一种N08028合金无缝钢管的制造方法

摘要

本发明公开了一种N08028合金无缝钢管的制造方法，涉及无缝钢管制造技术领域。其包括下述步骤：（1）离心铸造：采用离心铸造技术生产N08028合金空心管坯；（2）径向锻造：利用径向锻造机对空心管坯进行径向锻造，形成径向锻坯；（3）热扩孔：利用扩孔机对径向锻坯进行热扩孔，形成坯料；（4）热挤压：利用挤压机对坯料进行热挤压成型，形成热挤压荒管；（5）冷变形：利用冷轧机组或径向锻造机对热挤压荒管进行冷变形，形成无缝钢管。本发明材料利用率高，制造成本和废品率较低，产品质量好，不仅能满足耐蚀性能要求，而且具有较高的强度和硬度，能满足油气田苛刻环境的工作要求。

说明书

技术领域

本发明涉及无缝钢管制造技术领域，尤其是油井用无缝钢管的制造。

背景技术

自20世纪60年代开始，随着超深、高硫油气井相继被发现和开采，对油井管、油套管及接箍料用无缝钢管的要求变得越来越苛刻。目前，世界油气田中大约1/3含有H₂S气体，我国油气资源中，大部分含有CO₂和H₂S。其中，部分油井气仅含CO₂或仅含H₂S，而更多的油井气同时含有CO₂和H₂S。由于这类油气井中含有大量的H₂S、CO₂、Cl^-等腐蚀性介质，普通的碳钢、低合金钢乃至13Cr、22Cr等不锈钢已无法满足开采环境的要求，石油行业迫切需要开发出具有更好耐蚀性的油井用无缝钢管材料。高镍合金与一般不锈钢相比，不仅具有良好的抗全面腐蚀、局部腐蚀以及应力腐蚀的能力，还具有良好的综合力学性能和冷、热加工性能，因此各种高镍合金便很快应用到了耐蚀油井用无缝钢管的制造中，UNS N08028合金便是其中的一种。（UNS是UNIFIED NUMBERING SYSTEM“统一编号系统”的缩写，是由美国机动车工程师学会SAE和美国材料与试验协会ASTM于1967年共同设计的一种便捷地编号系统。目前该编号系统已在SAE和ASTM标准中形成文件加以详细说明。SAE标准号为J1086，ASTM标准号为E527，名称为“金属和合金编号推荐方法”。UNS编号系统的编号方法是由一个字母和五位数字组成，N00001～N99999代表镍和镍合金，UNS N08028对应的中国不锈钢牌号为0Cr27Ni31Mo3Cu）。

UNS N08028合金含Cr量高达27%且含Mo的高合金奥氏体不锈钢,具有良好的力学性能和机械加工性能，在腐蚀性介质中可形成钝化膜隔绝基体和腐蚀介质的接触从而具有优良的耐蚀性。接箍料为连接油井管或油套管的接箍提供的管料，N08028合金油井管、油套管及接箍料用无缝钢管可满足石油开采环境的要求。

目前，无缝钢管的制造方法非常多，有周期轧制方法、顶伸方法、挤压方法、连轧方法、斜轧方法及配套冷轧、冷锻方法等，一般方法均为采用轧坯或锻坯作为原料进行穿孔、延伸轧制的方法。

UNS N08028合金无缝钢管由于高温变形抗力大，热穿孔非常困难，只能采用机械钻扩孔的方式形成空心管坯。采用该种方式不仅造成心部材料的浪费，金属收得率与成材率低，而且机械钻扩孔的难度极高，热加工困难，废品率较高。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种N08028合金无缝钢管的制造方法，材料利用率高，制造成本和废品率较低，产品质量好，不仅能满足耐蚀性能要求，而且具有较高的强度和硬度，能满足油气田苛刻环境的工作要求。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种N08028合金无缝钢管的制造方法，包括下述步骤： 

（1）离心铸造：采用离心铸造技术生产N08028合金空心管坯，空心管坯在大于950℃下入水淬水后均质化处理，再对空心管坯的内、外表面进行机械加工，清洗；

（2）径向锻造：将空心管坯加热到1100℃～1250℃后，对空心管坯添加玻璃粉润滑剂，利用径向锻造机对空心管坯进行径向锻造，形成径向锻坯，径向锻坯在大于950℃下入水淬水后对其内、外表面及端面进行机械加工；

（3）热扩孔：对径向锻坯依次进行预热、一次感应加热和内外表面添加玻璃粉润滑剂后，利用扩孔机对径向锻坯进行热扩孔，形成坯料；

（4）热挤压：对坯料依次进行水除鳞、二次感应加热和内外表面添加玻璃粉润滑剂后，利用挤压机对坯料进行热挤压成型，形成热挤压荒管, 热挤压荒管在大于950℃下入水淬水；

（5）冷变形：对热挤压荒管进行固溶处理后，利用冷轧机组或径向锻造机对热挤压荒管进行冷变形，形成无缝钢管。

进一步的，无缝钢管为油井管、油套管及接箍料。

进一步的，步骤（1）中均质化处理温度为1050℃～1200℃，保温时间大于10小时。

步骤（1）中对空心管坯的机械加工为：外表面单边加工去掉2mm～6mm，内表面单边加工去掉3mm～12mm。

步骤（2）中对径向锻坯的机械加工为：外表面加工去掉0.5mm～3mm，内表面加工去掉1mm～5mm，两个端面各加工去掉10mm～30mm。

步骤（3）中预热温度为600℃～1000℃，一次感应加热温度为1050℃～1200℃。

步骤（4）中二次感应加热温度为1100℃～1250℃；挤压速度为120～250mm/s，挤压比为3～10。

步骤（5）中固溶处理温度为1050℃～1200℃，保温时间为20min～120min；冷变形的变形量为30%～50%。

进一步的，步骤（5）中的无缝钢管再进行一次固溶处理，固溶处理温度为1050℃～1200℃，保温时间20min～120min，之后进行二道次冷轧或冷锻变形，变形量为40%～60%。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于： 

（1）采用“离心铸造+径向锻造工艺”生产原料管，与轧制或锻造坯料相比，省去了钻扩孔工序，总材料利用率提高10%-20%，制造成本降低10%以上；并且径向锻造可使离心铸造的空心管坯均匀受力和变形、晶粒细化，晶粒度可达3.5级以上，明显好于离心坯或钢锭坯的柱状晶或粗大等轴晶组织，原料管质量明显优于钢锭坯及离心坯本身，具备更好的基础条件，产品质量好；

（2）采用“径向锻造、热扩孔、热挤压+玻璃粉润滑”的制造方法，避免了变形过程中出现的内外表面缺陷，制造过程中的废品率低；

（3）“热扩孔”可细化管坯晶粒，提高塑性； 

（4）UNS N08028合金通过本方法的离心铸造、径向锻造、热扩孔、热挤压和冷变形处理后强度、硬度等可满足油气田苛刻环境的工作要求。

具体实施方式

实施例1

外径φ177.8mm、壁厚9.19mm的N08028合金油井管用无缝钢管的制造方法，包括下述步骤：

（1）离心铸造：采用离心铸造技术生产外径φ466mm、内径φ210mm、长1500mm的N08028合金空心管坯，空心管坯在大于950℃下入水淬水，冷却后空心管坯进行均质化处理，均质化处理温度为1050℃，保温12小时。离心铸造的空心管坯外表面由于涂料的原因将形成均匀的凸刺状，内表面由于离心力的排渣作用存有薄薄的渣层，需要对空心管坯的内、外表面进行机械加工：外表面单边加工4mm，内表面单边加工12mm。机械加工之后取样进行性能检验及整体探伤，达到完全合格后将空心管坯在清洗机内进行表面清洗。

（2）径向锻造：将经上述处理的空心管坯放入加热炉，加热到1100℃后，对空心管坯添加玻璃粉润滑剂。玻璃粉采用空压风通过管道吹入空心管坯内，其中管道头部焊死，在两边开缝，玻璃粉从缝隙处吹入空心管坯内，保持润滑均匀。再利用径向锻造机对加热及润滑后的空心管坯进行径向锻造(径向锻造机间隔90°布置有四个砧子，锻造时可使管坯均匀受力、变形) ,形成径向锻坯，径向锻坯在大于950℃下入水淬水后对其内、外表面及端面进行机械加工，外表面加工去掉0.5mm，内表面加工去掉5mm, 两个端面各加工去掉20mm，形成外径φ357mm、内径φ180mm、长度为800mm的径向锻坯。

（3）热扩孔：将径向锻坯在环形炉内预热，预热温度为600℃；之后进行一次感应加热，一次感应加热温度为1200℃；再对径向锻坯内外表面添加玻璃粉润滑剂后利用扩孔机对径向锻坯进行热扩孔，形成坯料。

（4）热挤压：利用挤压机自带高压水除鳞机对坯料进行水除鳞；之后将坯料进行二次感应加热，二次感应加热温度为1100℃；再对坯料内外表面添加玻璃粉润滑剂后利用挤压机对坯料进行热挤压成型，挤压速度为250mm/s，挤压比为4.7，形成外径φ245mm、壁厚为22mm的热挤压荒管, 热挤压荒管在大于950℃下入水淬水。

（5）冷变形：对热挤压荒管进行固溶处理，固溶处理温度为1050℃，保温时间为40min；之后利用冷轧机组对热挤压荒管进行一道次冷轧变形，变形量为33%，形成外径φ219mm，壁厚为15mm的一道次冷轧无缝钢管；再对一道次冷轧无缝钢管进行一次固溶处理，固溶处理温度为1200℃，保温时间20min，最后进行二道次冷轧，变形量为51%，形成外径φ177.8mm、壁厚9.19mm的N08028合金油井管用无缝钢管。

检测结果：径向锻坯内析出相含量最严重视场小于3%，热挤压荒管析出相含量小于1%，成品油井管力学性能满足要求，拉伸结果如表1所示，硬度如表2所示：

表1 成品油井管拉伸检测结果

         表2 成品油井管硬度检测结果

       实施例2

外径φ177.8mm、壁厚8.05mm的N08028合金油套管用无缝钢管的制造方法，包括下述步骤： 

（1）离心铸造：采用离心铸造技术生产外径φ466mm、内径φ210mm、长1500mm的N08028合金空心管坯，空心管坯在大于950℃下入水淬水，冷却后空心管坯进行均质化处理，均质化处理温度为1150℃，保温16小时。再对空心管坯的内、外表面进行机械加工：外表面单边加工6mm，内表面单边加工8mm。机械加工之后取样进行性能检验及整体探伤，达到完全合格后将空心管坯在清洗机内进行表面清洗。

（2）径向锻造：将经上述处理的空心管坯放入加热炉，加热到1250℃后，对空心管坯添加玻璃粉润滑剂。玻璃粉采用空压风通过管道吹入空心管坯内，其中管道头部焊死，在两边开缝，玻璃粉从缝隙处吹入空心管坯内，保持润滑均匀。再利用径向锻造机对加热及润滑后的空心管坯进行径向锻造,形成径向锻坯，径向锻坯在大于950℃下入水淬水后对其内、外表面及端面进行机械加工，外表面加工去掉2mm，内表面加工去掉2.5mm, 两个端面各加工去掉10mm，形成外径φ357mm、内径φ180mm、长度为800mm的径向锻坯。

（3）热扩孔：将径向锻坯在环形炉内预热，预热温度为850℃；之后进行一次感应加热，一次感应加热温度为1100℃；再对径向锻坯内外表面添加玻璃粉润滑剂后利用扩孔机对径向锻坯进行热扩孔，形成坯料。

（4）热挤压：利用挤压机自带高压水除鳞机对坯料进行水除鳞；之后将坯料进行二次感应加热，二次感应加热温度为1200℃；再对坯料内外表面添加玻璃粉润滑剂后利用挤压机对坯料进行热挤压成型，挤压速度为155mm/s，挤压比为4.7，形成外径φ245mm、壁厚为22mm的热挤压荒管, 热挤压荒管在大于950℃下入水淬水。

（5）冷变形：对热挤压荒管进行固溶处理，固溶处理温度为1150℃，保温时间为40min；之后利用径向锻造机对热挤压荒管进行一道次冷锻变形，变形量为45%，形成外径φ219mm，壁厚为13mm的一道次冷锻无缝钢管；再对一道次冷锻无缝钢管进行一次固溶处理，固溶处理温度为1050℃，保温时间20min，最后进行二道次冷锻变形，变形量为50%，形成外径φ177.8mm、壁厚8.05mm的N08028合金油套管用无缝钢管。

检测结果：径向锻坯内析出相含量最严重视场小于3%，热挤压荒管析出相含量小于1%，成品油套管力学性能满足要求，拉伸结果如表3所示，硬度如表4所示：

表3 成品油套管拉伸检测结果

   表4 成品油套管硬度检测结果

       实施例3

外径φ196mm、壁厚22mm的N08028合金接箍料用无缝钢管的制造方法，包括下述步骤：

（1）离心铸造：采用离心铸造技术生产外径φ466mm、内径φ210mm、长1500mm的N08028合金空心管坯，空心管坯在大于950℃下入水淬水，冷却后空心管坯进行均质化处理，均质化处理温度为1150℃，保温18小时。再对空心管坯的内、外表面进行机械加工：外表面单边加工2mm，内表面单边加工3mm。机械加工之后取样进行性能检验及整体探伤，达到完全合格后将空心管坯在清洗机内进行表面清洗。

（2）径向锻造：将经上述处理的空心管坯放入加热炉，加热到1250℃后，对空心管坯添加玻璃粉润滑剂。玻璃粉采用空压风通过管道吹入空心管坯内，其中管道头部焊死，在两边开缝，玻璃粉从缝隙处吹入空心管坯内，保持润滑均匀。再利用径向锻造机对加热及润滑后的空心管坯进行径向锻造,形成径向锻坯，径向锻坯在大于950℃下入水淬水后对其内、外表面及端面进行机械加工，外表面加工去掉3mm，内表面加工去掉1mm, 两个端面各加工去掉30mm，形成外径φ357mm、内径φ180mm、长度为800mm的径向锻坯。

（3）热扩孔：将径向锻坯在环形炉内预热，预热温度为850℃；之后进行一次感应加热，一次感应加热温度为1100℃；再对径向锻坯内外表面添加玻璃粉润滑剂后利用扩孔机对径向锻坯进行热扩孔，形成坯料。

（4）热挤压：利用挤压机自带高压水除鳞机对坯料进行水除鳞；之后将坯料进行二次感应加热，二次感应加热温度为1180℃；再对坯料内外表面添加玻璃粉润滑剂后利用挤压机对坯料进行热挤压成型，挤压速度为170mm/s，挤压比为3.3，形成外径φ245mm、壁厚为35mm的热挤压荒管, 热挤压荒管在大于950℃下入水淬水。

（5）冷变形：对热挤压荒管进行固溶处理，固溶处理温度为1150℃，保温时间为120min；之后利用冷轧机组对热挤压荒管进行冷轧变形，变形量为48%，形成外径φ196mm、壁厚22mm的N08028合金接箍料用无缝钢管。

检测结果：径向锻坯内析出相含量最严重视场小于3%，热挤压荒管析出相含量小于1%，成品接箍料力学性能满足要求，拉伸结果如表5所示，硬度如表6所示：

表5 成品接箍料拉伸检测结果

   表6 成品接箍料硬度检测结果

实施例4

外径φ177.8mm、壁厚8.05mm的N08028合金油井管用无缝钢管的制造方法，包括下述步骤：

（1）离心铸造：采用离心铸造技术生产外径φ466mm、内径φ210mm、长1500mm的N08028合金空心管坯，空心管坯在大于950℃下入水淬水，冷却后空心管坯进行均质化处理，均质化处理温度为1200℃，保温14小时。再对空心管坯的内、外表面进行机械加工：外表面单边加工4mm，内表面单边加工12mm。机械加工之后取样进行性能检验及整体探伤，达到完全合格后将空心管坯在清洗机内进行表面清洗。

（2）径向锻造：将经上述处理的空心管坯放入加热炉，加热到1175℃后，对空心管坯添加玻璃粉润滑剂。玻璃粉采用空压风通过管道吹入空心管坯内，其中管道头部焊死，在两边开缝，玻璃粉从缝隙处吹入空心管坯内，保持润滑均匀。再利用径向锻造机对加热及润滑后的空心管坯进行径向锻造,形成径向锻坯，径向锻坯在大于950℃下入水淬水后对其内、外表面及端面进行机械加工，外表面加工去掉0.5mm，内表面加工去掉5mm, 两个端面各加工去掉20mm，形成外径φ357mm、内径φ180mm、长度为800mm的径向锻坯。

（3）热扩孔：将径向锻坯在环形炉内预热，预热温度为1000℃；之后进行一次感应加热，一次感应加热温度为1050℃；再对径向锻坯内外表面添加玻璃粉润滑剂后利用扩孔机对径向锻坯进行热扩孔，形成坯料。

（4）热挤压：利用挤压机自带高压水除鳞机对坯料进行水除鳞；之后将坯料进行二次感应加热，二次感应加热温度为1250℃；再对坯料内外表面添加玻璃粉润滑剂后利用挤压机对坯料进行热挤压成型，挤压速度为120mm/s，挤压比为9.7，形成外径φ219mm、壁厚为13mm的热挤压荒管, 热挤压荒管在大于950℃下入水淬水。

（5）冷变形：对热挤压荒管进行固溶处理，固溶处理温度为1200℃，保温时间为20min；之后利用径向锻造机对热挤压荒管进行冷锻变形，变形量为50%，形成外径φ177.8mm、壁厚8.05mm的N08028合金油井管用无缝钢管。

检测结果：径向锻坯内析出相含量最严重视场小于3%，热挤压荒管析出相含量小于1%，成品油井管力学性能满足要求，拉伸结果如表7所示，硬度如表8所示：

表7 成品油井管拉伸检测结果

   表8 成品油井管硬度检测结果

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