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36Mn2V石油套管與40Mn2V石油套管性能比較
作者:天津啟亨石油套管 來源:www.twguvk.tw 點擊數: 更新時間:2014年10月24 【字體:

Gleeble-1500熱模擬機上測定3Cr2Mo鋼以不同冷卻速度連續冷卻時的膨脹曲線,石油套管最佳溫度為1050℃(平均晶粒尺寸可達十幾個μm其中,Ti和V碳氮化物析出,尤其是VNC析出,顯著地推遲了動態再結晶行為,并細化了奧氏體晶粒。通過連軋+再加熱+定徑+冷卻的綜合熱模擬實驗、性能測試、金相及透射電鏡觀察,系統分析了鋼種和工藝參數對性能、組織及析出物的影響,并對試驗鋼的性能變化、組織轉變規律、微合金碳氮化物析出特點及相關理論依據進行了探討。得出了36Mn2V和40Mn2V鋼性能與工藝參數之間的定量關系,建立了兩個鋼種屈服和抗拉強度的數學關系式(計算結果與測試值偏差約±10MPa鋼種和工藝參數對組織及V碳氮化物析出的影響與其對性能的影響相吻合。其中,石油套管定徑溫度和冷卻速度是影響組織和性能的關鍵參數,強度均隨溫度的升高和冷卻速度的增大而遞增,沖擊韌性隨溫度的升高而遞減,但隨冷卻速度的增大先緩慢升高,達到峰值后迅速降低,其峰值對應的臨界冷卻速度隨溫度的升隨著油井深度增加,井內溫度和壓力相應提高,固井完井用油套管服役的地質環境發生了顯著變化,對油套管的綜合力學性能、使用性能和壽命提出了更高要求,特別是對強韌性匹配提出了極高的要求,現有美國API標準的高鋼級油套管難以勝任。本文開展超深井用石油套管的成分設計、熱變形、熱矯直、熱處理工藝及相關基礎研究,為企業開發高強高韌的V150油套管提供技術支撐。根據超深井用V150油套管用鋼的目標性能要求,利用人工神經網絡技術開展了合金成分設計,確定了高強高韌V150石油套管的成分范圍。對實驗鋼的熱變形行為進行了全面而系統的研究,補償了應變、摩擦以及變形熱對流變應力的影響,基于2種不同模型構建了本構方程,繪制出了實驗鋼的熱加工圖。系統研究實驗鋼在連續冷卻過程中的相變行為,測定了實驗鋼的CCT圖,綜合利用CCT圖、溫度場模擬、微觀組織觀察,分析了不同冷卻方案的組織轉變。系統研究了高強高韌油套管用鋼的熱處理工藝和強韌化機理,獲得0℃橫向沖擊功達到130J調質工藝。運用ANSYS/LS-DYA N軟件建立三維有限元模型,實現無縫鋼管石油套管熱矯直過程的三維動態模擬。]

研究石油套管常規淬火+充分回火、常規淬火+不充分回火、亞溫淬火+回火對油套管低溫韌性及韌脆轉變溫度的影響。

主要結論如下:1.確定V150鋼的成分范圍(質量分數,%0.250.28C,0.250.30Si,0.901.10Cr,0.91.10Mn,0.50.65Mo,0.070.10V,0.00150.005Ca,Cu≤0.1,Ni≤0.2,A 1≤0.03,P<0.01,S<0.005

預測的性能值為:Rt0.7=1064MPa,Rm=1127MPa,A =19.7%CVN=115J,完全滿足超深井用油套管的強韌性要求。

2.基于strain-compensArrheniu模型構建的流變應力方程,考慮了應變、摩擦力和溫度效應對流變應力影響,可準確預測材料在實驗范圍內的流變應力,預測值與實驗值的相關系數R=0.99456,A A RE=4:730%綜合流變應力等高線圖以及加工圖,

得出石油套管材料的最佳熱變形工藝區間:變形溫度為1110℃~1200℃,變形速率為0.032.4s-1,該區域內熱變形會發生動態再結晶,能量耗散系數峰值為37.5%3.測得了實驗鋼的CCT圖,A c1為778.4℃,A c3為828.2℃,當冷卻速度為0.05Φ0.5℃/s時,轉變產物為多邊形鐵素體、珠光體和少量貝氏體的混合組織,1℃/s5℃/s冷卻速度范圍,轉變產物為貝氏體,當冷卻速度大于5℃/s時,轉變產物為馬氏體。

石油套管合適的分級控冷工藝會對減小鋼管淬火應力產生很好的效果,能夠抑制孿晶馬氏體,得到B/M復相組織、M/A 復相組織,可較好抑制裂紋形成和擴展。結合金相-硬度法、示差熱分析法(DSC獲得該鋼的連續冷卻轉變曲線(CCT曲線)根據測得的CCT曲線,分析以不同冷卻速度連續冷卻時的組織轉變;闡明冷卻速度與組織的演變以及硬度變化的關系。比較分析所測CCT曲線與同類轉變曲線的異同。研究結果表明:馬氏體轉變的臨界冷卻速度為1.0~1.5℃/S;為生產實踐和新工藝的制定提供了參考依據。 根據CCT圖分析得出的組織轉變與實際淬火組織一致,表明所測CCT圖較為準確,可用于指導高強高韌油套管的熱處理工藝。

4.奧氏體化溫度和回火工藝對實驗鋼的組織性能影響較大,890℃保溫30min水淬,經1次和2次650℃/45min回火后,強度滿足150ksi鋼級要求的前提下,0℃橫向沖擊功分別達到100J110J亞溫淬火可以顯著提高實驗鋼的沖擊韌性,800℃/30min亞溫淬火后,經1次和2次640℃/45min回火的0℃橫向沖擊功分別為120J130J,強度仍然滿足150ksi鋼級要求。]

5.矯直管經過第1對矯直輥時,橫截面的應力應變呈軸對稱分布,經過第23對矯直輥時,鋼管橫截面的應力應變分布對稱性較差。內表面周向殘余應力的有限元模擬值在-130-480MPa間波動,實測值在-189-489MPa間變化,模擬值與實驗值吻合較好。第2對矯直輥的壓扁量為最重要的壓扁矯正控制因子,3對輥壓扁量的較優組合依次為1.4mm4.0mm2.6mm,橢圓度少于0.4%壓彎量為最重要的矯直控制因子,壓彎量、壓扁量、傾斜角的最優組合分別為45mm4.0mm31°,采用優化的矯直參數后,矯直管的不平度大大降低,管端1m內≤1/1000mm,管體≤1/1500mm,完全能滿足高尺寸精度產品要求。

6.石油套管結合能量法和形貌分析法確定常規淬火+充分回火、常規淬火+不充分回火、亞溫淬火+回火等3種典型熱處理工藝對應的低溫韌性及韌脆轉變溫度,分別為-37℃、-2℃、-73℃。亞溫淬火組織經過回火后,碳化物均勻析出,大部分α鐵素體等軸化,少量未溶鐵素體的存在,不僅未降低材料的整體強度,還能抑制微裂紋的產生和擴展,因此有較好的低溫韌性。建立36Mn2V和40Mn2V鋼變形抗力數學關系式(擬合度分別為96.96%和97.33%計算出連軋和定徑的變形抗力范圍。求出兩個鋼種的動態再結晶激活能分別為361.96KJ/mol和381.66KJ/mol比普通碳錳鋼分別高出52.35KJ/mol和72.05KJ/mol作出兩個鋼種的綜合動態再結晶圖。綜合得出兩個鋼種的連軋再結晶細化晶粒控制溫度均≥1050℃。將整套研究軟件化,采用VC++6.0軟件,開發了一個可查詢不同規格的基本參數、應選用的鋼種及工藝控制參數,預報變形抗力和性能等信息的數據庫軟件。通過工業實踐應用,驗證了此套技術的可行性和準確性,實際屈服強度和沖擊韌性與研究值的平均偏差約±20MPa和-8~+6J產品的屈服強度和沖擊韌性基本穩定在615~675MPa之間和45J以上,完全滿足API5CT石油套管驗收要求,且大大提高了一次性成材率。

管材擠壓機示意圖

 

 

天津啟亨鋼管分公司-----API5CT石油套管

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