺寸的冲击功后的比值。可以看出,与相同钢种的1号钢相比,2号钢经过工艺改进后,强度变化不明显,但对射孔枪管冲击韧性平均提高42.7%,对横纵向冲击功的差异(横纵全尺寸冲击功之比,下同)平均提高54.5%,硬度无明显变化。依据热处理的实验结果,结合批量生产的实际,确定了TP155P射孔枪管的大生产热处理工艺制度。2实际生产的结果2.1射击管的尺寸试验随机抽取7根管子,测量并统计其制造尺寸精度,如表4所示。由表内的数据可以看到,射孔枪管制造精度达到表2的设计指标。2.2工艺改进效果对按照表3中工艺4热处理大生产后的射孔枪管进行力学性能检验,统计结果如表5所示。其中,横纵冲击试样尺寸分别均为10mm×5mm、10mm×7.5mm,但表中最大、最小和平均冲击功横纵比数据是根据实际横纵比(按1.4算法换算)结果统计得出,并非由横纵冲的最大、最小和平均值按1.4的方法换算出的。可以看出,成品力学性能均达到设计指标要求,最小屈服强度1052MPa也超过设计下限1.7%,且强度有上升趋势,还有向更高钢级发展的潜力,但屈强比仍然很高。另外,从表5中的数据可以看出,该钢种经工艺改进后,2号钢平均冲击性能有提高,平均横纵冲击功之比(冲击功差异)也有显著提高。与小样实验相比,在工艺改进前后,屈强比和硬度变化均不明显。2.3类杂物对高强射孔管道冲击韧性的影响图2(a)显示了该产品管体微观清洁度,图中没有A类夹杂物,仅有细小的颗粒状B类夹杂物弥散分布在钢的基体上,目前这类夹杂物是否影响高强度射孔枪管在高速射孔作业载荷作用下的开裂倾向性(可能性),即是否影响其冲击韧性尚无定论。图2(b)为1和2号钢轧态组织,为大量贝氏体+少量铁素体和珠光体的复合组织,这一点与前述相同。轧态小样经过调质工艺4处理后得到如图2(c)所示的回火索氏体组织,该钢种经前述热处理工艺4大生产后得到的组织类型与此相同,如图2(d)所示。3分析与讨论3.1试验结果1号钢种在经过轧制后取轧态管样,经过调质工艺1处理后,经过系列冲击实验得到如图3(a)所示的韧脆转变曲线。从图3(a)上可以看出,该钢种的韧脆转变温度大致在-25℃左右。而2号小样经过相同的热处理工艺处理后,系列冲击后的实验结果如图3(b)所示。对比两图分析,可以看到相同钢种的2号样的韧脆转变温度下降到-33℃左右,1号样的韧脆转变温度-25℃左右仍在2号样的冲击韧性的上平台上。说明,经过工艺改进的2号钢的低温冲击韧性与1号钢相比有很大的改善。3.2产品的频次分布统计已生产的17热处理批次(每批最大200根)性能检测数据得到图4所示的射孔枪管强度和冲击韧性频次分布图,可以看出,该产品的屈服强度以1088~1122MPa区间的值为主,平均在1104.3MPa,远在155KSI(1068MPa)之上;横向冲击功以50~55J区间内的值居多,平均在52J。这是高强高韧性匹配的很好的例证,要做到最优匹配需要从分析其屈