一、技术领域
[0001] 本
发明涉及金属材料和石油
天然气工业领域，尤其是一种膨胀管用
TWIP钢的冶炼与钢管制备工艺。二、背景技术
[0002] 膨胀管技术是一项新兴的可优化井身结构、提高钻井安全性并显著降低钻井成本的技术。该技术可应用于钻井、完井、采油和修井等作业全过程，被认为是21世纪国际石油工程领域具有革命性影响的核心技术之一。膨胀管技术是利用液压或机械
力推动或拉动膨胀工具使其在
套管内沿轴向运动，使得管体径向扩张至所要求的直径尺寸，产生永久塑性
变形并用于后续作业。该技术利用金属塑性变形特点，通过在井下将套管径向膨胀至塑性变形区域，扩大井眼尺寸以达到节省井眼直径的目的。该技术有多重优点，包括减小井眼锥度，简化井身结构，提高钻井速度和深度，降低钻井成本，封隔或封固复杂井段，补贴已损套管等。
[0003] 用于修井的传统膨胀管的径向
膨胀率一般为10％～15％，而等井径膨胀管的膨胀率为20％～30％，膨胀率的大幅增加对套管材料的力学性能提出了更高的要求，可膨胀管的材料必须具备良好的强度和塑性，以保证可膨胀管在井下具有较大的膨胀能力和抗挤毁能力。现阶段，一般以“强塑积”作为可膨胀管材料选用设计开发准则，强塑积为材料在正常状态下的
抗拉强度和伸长率的乘积。大多数的高强度钢如
双相钢、TRIP钢等往往抗拉强度越高则延伸率越低，但是TWIP钢不仅具有较高的抗拉强度，还具有相当优越的塑性。
[0004] TWIP钢在使用时无外
载荷、冷却到室温下的组织是稳定的残余奥氏体，但是如果施加一定的外部载荷，由于应变诱导产生机械孪晶，会产生大的无颈缩延伸，显示出非常优异的力学性能，目前TWIP钢的研究已经从第一代的Fe-Mn-Si-Al系列到第二代Fe-Mn-C系列一直到目前的Fe-Mn-Al-C系TWIP钢。第一代TWIP钢具有中等的抗拉强度(约600MPa)和极高的延伸率(大于80％)，但是该系列TWIP钢中Al含量较高，在浇铸过程中容易生成
氧化物残渣堵住浇铸口；第二代TWIP钢去除了
合金元素Al和Si，却出现了缺口敏感性问题；第三代TWIP钢主要集中在高Mn钢中通过置换固溶
原子(Mn、Al、Si)成分调整来获得TWIP效应。
[0005] 在进行TWIP钢成分设计时，主要考虑
合金元素对奥氏体
稳定性的影响和对奥氏体层错能的影响。C是奥氏体稳定化元素，其间隙固溶强化作用，奥氏体中含
碳量升高，奥氏体稳定性升高，但是含C量也不能太高，不然会影响
焊接性能；Mn作为TWIP的最重要的元素之一，具有很强的促进奥氏体化的作用，同时又是增加合金层错能的最有效元素，可以强烈促进TWIP效应，抑制TRIP效应；Al元素也可增加合金层错能，抑制奥氏体向
马氏体转变，但是Al易氧化，在浇铸时容易产生氧化物残渣堵住浇铸口，因此要控制Al元素的含量；Si元素可以降低马氏体
相变临界
温度Ms，对室温下得到稳定的奥氏体组织有益，而且Si元素固溶于奥氏体，有利于提高TWIP钢强度，但是Si元素会降低合金层错能，抑制TWIP效应，因此，要合理的配比各种元素，从而设计出力学性能优异的TWIP钢。
[0006] 经文献检索，中国国家知识产权局授权的，授权公开号为CN101381839A的发明
专利，提供了一种高强塑
合金钢及其
热处理工艺，可对高强塑积TWIP钢组织与性能进行调控，但是该种钢成分中的Si含量较高，会抑制TWIP效应，而且还会直接影响钢板表面
质量；授权公开号为CN102560259A的发明专利，提供了一种低成本大膨胀率膨胀管用TWIP钢及钢管制备方法，但是该种钢成分中C元素含量较高，塑性和可焊性较差；授权公开号为CN105441796A的发明专利，提供了一种具有高强塑积TWIP钢及其制备方法，该钢的强塑积大于50GPa％，但是该种钢的Al元素含量较高，不利于浇铸成形；授权公开号为CN102345077A的发明专利，提供了一种具有高强塑积的大膨胀率膨胀管用钢及制备方法，该种钢具有纯净度高，含
硅铝量低，避免
热轧钢坯
缺陷的优点，但是该种钢掺入了Re元素用来改善TWIP钢的性能，使得钢的成本提高，不利于大规模生产、推广应用。三、发明内容
[0007] 本发明的目的是，克服现有TWIP钢存在的缺陷，提供一种膨胀管用TWIP钢的冶炼与钢管制备工艺。
[0008] 为实现上述目的，本发明的技术方案包括材料配方和冶炼加工工艺，其特征为：
[0009] TWIP钢材料配方成分质量百分比为：C：0.05～0.07％，Mn：24～26％，Al：2～2.5％，Si：0.5～1.5％，P：≤0.015％，S：≤0.015％，Fe为余量；
[0010] TWIP钢的冶炼与钢管制备工艺步骤：
[0011] (1)将纯
铁、
电解锰、铝丸、硅铁作为原料按配方元素成分质量配比称量后置于中频
感应炉内进行冶炼，出钢温度区间为1500～1650℃，浇铸温度区间为1400～1500℃，将浇铸好的钢锭进行电渣
重熔；
[0012] (2)将
电渣重熔后的钢锭进一步
锻造得到
管坯，始锻温度为1100～1200℃，终锻温度为800℃，锻后进行
退火热处理，退火温度为1000℃，退火时间为2h，
水冷至室温，
切除表面的氧化皮，磨光获得管坯；
[0013] (3)利用环形加热炉将管坯加热到1200～1250℃，然后经过穿孔、轧管、定径的加工工艺获得符合尺寸要求的TWIP钢钢管，将加工好的钢管进行退火热处理，退火温度为1000～1150℃，退火时间为30min，然后水冷至室温。
[0014] 本发明取得的有益效果：
[0015] (1)C元素含量较低，使得钢材的塑性和可焊性较于现有的TWIP钢更为优异。
[0016] (2)通过合理的设计各种化学元素的配比，加工后的钢管在1000～1150℃的退火处理后稳定的奥氏体组织可达95％以上，有利于膨胀变形后抑制TRIP效应，产生形变孪晶。
[0017] (3)有效的解决了现有TWIP钢Al含量较高，浇铸过程中容易产生氧化物堵塞浇铸口的缺陷以及TWIP钢缺口敏感性和价格昂贵的问题。四、
附图说明
[0018] 图1是本发明钢材的拉伸试验取得的
应力应变曲线；
[0019] 图2是本发明钢材经过1150℃的退火热处理后的金相组织照片；
[0020] 图3是本发明钢材经过1150℃的退火热处理+18％变形量的金相组织照片。五、具体实施方式
[0021] 结合
说明书附图，详细描述本发明的具体实施过程。
[0022] TWIP钢材料成分质量百分比为：C：0.064％，Mn：25.17％，Al：2.03％，Si：0.589％，P：0.014％，S：0.013％，Fe为余量。
[0023] TWIP钢的冶炼与钢管制备工艺步骤：
[0024] (1)将纯铁、电解锰、铝丸和硅铁按照上述元素成分的质量配比称量后，置于中频感应炉内进行冶炼，出钢温度区间为1500～1650℃，浇铸温度区间为1400～1500℃，将浇铸好的钢锭进行电渣重熔；
[0025] (2)然后将钢锭置于锻造机上进行锻造，锻造比为3：1，始锻温度为1100～1200℃，终锻温度为800℃，锻后进行退后热处理，退火温度为1000℃，退火时间为2h，水冷至室温，切除表面的氧化皮，磨光获得 的管坯；
[0026] (3)利用
超声波探伤检查管坯无缺陷后，将管坯置于环形炉加热至1200～1250℃，然后置于穿孔机上进行穿孔得到 的毛管，然后利用自动轧管机进行连轧获得的管子，再经过定径机的定径处理获得 的钢管，最后经过1150℃的退火热处理获得符合质量要求的TWIP钢钢管。
[0027] 如图1所示，是从TWIP钢钢管上切割出拉伸试样进行拉伸试验所获得的应力应变曲线，从图中可以看出该种钢材的
屈服强度大约为200MPa，抗拉强度约为500MPa；如图2所示，是1150℃退火热处理后的TWIP钢金相组织，从图中可以看出其基体组织为奥氏体组织，存在少量的退火孪晶组织；如图3所示，是经过18％的预应变后的金相组织可以看出明显的孪晶组织。
