高强高韧射孔枪管用钢的研究

发布时间：2017-08-12 11:36

  本文关键词：高强高韧射孔枪管用钢的研究

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【摘要】：射孔是石油勘探和开发工程中十分重要的一项技术,对石油的采收率有明显影响。在进行射孔作业时,射孔枪管既要定位射孔方向又要在爆炸过程中保护油层套管,所以对其尺寸精度、内外表面质量和力学性能的要求非常高,我国以前全部依靠从德国进口。本论文根据实际生产需要,设计并开发了一种新型的射孔枪管用钢27CrMo,在原有的Cr-Mo系低碳低合金钢的基础上添加了V等微合金元素。通过严格控制冶炼、精炼等工艺参数,使各元素含量满足设计要求。根据实际情况设计轧制工艺,经斜轧将坯料轧制成Φ134.3mm×9.51mm规格的管材。为了制定合理的热处理工艺,用示差热分析仪对其相变点进行了测定,最终选择880℃~960℃为淬火加热温度,保温时间为40min和70min,水冷。选择820℃~860℃为亚温淬火加热温度,保温40min后水冷。在520℃~620℃进行高温回火,保温时间为80min,空冷。采用光学显微镜和扫描电镜对不同工艺处理后的组织、相组成、断口进行了分析,并通过能谱仪对断口夹杂物进行表征。通过测定硬度、拉伸和冲击试验测定钢的各项力学性能,研究其力学性能的影响因素。将实验钢加热到700℃~940℃之间的9个温度,对其平衡组织进行研究。试验结果表明:实验钢在轧态时组织为粒状贝氏体,完全淬火后的组织则为板条马氏体,晶粒度高于9级,随着淬火温度的升高和保温时间的延长,组织发生明显粗化,并且发现组织对加热温度更为敏感。回火后组织为回火索氏体,冲击后断口形貌为韧窝状,随回火温度的升高韧窝数量增多、加深,断口夹杂物为CaO、Al2O3、SiO2的复合夹杂。亚温淬火后组织为铁素体、马氏体和残余奥氏体,晶粒度能达到10级,随着亚温淬火温度的升高,铁素体的量逐渐减少。回火后的组织为铁素体+回火索氏体+残余奥氏体。原始组织为淬火态的钢与退火态和调质态的不同,亚温淬火后铁素体呈粗大的块状,并保留至回火组织。当原始组织为调质态时奥氏体的形成速度最快。实验钢加热到不同温度并冷却后的平衡组织全部为珠光体和铁素体的混合组织,随着加热温度的升高,珠光体所占的比例逐渐增大。力学性能结果表明:随着回火温度的升高,在完全淬火和亚温淬火中钢的韧性都增强,强度普遍降低,在温度为560℃时获得最佳的综合力学性能。将两组最佳性能进行对比发现:亚温淬火后在不降低强度的情况下明显提高了材料的韧性,所以最终选择调质态为原始组织,经840℃淬火保温40min,水淬,再经560℃回火保温80min后空冷为最佳热处理工艺。屈服强度达到913MPa,横向冲击功为91.3J,硬度48.5HRC,晶粒度级别为10.15,满足射孔枪管的使用要求。
【关键词】：射孔抢管 亚温淬火 平衡组织 强韧性 低合金高强度钢
【学位授予单位】：河北工程大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TE925.3;TG142.1
【目录】：

• 摘要6-8
• Abstract8-13
• 第1章 绪论13-23
• 1.1 选题背景13
• 1.2 射孔枪管用钢的服役环境及性能要求13-17
• 1.2.1 射孔完井简介13-15
• 1.2.2 射孔枪管用钢的服役条件15-16
• 1.2.3 射孔枪管用钢的性能要求16-17
• 1.3 低合金高强度钢的成分特点17-19
• 1.3.1 低合金高强度钢17-18
• 1.3.2 低合金高强度钢的成分特点18
• 1.3.3 低合金高强度钢的强韧化机理18-19
• 1.4 亚温淬火的强韧化机理探讨19-21
• 1.4.1 晶粒细化19-20
• 1.4.2 裂纹扩展受未溶铁素体阻碍20
• 1.4.3 残余奥氏体的作用20-21
• 1.5 亚温淬火的主要优点21
• 1.6 本论文研究的目的和意义21-23
• 第2章 实验材料和方法23-31
• 2.1 实验钢的成分设计23-25
• 2.2 试验方法25-30
• 2.2.1 钢管的试制25
• 2.2.2 轧管工艺参数25-27
• 2.2.3 热处理工艺的制定27-29
• 2.2.4 组织和断口形貌观察29
• 2.2.5 力学性能测试29-30
• 2.3 本章小结30-31
• 第3章 完全淬火对钢的微观组织和力学性能的影响31-47
• 3.1 轧态式样的金相组织31
• 3.2 淬火态试样的组织和性能31-37
• 3.2.1 不同淬火工艺处理后的金相组织31-33
• 3.2.2 扫描电镜观察淬火后的微观组织33-34
• 3.2.3 淬火态试样的晶粒度34-36
• 3.2.4 淬火后的硬度36-37
• 3.3 回火态试样的组织和性能37-44
• 3.3.1 回火后的金相组织37-38
• 3.3.2 回火后的力学性能38-41
• 3.3.3 冲击断口形貌41-42
• 3.3.4 韧脆转变温度的测定42-44
• 3.4 冲击断口夹杂物分析44-45
• 3.5 本章小结45-47
• 第4章 亚温淬火对钢的微观组织和力学性能的影响47-61
• 4.1 亚温淬火后的组织和性能47-50
• 4.1.1 不同亚温淬火工艺处理后的金相组织47-48
• 4.1.2 亚温淬火后试样的晶粒度48-50
• 4.1.3 亚温淬火后的硬度50
• 4.2 回火后试样的组织和性能50-53
• 4.2.1 亚温淬火并回火后试样的金相组织50-51
• 4.2.2 亚温淬火并回火后的力学性能51-53
• 4.3 不同原始组织对热处理后组织和力学性能的影响53-59
• 4.3.1 不同原始组织亚温淬火后的组织53-54
• 4.3.2 不同原始组织亚温淬火并回火后的组织54-55
• 4.3.3 三种原始组织回火后的力学性能55-56
• 4.3.4 临界区加热奥氏体的形成过程56-59
• 4.4 本章小结59-61
• 第5章 低合金高强度钢不同温度下的平衡组织研究61-68
• 5.1 不同加热温度对平衡组织的影响61-65
• 5.2 差热分析曲线65-67
• 5.2.1 示差热分析仪简介65-66
• 5.2.2 DTA曲线66-67
• 5.3 本章小结67-68
• 总结与展望68-70
• 致谢70-71
• 参考文献71-75
• 作者简介75-76
• 攻读硕士学位期间发表的论文76-77

【参考文献】

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本文编号：661428