热处理对CT80级连续油管组织与性能的影响

摘要

连续油管主要用于石油工业,广泛应用于钻井、完井、采油、修井等作业的各个领域,解决了许多常规作业技术难以解决的问题,应用效果明显。由于连续油管在周期性的疲劳载荷作用下进行工作,很容易因疲劳损伤而造成连续油管失效,导致连续油管使用寿命大大缩短。因此,如何通过合理的成分设计和合适的工艺配合,来获得能满足工程需要的高强、高韧、低的脆性转变温度、良好的抗内压弯曲性能的连续油管是科技工作者仍致力的课题。本文主要采用A、B两种不同成分和组织的低合金高强度钢卷管焊接成型连续油管,A、B钢制成连续油管屈服强度分别为677.5Mpa、731.8Mpa,对其在740℃、760℃、780℃、800℃、820℃、840℃下进行不保温热处理,再空冷至一定温度后水冷,运用光学显微镜、扫描电镜、能谱仪、透射电镜、万能材料试验机、硬度计、模拟疲劳试验机等方法对不同热处理温度下显微组织、力学性能及模拟循环次数进行了测试与分析,得出以下主要结论：1.对A、B两种不同连续油管进行相同工艺热处理,随热处理温度的升高变形的细长条状晶粒逐渐向等轴晶转变。组织中的珠光体和M-A岛随加热温度和水冷温度的升高不断增加,并且尺寸在逐渐增大,相同热处理条件下B钢组织及第二相颗粒尺寸小于A钢。2.随着热处理温度的升高,A、B两种连续油管的力学性能变化趋势相同,即硬度和强度都呈下降趋势,屈强比减小,延伸率增加。超过800℃热处理后,两钢的屈服强度都小于551Mpa,不符合80级(551Mpa)要求。其中B钢的硬度及强度高于A钢,并且随热处理温度的升高较A钢下降缓慢,B钢的塑性明显小于A钢,随热处理温度升高差距增大。3.通过对A、B两种连续油管进行一定内压下模拟疲劳,得出疲劳循环次数分别在屈服强度σsA=677.5Mpa、σsB=642.1Mpa,延伸率δKA=14.32％、δKB=17.47%时分别达到其各自循环次数的最大值。组织细小B钢的循环次数明显大于A钢,说明有一个良好的强韧匹配及细小组织时,连续油管在一定内压下才具有较高的循环次数。4.模拟疲劳失效后管材横截面的受压面晶粒随温度升高变形明显,中性面区域晶粒变形量较小。疲劳失效后中性面硬度变化不大为循环稳定状态,受压、拉面硬度增大出现循环硬化现象。5.通过对连续油管试样进行疲劳间隙回火,在400℃回火90min后循环次数最高,使循环寿命提高了大约一倍,疲劳损伤得到较好修复。随回火温度的升高晶界处偏聚的碳化物逐渐扩散,受挤压变形的高应力长条状晶粒向低应力规则的多边形晶粒转变；同时,回火温度升高,疲劳断口上的疲劳条纹发展为二次裂纹,韧窝增多增深,说明回火后疲劳试样韧性有所提高。

目录

摘要

Abstract

1 绪论

1.1 连续油管简介

1.2 国内外连续油管研制与发展概况

1.2.1 国外连续油管发展现状

1.2.2 国内连续油管发展现状

1.2.3 连续油管材料发展现状

1.2.4 连续油管加工工艺发展

1.3 合金元素在连续油管钢中的作用

1.4 连续油管研究现状

1.5 粒状贝氏体的转变机制和力学性能

1.5.1 粒状贝氏体转变机制

1.5.2 粒状贝氏体的力学性能

1.6 连续油管技术的应用及其特点

1.7 连续油管失效形式综述

1.8 疲劳修复

1.9 连续油管研究背景及意义

1.10 本课题的主要任务

1.11 实验技术路线

2 实验材料及方法

2.1 实验材料

2.2 实验装置及工艺参数

2.2.1 光学显微镜观察

2.2.2 扫描电镜观察

2.2.3 透射电镜观察

2.2.4 硬度测试

2.2.5 拉伸试验

2.2.6 模拟疲劳试验

2.2.7 控制应力疲劳及回火修复试验

3 热处理对不同成分连续油管组织与性能的影响

3.1 热处理温度对连续油管钢组织的影响

3.1.1 A钢金相组织

3.1.2 B钢金相组织

3.2 不同工艺热处理后组织扫描电镜分析

3.2.1 A钢组织扫描电镜分析

3.2.2 B钢组织扫描电镜分析

3.2.3 热处理温度对M-A组织几何参数的影响

3.3 透射电镜分析

3.3.1 试验钢原始组织的TEM分析

3.3.2 试验钢热处理后组织的TEM分析

3.4 试验钢的力学性能

3.4.1 试验钢A、B的硬度

3.4.2 试验钢A、B的拉伸性能

3.5 热处理对连续油管模拟循环次数的影响

3.6 模拟疲劳失效后连续油管的组织和硬度

3.6.1 试验钢B管疲劳失效后不同部位显微组织

3.6.2 试验钢B管疲劳失效后不同部位硬度

3.7 本章小结

4 间隙回火对连续油管疲劳性能的影响

4.1 间隙回火对应变疲劳寿命的影响

4.2 间隙回火对应变疲劳拉伸强度的影响

4.3 疲劳间隙回火对组织的影响

4.4 疲劳断口分析

4.4.1 疲劳裂纹扩展区

4.4.2 瞬时破断区

4.5 间隙回火对疲劳亚结构的影响

4.6 本章小结

5. 结论

致谢

参考文献