超深井用高強(qiáng)高韌V150油套管的研究與開發(fā).pdf

1、隨著油井深度增加，井內(nèi)溫度和壓力相應(yīng)提高，固井完井用油套管服役的地質(zhì)環(huán)境發(fā)生了顯著變化，對油套管的綜合力學(xué)性能、使用性能和壽命提出了更高要求，特別是對強(qiáng)韌性匹配提出了極高的要求，現(xiàn)有美國API標(biāo)準(zhǔn)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(shè)計(jì)、熱變形、熱矯直、熱處理工藝及相關(guān)基礎(chǔ)研究，為企業(yè)開發(fā)高強(qiáng)高韌的V150油套管提供技術(shù)支撐。根據(jù)超深井用V150油套管用鋼的目標(biāo)性能要求，利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)開展了合金成分設(shè)

2、計(jì)，確定了高強(qiáng)高韌V150鋼的成分范圍。對實(shí)驗(yàn)鋼的熱變形行為進(jìn)行了全面而系統(tǒng)的研究，補(bǔ)償了應(yīng)變、摩擦以及變形熱對流變應(yīng)力的影響，基于2種不同模型構(gòu)建了本構(gòu)方程，繪制出了實(shí)驗(yàn)鋼的熱加工圖。系統(tǒng)研究實(shí)驗(yàn)鋼在連續(xù)冷卻過程中的相變行為，測定了實(shí)驗(yàn)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(zhuǎn)變。系統(tǒng)研究了高強(qiáng)高韌油套管用鋼的熱處理工藝和強(qiáng)韌化機(jī)理，獲得0℃橫向沖擊功達(dá)到130J的調(diào)質(zhì)工藝。運(yùn)用ANSYS/L

3、S-DYAN軟件建立三維有限元模型，實(shí)現(xiàn)無縫鋼管熱矯直過程的三維動態(tài)模擬。研究常規(guī)淬火+充分回火、常規(guī)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(zhuǎn)變溫度的影響。主要研究內(nèi)容如下：
　?、糯_定V150鋼的成分范圍（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，％）:0.25～0.28C，0.25～0.30Si,0.90～1.10Cr,0.9～1.10Mn,0.5～0.65Mo,0.07～0.10V,0.0015～0.005Ca, Cu≤0.1, Ni≤0.

4、2, Al≤0.03, P＜0.01, S＜0.005。預(yù)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(qiáng)韌性要求。
　?、苹趕train-compensated Arrhenius模型構(gòu)建的流變應(yīng)力方程，考慮了應(yīng)變、摩擦力和溫度效應(yīng)對流變應(yīng)力影響，可準(zhǔn)確預(yù)測材料在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)的流變應(yīng)力，預(yù)測值與實(shí)驗(yàn)值的相關(guān)系數(shù)R=0.99456，AARE=4.730％

5、。綜合流變應(yīng)力等高線圖以及加工圖，得出材料的最佳熱變形工藝區(qū)間:變形溫度為1110℃～1200℃，變形速率為0.03～2.4s-1，在該區(qū)域內(nèi)熱變形會發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶，能量耗散系數(shù)峰值為37.5％。
　?、菧y得了實(shí)驗(yàn)鋼的CCT圖，AC1為778.4℃，AC3為828.2℃，當(dāng)冷卻速度為0.05～0.5℃/s時，轉(zhuǎn)變產(chǎn)物為多邊形鐵素體、珠光體和少量貝氏體的混合組織，在1℃/s～5℃/s的冷卻速度范圍，轉(zhuǎn)變產(chǎn)物為貝氏體，當(dāng)冷卻速度大于5

6、℃/s時，轉(zhuǎn)變產(chǎn)物為馬氏體。合適的分級控冷工藝會對減小鋼管淬火應(yīng)力產(chǎn)生很好的效果，能夠抑制孿晶馬氏體，得到B/M復(fù)相組織、M/A復(fù)相組織，可較好抑制裂紋形成和擴(kuò)展。根據(jù)CCT圖分析得出的組織轉(zhuǎn)變與實(shí)際淬火組織一致，表明所測CCT圖較為準(zhǔn)確，可用于指導(dǎo)高強(qiáng)高韌油套管的熱處理工藝。
　?、葕W氏體化溫度和回火工藝對實(shí)驗(yàn)鋼的組織性能影響較大，在890℃保溫30min水淬，經(jīng)1次和2次650℃/45min回火后，在強(qiáng)度滿足150ksi鋼級要

7、求的前提下，0℃橫向沖擊功分別達(dá)到100J、110J。亞溫淬火可以顯著提高實(shí)驗(yàn)鋼的沖擊韌性，800℃/30min亞溫淬火后，經(jīng)1次和2次640℃/45min回火的0℃橫向沖擊功分別為120J、130J，強(qiáng)度仍然滿足150ksi鋼級要求。
　?、沙C直管經(jīng)過第1對矯直輥時，橫截面的應(yīng)力應(yīng)變呈軸對稱分布，經(jīng)過第2、3對矯直輥時，鋼管橫截面的應(yīng)力應(yīng)變分布對稱性較差。內(nèi)表面周向殘余應(yīng)力的有限元模擬值在-130～-480MPa間波動，實(shí)測值在

8、-189～-489MPa間變化，模擬值與實(shí)驗(yàn)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(yōu)組合依次為1.4mm、4.0mm、2.6mm，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(yōu)組合分別為45mm、4.0mm、31°，采用優(yōu)化的矯直參數(shù)后，矯直管的不平度大大降低，管端1m內(nèi)≤1/1000mm，管體≤1/1500mm，完全能滿足高尺寸精度產(chǎn)品要求。
　?、式Y(jié)合能量法