CN107841681B - 射孔枪管材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种射孔枪管材料及其制备方法，其质量配比为：C：0.25‑0.35％；Si：0.15‑0.35％；Mn：0.4‑0.8％；Cr：0.8‑1.2％；Mo：0.15‑0.45％；Al：0.005‑0.05％；Cu≤0.15％；Ni≤0.2％；V≤0.06％；Nb≤0.05％；Ti：≤0.03％；Ca：0.001‑0.0065％；P＜0.015％；S＜0.0065％；余量为Fe和不可避免杂质。且Ca和S满足Ca/S＞1，并满足0.6＜Ceq≤0.72,其中Ceq＝C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Cu+Ni)/15。本发明采用水淬方法生产的射孔枪管性能优良，明显降低生产成本。

Description

射孔枪管材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种无缝钢管材料及其制备方法，特别是涉及一种枪管钢管材料及其制备方法，应用于石油勘探与开发***工程中的射孔完井技术领域。
背景技术
射孔完井是石油勘探与开发***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。射孔枪管是制作射孔枪的主要部件,在射孔***时,枪管承受较大的冲击力,高温高压气体将射孔枪管上的盲孔最薄处打爆后射向钢管和水泥层,聚能高温高压气体穿透钢管和水泥层将地层炸裂,由此可见，射孔枪管在射孔作业时不仅要承受射孔弹高载高速冲击作用,还受孔弹碎片的撞击作用。为了有效达到清理或增加渗道、提高采收率的目的，枪管射孔后要求枪身不出现横向裂纹，孔眼处裂纹小，外径涨大尺寸小，射孔盲孔对位准确。而这些都对射孔枪管的生产工艺提出了严格的要求。
传统的射孔枪管材质为32CrMo4，采用油淬的工艺生产。然而，因为油淬的火灾敏感性以及环境污染问题，目前国内外很多地方逐步放弃油淬而改用水淬工艺。但是由于射孔枪管水淬容易开裂，一般是采用降低碳含量的方式来解决这一问题，如使用26CrMo替代32CrMo4，参见表4。但是碳含量降低导致射孔性能降低，另外由于油淬工艺淬火冷速平缓、淬火应力小、射孔性能优良，油淬用作生产射孔枪管的传统的生产工艺具有无与伦比的优越性，一直以来还深得市场的青睐。然而，低成本水淬生产工艺技术的开发，无论从节能环保、减轻环境负荷，还是降低生产成本等角度考虑越来越不容忽视，开发出适合高碳含量射孔枪管一贯制生产工艺技术迫在眉睫。
对于钢管行业而言，从文献资料记载及实际生产情况来看，行业内调质热处理都是采用完全淬火的方法，即淬火加热温度为Ac3+50℃以上。例如专利CN201510042282.6公开了一种射孔枪用无缝钢管及其制备工艺，参见表4，通过在32CrMo4的基础上，降低碳含量配以V、Nb合金化以增加强度，在900-920℃温度下进行水淬后,进行回火处理得到成品。专利CN201310282041.X公开了一种射孔枪管管体用无缝钢管材料料及其热处理方法，和专利CN201510042282.6类似，参见表4，在890-910℃温度淬火后,进行回火处理得到成品。这种在900℃高温下的水淬，淬火应力大，枪管的射孔性能差，无法和油淬枪管相提并论。
专利CN201510234477.0公开了一种高钢级的射孔枪管和成型方法,参见表4，碳含量更低，而Mo含量在1.0左右，成本昂贵，并且含有W等合金元素，在880-920℃温度下进行水淬后极易弯曲，生产难度极大。专利CN201210351209.3以及CN201310641736.2公开了一种含稀土徕射孔枪管体材料,参见表4，同样淬火温度在880-900℃，专利没有说明采取是油淬还是水淬的方式，但是，在这种温度下必然面临油淬环境负荷大、而水淬则易于弯曲及开裂等不利因素。
发明内容
为了解决现有技术问题，本发明的目的在于克服已有技术存在的不足，提供一种射孔枪管材料及其制备方法，采用水淬方法生产的射孔枪管，其不仅能够达到油淬射孔枪管性能的要求，而且由于淬火温度低，不仅冷速平缓、淬火应力小，射孔性能优良，而且还明显降低生产成本。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种射孔枪管材料，其材料组分的化学元素质量百分配比为：
C：0.25-0.35％；Si：0.15-0.35％；Mn：0.4-0.8％；Cr：0.8-1.2％；Mo：0.15-0.45％；Al：0.005-0.05％；Cu：≤0.15％；Ni：≤0.2％；V：≤0.06％；Nb：≤0.05％；Ti:≤0.03％；Ca:0.001-0.0065％；P＜0.015％；S＜0.0065％；余量为Fe和不可避免的杂质；
且材料组分的化学元素中的Ca元素和S元素之间满足Ca/S＞1的质量关系，并满足质量关系式为0.6＜Ceq≤0.72,其中Ceq＝C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Cu+Ni)/15，关系式各元素符号代表对应元素成分作为材料组分的质量。
上述各化学元素的成分设计原理如下：
C：本发明中，为了保证钢管具有足够的强韧性，C元素含量不宜大于0.35％,但是C元素含量太低将有损射孔性能，因此控制C元素含量0.25-0.35wt％。
Mn：溶于铁素体起强化作用，用来提高钢的淬透性，但含量太高时偏析严重，严重影响钢管的射孔性能，因此Mn元素含量设计为0.4-0.8wt％。
Si：固溶于铁素体以提高钢的屈服强度，但同时要损失钢的塑性和韧性，因此控制Si元素含量为0.15-0.35wt％。
Cr：是一种强烈提高淬透性的元素，同时是强碳化物形成元素，回火时析出碳化物可以提高钢的强度，有利于提高钢管的射孔性能，但含量过高时会析出粗大的M23C6碳化物，因此控制Cr元素含量为0.8-1.2wt％。
Mo：提高淬透性元素，强碳化物形成元素，可以有效的提高钢的回火稳定性，回火时析出碳化物提高钢的强度，有利于提高钢管的射孔性能，含量过高时成本过高，因此控制Mo元素含量为0.15-0.45wt％。
Cu：可以增强钢的韧性，即便是含量较少的Cu也能获得相应的效果，有利于提高钢管的射孔性能，如果Cu含量超过0.15wt.％时，对钢的热加工性会产生较大影响，因此，在本发明的技术方案中需要将Cu含量控制为低于0.15wt.％。
Ni：既是可以提高钢的强度和淬透性的元素，又是可以提高钢的韧性的元素。综合钢的成本因素考虑，在本发明的技术方案中，将Ni含量控制在不高于0.2wt.％。
V：V的碳氮化物在铁素体中细小弥散析出，可以在回火的过程中进一步达到析出强化的效果，可以有效地钉扎位错的运动，有利于提高钢管的射孔性能。宜采用含量不高于0.06wt％。
Al：形成AlN可以细化奥氏体晶粒，有利于提高钢管的射孔性能。宜采用含量0.005-0.05wt％。
Nb：钢管热轧时可以推迟奥氏体再结晶，而达到细化晶粒的同时改变再结晶与相变织构类型与强弱，在随后的冷却及热轧过程中，Nb(C、N)粒子弥散析出，又能起到析出强化的作用，有利于提高射孔性能。宜采用含量不高于0.05wt％。
Ti：强碳氮化物形成元素，形成TiN、TiC在均热和再加热过程中均可以阻止奥氏体晶粒长大，细化奥氏体晶粒的同时改变再结晶与相变织构类型与强弱，有利于提高射孔性能；若含量太高，易形成粗大的TiN。按重量百分比，宜采用含量不高于0.03。
Ca：可以净化钢液，促使MnS球化，提高材料的射孔性能，但含量过高时易形成粗大的非金属夹杂物，故控制Ca元素含量为0.001-0.0065wt％，同时Ca、S元素含量的比值Ca/S＞1。
一种本发明射孔枪管材料的制备方法，包括如下步骤：
a.将钢水进行炉外精炼和真空脱气后连铸成圆坯；
b.将在所述步骤a中制备的圆坯进行均热处理，控制均热温度为1220～1260℃；圆坯在完成均热处理后，再进行穿孔处理，控制穿孔温度为1200～1240℃；
c.对在所述步骤b中完成穿孔工艺的圆坯进行轧制加工制备轧管，然后对轧管的整管加热至950～1000℃进行张力减径，然后在减径加工后，对轧管进行空冷，并对轧管进行锯切，得到所需钢管，控制轧制钢管组织为贝氏体组织，或者为铁素体、珠光体和贝氏体的混合组织；优选控制终轧温度为860～900℃；
d.将在所述步骤c中制备的钢管再进行调质热处理：在AC1至AC3温度之间，进行淬火加热，淬火温度范围为(AC3-30℃，AC3)，其中淬火加热温度的Ac1为下临界温度，Ac3为上临界温度，控制保温时间为30～60min，然后进行水淬；完成淬火处理后，然后在600～650℃的回火温度下，对钢管进行高温回火处理，回火保温时间为30～60min，最终得到所述的射孔枪钢管材料。优选控制最终得到的射孔枪钢管材料的组织为全马氏体组织，或者为铁素体和马氏体的混合组织。优选淬火温度为780～820℃，优选淬火保温时间为40～60min；优选回火温度为620～650℃。
进一步地，本发明所述的水淬射孔枪管材料的制备方法，在上述步骤d中，淬火加热温度
的Ac1为下临界温度，Ac3为上临界温度；
Ac1＝(723-10.7wMn-16.9wNi+29.1wSi+16.9wCr)℃；
Figure GDA0001519000660000041
其中,wC表示碳元素重量百分比；wMn表示锰元素重量百分比；wNi表示镍元素重量百分比；wSi表示硅元素重量百分比；wCr表示铬元素重量百分比；wV表示钒元素重量百分比；wMo表示钼元素重量百分比。
本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：
1.本发明钢管材料的化学成分和现有方案完全不同，本发明通过合理设计化学元素组分，配合在AC1-AC3之间加热后对钢管进行水淬，以获得少量铁素体+马氏体的混合组织；本发明与完全奥氏体化的完全淬火相比，不要求淬火后为全马氏体组织，允许存在少量的铁素体软相；由于淬火温度比完全淬火降低约100℃，水淬时冷速较为平缓，显著降低高碳钢淬火过程产生的内应力，显著降低淬火开裂的敏感性以及钢管淬火弯曲的敏感性。
2.本发明水淬钢管的屈服强度可以达到150钢级，即1034MPa以上，其射孔性能和油淬钢管的性能相当；同时由于淬火温度低，和油淬相比，不仅可以降低能耗约10～30％，还省去消耗昂贵的淬火油，符合绿色环保的要求。
附图说明
图1是本发明实施例一采用水淬工艺后的获得的射孔枪钢管材料的微观组织形貌图。
具体实施方式
以下结合具体的实施例子对上述方案做进一步说明，本发明的优选实施例详述如下：
本发明实施例1～实施例6
本发明实施例1-6所述射孔枪钢管材料采用下述方法制得，其中钢管的化学元素质量百分配比如表1所示，A1-A6对应本发明实施例1-6，B1-B2对应对比例1-2；对比例3-4对应B1、B2在完全淬火条件下的情况。
实施例1～实施例6制备了一种射孔枪管材料，其材料组分的化学元素质量百分配比为：
C：0.25-0.35％；Si：0.15-0.35％；Mn：0.4-0.8％；Cr：0.8-1.2％；Mo：0.15-0.45％；Al：0.005-0.05％；Cu：≤0.15％；Ni：≤0.2％；V：≤0.06％；Nb：≤0.05％；Ti:≤0.03％；Ca:0.001-0.0065％；P＜0.015％；S＜0.0065％；余量为Fe和不可避免的杂质；且材料组分的化学元素中的Ca元素和S元素之间满足Ca/S＞1的质量关系，并满足质量关系式为0.6＜Ceq≤0.72,其中Ceq＝C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Cu+Ni)/15，关系式各元素符号代表对应元素成分作为材料组分的质量。
表1.本发明实施例和对比例的钢管的化学元素质量百分配比
(wt.％，余量为Fe和其他不可避免的杂质)
Figure GDA0001519000660000051
在本发明各实施例中，一种本发明射孔枪管材料的制备方法，包括如下步骤：
a.将钢水进行炉外精炼和真空脱气后连铸成圆坯；
b.将在所述步骤a中制备的圆坯进行均热处理，控制均热温度为1220～1260℃；圆坯在完成均热处理后，再进行穿孔处理，控制穿孔温度为1200～1240℃；
c.对在所述步骤b中完成穿孔工艺的圆坯进行轧制加工制备轧管，然后对轧管的整管加热至950～1000℃进行张力减径，成品尺寸为φ88.9×8.8，然后在减径加工后，对轧管进行空冷，并对轧管进行锯切，得到所需钢管，控制轧制钢管组织为贝氏体组织，或者为铁素体、珠光体和贝氏体的混合组织；
d.将在所述步骤c中制备的钢管再进行调质热处理：在AC1至AC3温度之间，进行淬火加热，淬火温度范围为780～820℃，控制保温时间为30～60min，然后进行水淬，其中实施例一采用水淬工艺后的获得的射孔枪钢管材料的微观组织形貌图1所示，获得少量铁素体和马氏体的混合组织；完成淬火处理后，然后在600～650℃的回火温度下，对钢管进行高温回火处理，回火保温时间为30～60min，最终得到所述的射孔枪钢管材料。上述实施例采用的水淬射孔枪管及其生产方法，其不仅能够达到油淬射孔枪管性能的要求，而且由于淬火温度低，不仅冷速平缓、淬火应力小，射孔性能优良，而且还明显降低生产成本。对比例的材料制备方法步骤与本发明步骤基本相同。
对比实验分析
实施例1-6和对比例1-4中的具体工艺参数及实施效果参见表2。表2中第一列的“实”表示“实施例”，“对”表示“对比例”。
以上实施例中制备的射孔枪用无缝钢管制成射孔枪后地面穿混凝土靶试验，射孔性能见表3。
表2.本发明实施例和对比例的钢管的冲击功数值为0-L-7.5的实验数据对比
表3.本发明实施例和对比例制备钢管制成射孔枪后地面穿混凝土靶试验的射孔性能对比
Figure GDA0001519000660000062
总之，本发明所述的钢管的化学成分和现有方案完全不同，由表4可知，本发明通过合理设计化学元素组分，配合在AC1-AC3之间加热后对钢管进行水淬，以获得少量铁素体+马氏体的混合组织。本发明与完全奥氏体化的完全淬火相比，不要求淬火后为全马氏体组织，允许存在少量的铁素体软相。由于淬火温度比完全淬火降低接近100℃，水淬时冷速较为平缓，显著降低高碳钢淬火过程产生的内应力，显著降低淬火开裂的敏感性以及钢管淬火弯曲的敏感性；同时由于淬火温度低，和油淬相比，不仅可以降低能耗约10～30％，还省去消耗昂贵的淬火油，符合绿色环保的要求。本发明由于采用了上述技术方案，使得本发明所述的水淬钢管的屈服强度可以达到150钢级，即1034MPa以上，其射孔性能和油淬钢管的性能相当。
表4.本发明化学成分与现有技术制备的钢管化学成分比较(wt％)
通过表1-4可知，采用本发明的化学成分和热处理工艺，本发明生产的水淬钢管的屈服强度均可以达到150钢级即1034MPa以上，零度纵向7.5尺寸下冲击功不小于80J，射孔性能优良。对比例1-2由于化学成分偏离本案所述的范围值，力学性能较低；对比例3-4采用的是完全淬火工艺，和本发明的低温淬火工艺相比，其拉伸、冲击性能相当，虽然射孔性能也合格，但相对于本发明其效果较差。
上面结合附图对本发明实施例进行了说明，但本发明不限于上述实施例，还可以根据本发明的发明创造的目的做出多种变化，凡依据本发明技术方案的精神实质和原理下做的改变、修饰、替代、组合或简化，均应为等效的置换方式，只要符合本发明的发明目的，只要不背离本发明射孔枪管材料及其制备方法的技术原理和发明构思，都属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种水淬射孔枪管材料，其特征在于，其材料组分的化学元素质量百分配比为：
C：0.25-0.35％；Si：0.15-0.35％；Mn：0.4-0.8％；Cr：0.8-1.2％；Mo：0.15-0.45％；Al：0.005-0.05％；Cu：≤0.15％；Ni：≤0.2％；V：≤0.06％；Nb：≤0.05％；Ti:≤0.03％；Ca:0.001-0.0065％；P＜0.015％；S＜0.0065％；余量为Fe和不可避免的杂质；
且材料组分的化学元素中的Ca元素和S元素之间满足Ca/S＞1的质量关系，并满足质量关系式为0.6＜Ceq≤0.72,其中Ceq＝C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Cu+Ni)/15，关系式各元素符号代表对应元素成分作为材料组分的质量；
所述水淬射孔枪管材料的制备方法，包括如下步骤：
a.将钢水进行炉外精炼和真空脱气后连铸成圆坯；
b.将在所述步骤a中制备的圆坯进行均热处理，控制均热温度为1220～1260℃；圆坯在完成均热处理后，再进行穿孔处理，控制穿孔温度为1200～1240℃；
c.对在所述步骤b中完成穿孔工艺的圆坯进行轧制加工制备轧管，然后对轧管的整管加热至950～1000℃进行张力减径，然后在减径加工后，对轧管进行空冷，并对轧管进行锯切，得到所需钢管，控制轧制钢管组织为贝氏体组织，或者为铁素体、珠光体和贝氏体的混合组织；
d.将在所述步骤c中制备的钢管再进行调质热处理：在AC1至AC3温度之间，进行淬火加热，淬火温度范围为(AC3-30℃，AC3)，其中淬火加热温度的Ac1为下临界温度，Ac3为上临界温度，控制保温时间为30～60min，然后进行水淬；完成淬火处理后，然后在600～650℃的回火温度下，对钢管进行高温回火处理，回火保温时间为30～60min，最终得到所述的射孔枪钢管材料。
2.一种权利要求1所述水淬射孔枪管材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
a.将钢水进行炉外精炼和真空脱气后连铸成圆坯；
b.将在所述步骤a中制备的圆坯进行均热处理，控制均热温度为1220～1260℃；圆坯在完成均热处理后，再进行穿孔处理，控制穿孔温度为1200～1240℃；
c.对在所述步骤b中完成穿孔工艺的圆坯进行轧制加工制备轧管，然后对轧管的整管加热至950～1000℃进行张力减径，然后在减径加工后，对轧管进行空冷，并对轧管进行锯切，得到所需钢管，控制轧制钢管组织为贝氏体组织，或者为铁素体、珠光体和贝氏体的混合组织；
d.将在所述步骤c中制备的钢管再进行调质热处理：在AC1至AC3温度之间，进行淬火加热，淬火温度范围为(AC3-30℃，AC3)，其中淬火加热温度的Ac1为下临界温度，Ac3为上临界温度，控制保温时间为30～60min，然后进行水淬；完成淬火处理后，然后在600～650℃的回火温度下，对钢管进行高温回火处理，回火保温时间为30～60min，最终得到所述的射孔枪钢管材料。
3.根据权利要求2所述射孔枪管材料的制备方法，其特征在于：在所述步骤d中，控制最终得到的射孔枪钢管材料的组织为全马氏体组织，或者为铁素体和马氏体的混合组织。
4.根据权利要求2所述射孔枪管材料的制备方法，其特征在于：在所述步骤d中，淬火温度为780～820℃，淬火保温时间为40～60min；回火温度为620～650℃。
5.根据权利要求2所述射孔枪管材料的制备方法，其特征在于：在所述步骤c中，控制终轧温度为860～900℃。
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